KR20200075709A - Method for transporting multimedia using FEC - Google Patents

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KR20200075709A
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KR
South Korea
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fec
packet
dnn
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dnn model
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Application number
KR1020190032232A
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Korean (ko)
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이종만
김재우
박현
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한화시스템 주식회사
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Abstract

An ultra-narrowband multimedia transmission method using forward error correction (FEC) is provided. The ultra-narrowband multimedia transmission method of a surveillance and reconnaissance aircraft using FEC comprises the steps of allowing an electronic device to: collect or calculate network state information generated while transmitting and receiving video data; encode the video data based on a video encoding rate; input network status information into an optimal DNN model and dynamically and variably output FEC parameters to be applied during FEC encoding of the video data according to network status information; generate a packet by performing FEC encoding of the encoded video data using the variably output FEC parameters; and transmit the generated packet.

Description

FEC를 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법{Method for transporting multimedia using FEC} Method for transporting ultra-narrowband multimedia using FEC

본 발명은 FEC를 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 네트워크 상태와 비디오 인코딩을 고려하여 FEC 변수를 동적으로 가변하여 데이터를 전송할 수 있는 FEC를 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for transmitting ultra-narrowband multimedia using FEC, and more particularly, to a method for transmitting ultra-narrowband multimedia using FEC capable of dynamically varying FEC variables and transmitting data in consideration of network state and video encoding. will be.

최근 컴퓨터와 통신기술이 발달함에 따라 음성 및 영상 등의 멀티미디어 데이터를 네트워크를 통해 실시간적으로 전송할 수 있는 서비스에 대한 요구가 증가하고 있고, 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 멀티미디어 처리 기술과 전송 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2. Description of the Related Art With the recent development of computer and communication technologies, there is an increasing demand for services that can transmit multimedia data such as voice and video in real time over a network, and for multimedia processing technologies and transmission technologies that can satisfy these demands. Research is actively underway.

기존의 통신 서비스가 인터넷을 통한 FTP(File Transfer Protocol), Tenet, e-mail과 같은 텍스트 위주의 서비스였다면, 최근에는 유튜브, IPTV와 같은 멀티미디어 데이터의 실시간 전송을 요구하는 다양한 서비스들이 등장하였다. 특히, UHD(Ultra High Definition) 이상의 영상을 지원하는 기기들이 보편화 되면서, 고품질의 영상 송수신에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러나, 전송해야 할 전체 데이터가 크게 커진 만큼 스트리밍 서비스 간에 패킷 손실 및 비트 에러(bit error)의 가능성도 크게 증가하고 있다. If the existing communication service was a text-oriented service such as FTP (File Transfer Protocol), Tenet, or e-mail through the Internet, recently, various services requiring real-time transmission of multimedia data such as YouTube and IPTV have appeared. In particular, as devices that support UHD (Ultra High Definition) or higher images become common, the demand for high quality image transmission and reception is increasing. However, as the total data to be transmitted is greatly increased, the probability of packet loss and bit error between streaming services is also greatly increased.

이러한 문제점을 보완하기 위해 사용되는 대표적인 방법으로 응용계층에서의 전방오류정정(FEC: Forward Error Correction) 기술이 있으며, 최근까지 전방오류정정 기술을 기반으로 한 다양한 영상 스트리밍 기술들이 연구되고 있다. As a representative method used to compensate for this problem, there is a forward error correction (FEC) technology in the application layer, and various video streaming technologies based on the forward error correction technology have been studied until recently.

그러나, 기존의 FEC 매개변수 결정 알고리즘은 가변 데이터에 대해 고정된 방법(fixed method)으로, 적응적 송수신 데이터에 대한 FEC 매개변수를 결정하는 데에는 한계가 있다. 즉, 기존의 멀티미디어 전송 프로토콜의 가장 큰 단점은, 랩터 인코딩 매개변수를 결정하는 FEC 매개변수 결정 알고리즘을 사용하는 경우, 패킷의 크기 변경이 불가능하다는 것이다.However, the existing FEC parameter determination algorithm is a fixed method for variable data, and there is a limit in determining FEC parameters for adaptive transmission and reception data. That is, the biggest disadvantage of the existing multimedia transmission protocol is that, when using the FEC parameter determination algorithm for determining the raptor encoding parameter, it is impossible to change the packet size.

멀티미디어 전송 시 FEC 엔코더가 동일한 엔코딩 블록 크기를 사용한다고 가정하였을 때 패킷의 크기 변경이 불가능하면, 패킷 개수도 변경이 불가능하여 고정된다. 패킷 개수는 인코딩 블록의 코드율 뿐만 아니라 throughput에도 큰 영향을 주는 매개변수이므로, 통신 환경에 따라 FEC 매개변수를 적응적으로 조정할 수 있는 기술이 필요하다.Assuming that the FEC encoder uses the same encoding block size for multimedia transmission, if the packet size cannot be changed, the number of packets is also not changed and fixed. Since the number of packets is a parameter that greatly affects the throughput as well as the code rate of the encoding block, a technique capable of adaptively adjusting FEC parameters according to a communication environment is required.

국내 공개특허 제10-2018-0052651호(2018.05.18. 공개)Domestic published patent No. 10-2018-0052651 (published on May 18, 2018)

전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 심층 신경망 구조를 적용하여 인코딩 블록에서 패킷 크기를 동적으로 조정할 수 있는 FEC를 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법을 제시하는 데 있다.In order to solve the above-mentioned problems, a technical problem to be achieved by the present invention is to propose a super narrow-band multimedia transmission method using FEC capable of dynamically adjusting a packet size in an encoding block by applying a deep neural network structure.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 순방향 오류 정정(FEC: Forward Error Correction)을 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 장치는, 영상데이터를 송수신하는 동안 발생하는 네트워크 상태 정보를 제공하는 네트워크 정보 제공부; 상기 영상데이터를 비디오 인코딩률에 기반하여 인코딩하는 비디오 인코더; 상기 네트워크 정보 제공부로부터 제