KR20160116755A - Uwb기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치가 개시된다. 본 발명의 일 면에 따른 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법은, 비디오 프레임의 기 설정된 중요도에 따라 채널 접근 우선순위를 설정하는 단계; 상기 채널 접근 우선순위에 기초하여, 상기 비디오 프레임과 차등적인 우선순위를 갖는 큐(queue) 사이의 제1 매핑 확률을 부여하는 단계; 전송 대기 중인 큐의 길이와, 기 설정된 상한 임계 값과 하한 임계 값에 기초하여 상기 제1 매핑 확률이 상대적으로 조절된 제2 매핑 확률을 연산하는 단계; 및 상기 전송 대기 중인 큐의 길이와 상기 상함 임계 값 및 상기 하한 임계 값을 비교한 결과와 상기 제2 매핑 확률에 기초하여, 상기 비디오 프레임을 차등적인 우선순위를 갖는 큐에 차등적으로 배치하는 단계를 포함한다.

Description

UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF AN EFFICIENT MULTIMEDIA TRANSMISSION FOR UWB-BASED SHIP AREA NETWORK}

본 발명은 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀티미디어 데이터 트래픽이 과도하게 발상하는 무선 통신 환경에서 통신 큐의 분배를 통한 효율적인 트래픽 분산방법이 적용된 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치에 관한 것이다.

기존의 아날로그 TV에 비해 디지털 TV는 뛰어난 화질과 음질, 데이터 통신, 대화형 방송, 채널의 다양성, 및 통신과의 융합 등 많은 이점을 가진다. 디지털 TV의 보급에 있어서 동영상 미디어 압축 기술이 중요하다. 동영상 미디어 압축 기술은 디지털 신호 처리, 디지털 통신, 반도체, 컴퓨터 등의 기술 발전에 힘입어 발전을 거듭하고 있다.

차세대 동영상 미디어 압축 기술인 H.264/AVC 기술은 다양한 통신 매체를 통해 데이터 전송이 가능하도록 설계되었으며, 높은 동영상 품질과 뛰어난 코딩 효율 때문에, HDTV 방송을 위한 산업 표준으로 채택되고 있다.

WiMedia 표준의 PCA 채널 접근 기법에서, 각각의 트래픽 흐름들은 더 나은 서비스 품질 (QoS)을 제공하기 위해 서로 다른 큐에 할당되고 모든 비디오 패킷은 동일한 액세스 카테고리, 즉AC [AC_VI] 큐에 할당된다. 이때, AC[AC_VI] 큐는 AC [AC_BE]와 AC [AC_BK] 큐보다 높은 우선 순위를 가지며, 채널에 접근할 확률도 더 높다. 그러나, 이 기법은 최적의 비디오 품질을 보장하지는 않는다. 또한, WiMedia PCA 방식의 가장 큰 문제는, 비디오 스트림이 증가하면, 큐가 채워지면서, 불필요한 프레임 / 슬라이스 손실이 발생할 수 있다는 점이다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 우선순위와 계층 부호화 정보를 이용하여 무선 네트워크 상으로 전송되는 멀티미디어 트래픽들에게 향상된 비디오 품질을 제공할 수 있는 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 애플리케이션 및 MAC 계층의 모든 특성을 지원 받아, 영상 전송 품질을 개선시킬 수 있는 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 우선 순위 액세스 제어를 이용하는 크로스 레이어 기법(높은 우선순위를 갖는 큐가 채워지고 있는 동안, 중요도 정보에 기초하여 더 낮은 우선순위를 갖는 큐에 비디오 패킷을 동적으로 할당하는 기법)을 이용하여, 비디오 프레임의 손실을 방지하는 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법은, 비디오 프레임의 기 설정된 중요도에 따라 채널 접근 우선순위를 설정하는 단계; 상기 채널 접근 우선순위에 기초하여, 상기 비디오 프레임과 차등적인 우선순위를 갖는 큐(queue) 사이의 제1 매핑 확률을 부여하는 단계; 전송 대기 중인 큐의 길이와, 기 설정된 상한 임계 값과 하한 임계 값에 기초하여 상기 제1 매핑 확률이 상대적으로 조절된 제2 매핑 확률을 연산하는 단계; 및 상기 전송 대기 중인 큐의 길이와 상기 상함 임계 값 및 상기 하한 임계 값을 비교한 결과와 상기 제2 매핑 확률에 기초하여, 상기 비디오 프레임을 차등적인 우선순위를 갖는 큐에 차등적으로 배치하는 단계를 포함한다.

상기 제2 매핑 확률을 연산하는 단계는, 아래 수식을 이용하는 이용하는 것을 특징으로 한다.

여기서, Q_new: 제2 매핑 확률, Q_pr: 제1 매핑 확률, qlen[AC]: 전송 대기 중인 큐의 길이, Th_L: 하한 임계 값, Th_H: 상한 임계 값을 의미한다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 혼잡 상황 발생시, 멀티미디어 데이터가 높은 우선순위를 갖는 큐에 채워지고 있는 동안, 중요도 정보에 기초하여 더 낮은 우선순위를 갖는 큐에 비디오 패킷을 동적으로 할당함으로써, 가장 중요한 비디오 프레임의 손실을 방지하기 위한 네트워크 환경을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 MTT(Multimedia Traffic Transmission) 정보 요소(Information Element)의 구조를 도시한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 주요 목적은 적절한 우선 순위 와 계층 부호화 정보를 이용하여 무선 네트워크상으로 전송되는 멀티미디어 트래픽들에게 더 나은 비디오 품질을 제공하는 것이다. 본 발명에서 제안하는 알고리즘은 응용계층 및 MAC 계층의 모든 특성의 지원을 받아서 영상 전송 품질을 개선하는 것을 목표로 한다. 제안하는 기법은 비디오 품질을 향상시키기 위해 우선순위 기반의 채널 액세스 제어의 특징을 성공적으로 접목시킨다.

AC[AC_VI] 큐는 다른 세 개의 큐보다 채널에 접근할 확률이 가장 높기 때문에, 더 나은 비디오 품질을 얻을 수 있다. 따라서, WiMedia PCA 기법을 통해 H.264 비디오 스트림을 전송할 때, H.264 비디오 스트림은 AC[AC_VI] 큐에 할당된다.

하지만, 이 방식의 단점은 비디오 스트림이 증가할 때, AC [AC_VI] 큐가 가득차게 되고 불필요한 프레임의 폐기가 발생할 수 있다는 점이다. H.264에서, 응용 계층에서 발생하는 비디오 스트리밍은 I slice (Intra coded), P slice, 그리고 압축된 비디오 스트리밍을 위한 B slice, 이 3가지 프레임 유형이 존재한다.

따라서, 하나의 비디오 슬라이스 타입의 손실은 전체 비디오 전송 품질의 손상을 초래할 수도 있다. 응용 계층에서 인식되는 비디오 슬라이스의 중요도에 따라, I 슬라이스의 채널 접근 우선 순위는 P 슬라이스 및 B 슬라이스보다 더 높게 설정된다. 이 세 조각 중, B 슬라이스는 가장 낮은 우선 순위를 가지고 있으므로 큐가 차게되서, 데이터의 폐기가 필요할 경우, 가장 좋은 방법은 B 슬라이스를 먼저 폐기하고, 그다음에 P 슬라이스를 마지막으로 I 슬라이스를 폐기하는 것이다.

이 우선 순위 메카니즘은 비디오 전송 품질에 대한 프레임 손실 효과를 줄일 수 있다. 그래서, 본 발명은 도 1에 기술 된 바와 같이 AC [AC_VI] 큐가 채워지는 동안, 비디오 프레임의 중요도 정보에 따라 AC [AC_BE]과 AC [AC_BK]과 같은 더 낮은 우선 순위를 갖는 큐에 전송 대기중인 비디오 스트리밍 데이터를 배치하는 알고리즘을 제안한다.

제안하는 크로스 레이어 알고리즘의 기본 개념은 우선, 미리 표시된 슬라이스 우선 순위를 갖는 영상 정보를 응용 계층에서 네트워크 계층으로 전달하는 것이다. 차례로 네트워크 계층은 MAC 계층에게 우선 순위 정보를 전달한다. MAC 계층은 적절한 액세스 카테고리에 비디오 패킷을 매핑하기 위해 제안하는 알고리즘을 사용한다. 제안하는 기법에서, H.264 비디오 패킷은 영상 데이터의 중요도에 기초하여, 적절한 액세스 카테고리에 매핑된다. RED 접근법이 패킷 폐기를 방지하기 위한 큐 관리 메커니즘으로서 사용된다. WiMedia 표준의 PCA 기법과 제안한 알고리즘의 비교를 아래 표 1에 나타낸다.

Mapping Scheme	Video slice types	Access Categories
WiMedia PCA	I slice P slice B slice	AC[AC_VI] AC[AC_VI] AC[AC_VI]
Proposed Scheme	I slice P slice B slice	Depending on the Proposed algorithm

제안하는 기법에서 비디오 프레임은 비디오 중요도 정보에 따라 해당되는 액세스 카테고리에 매핑된다. 따라서, 우리는 아래로 비디오 관련 정보의 계층 간 전달을 할 수 있도록 Type of Service (TOS) 필드라 불리 우는 IP 패킷 헤더의 필드를 사용한다. 원래, 상기 패킷 헤더의 TOS 필드는 데이터 그램이 어떻게 전달되어야 하는지-예를 들어, 예를 들어 지연, 우선 순위, 신뢰성, 최소 비용, 처리량 등-를 정의한다. 본 발명에서, 비디오 프레임의 우선 순위는 TOS 필드에 미리 표시되며, QoS Library Redirection (QLR) 방법에 의해 네트워크 계층을 통과한다. QLR의 장점은 응용 프로그램이 투명하게 소스 코드의 수정없이 자신의 트래픽의 우선 순위를 미리 표시 할 수 있다는 것이다. 최대한 중요한 비디오 데이터를 WiMedia MAC 계층의 더 높은 우선 순위를 갖는 AC 큐에 할당하기 위해, 제안하는 알고리즘은 비디오 코딩의 중요도에 따라 서로 다른 비디오 프레임 유형들에게 서로 다른 매핑 확률을 부여하며, 이것을 Q_Pr라고 정의한다. 낮은 우선 순위 큐에 프레임을 할당하는 것을 피할 수 없다면, 중요도가 낮은 프레임들의 전송 할당 확률(Q_Pr)이 중요한 비디오 프레임들의 전송 확률보다 더 높게 된다. 덜 중요한 비디오 프레임 유형은 큰 Q_Pr이 할당 될 것이다. 큐의 혼잡을 피하기 위해, 제안하는 기법은 두 개 이상의 매개 변수, 즉 Th_L과 Th_H를 채택하였다. 본 발명에서는 현재의 큐 길이와 주어진 2개의 임계 값에 따라 Q_Pr 값이 상대적으로 조절되는 함수를 정의한다. 즉, 이 함수의 결과로서, 새로운 매핑 확률, Q_new가 얻어진다. 이 함수는 아래 식과 같다.

비디오 데이터 프레임이 MAC 계층에 도착했을 때의 제안하는 알고리즘의 유사 코드는 도 1과 같다.

그와 함께, 다른 난수 (RN)를 0과 1 사이의 균일한 분포로 생성하고 Q_new 값과 비교한다. Q_new의 값이 더 높은 경우, 그 패킷이 낮은 우선 순위 큐에 매핑 될 가능성이 더 많아진다. 이 방법은 우선 더 나은 전송 기회를 보장하고, 데이터의 폐기하는 비율을 줄일 수 있기 때문에 합리적이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 비디오 패킷이 도착하면, AC[AC_VI]의 큐 길이를 우선 확인하고, Th_L과 Th_H 값들과 비교한다. 큐 길이가 Th_L 값보다 더 작다면(비디오 트래픽 부하가 낮음을 의미), 비디오 데이터는 낮은 매핑 확률을 가질수 있음에도 불구하고, AC[AC_VI]에 할당된다.

하지만, AC[AC_VI]의 큐 길이가 Th_L과 Th_H 값들 사이일 경우, 비디오 데이터의 AC[AC_VI]큐로의 할당 여부는 위 수학식 1에 의해 결정된다. 따라서, 비디오 데이터 패킷은 계산된 매핑 확률에 따라, AC[AC_VI], AC[AC_BE], AC[AC_BK]중 하나의 큐에 매핑된다.

큐 길이가 Th_H 보다 클 경우(비디오 트래픽 부하가 매우 높음을 의미), 비디오 데이터는 기존의 PCA 방식과는 다르게 전송된다.

본 발명에서 제안하는 전송방식은 네트워크 내 디바이스들이 비콘 구간 내의 비콘 슬롯 중 하나를 자신의 비콘 슬롯으로 하면, 네트워크 내 디바이스들이 데이터 전송 구간의 PCA 구간에서 자신의 비콘 슬롯의 슬롯 번호에 따라 데이터 전송 순서를 결정하며, 이후 결정된 데이터 전송 순서에 따라 PCA 구간에서 데이터를 전송하게 된다. 슬롯 번호에 따라 데이터 전송 순서를 결정하고, 주변 디바이스들에게 알리기기 위해, 디바이스들은 자신의 데이터 전송에 관련된 각종 정보를 포함하는 필드들로 이루어진 정보 요소(Information Element)를 브로드케스팅 하며, 각각의 디바이스들은 네트워크 내의 다른 디바이스들의 정보 요소를 수신한 후, 정보 요소에 포함된 각종 필드의 정보와 비콘 슬롯의 슬롯 번호에 따라 PCA 구간에서의 데이터 전송 순서를 결정할 수 있다. 도 2는 제안하는 알고리즘에 적용되는 MTT(Multimedia Traffic Transmission) 정보 요소(Information Element)의 구조를 보여주고 있다.

도 2를 참조하면, 제안하는 정보 요소(Information Element)는, 복수의 필드(field)들로 이루어진다. 예를 들어, Element ID 필드는 정보 요소를 전송하는 디바이스에 대한 식별 정보를 기재하며, Length 필드는 전송하고자 하는 데이터가 있는 경우 그 데이터의 길이를 기재하는 필드이다. 또한, Destination Dev Addr. 필드는 전송하고자 하는 멀티미디어 데이터의 목적지 디바이스의 주소를 표시하는 필드이다. 또한, QL(Queue Length) 필드는 자신이 전송할 데이터가 존재하는지를 표시하기 위한 필드이다.

도 2에 표시된 정보 요소에서 디바이스들의 데이터 전송 순서를 결정하는데 사용되는 필드는 QL필드이다.

먼저, 데이터 전송 순서를 결정하기 위해 QL 필드를 고려한다. 예를 들어, 각 디바이스들은 자신이 전송할 멀티미디어 데이터가 쌓인 큐의 길이를 QL 필드 값으로 설정한다. 각 디바이스들은 네트워크 내 디바이스들로부터 수신한 정보 요소에서 QL 필드를 확인하고, 자신의 슬롯번호와 QL필드의 값, 그리고 다른 디바이스들의 QL 필드를 고려하여 자신의 데이터 전송 순서를 확인한다. 즉, QL 필드 값이 가장 긴 디바이스가 가장 먼저 멀티미디어 데이터를 전송하며, QL필드의 값이 동일한 디바이스가 존재할 경우, 비컨 슬롯번호가 작은 디바이스가 데이터를 먼저 전송하게 된다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (2)

1. 비디오 프레임의 기 설정된 중요도에 따라 채널 접근 우선순위를 설정하는 단계;
   상기 채널 접근 우선순위에 기초하여, 상기 비디오 프레임과 차등적인 우선순위를 갖는 큐(queue) 사이의 제1 매핑 확률을 부여하는 단계;
   전송 대기 중인 큐의 길이와, 기 설정된 상한 임계 값과 하한 임계 값에 기초하여 상기 제1 매핑 확률이 상대적으로 조절된 제2 매핑 확률을 연산하는 단계; 및
   상기 전송 대기 중인 큐의 길이와 상기 상함 임계 값 및 상기 하한 임계 값을 비교한 결과와 상기 제2 매핑 확률에 기초하여, 상기 비디오 프레임을 차등적인 우선순위를 갖는 큐에 동적으로 할당하는 단계
   를 포함하는 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 매핑 확률을 연산하는 단계는,
   아래 수식을 이용하는 이용하는 것을 특징으로 하는 UWB기반 선박 네트워크를 위한 효율적인 멀티미디어 전송방법.
   

   

   
   여기서, Q_new: 제2 매핑 확률, Q_pr: 제1 매핑 확률, qlen[AC]: 전송 대기 중인 큐의 길이, Th_L: 하한 임계 값, Th_H: 상한 임계 값을 의미한다.

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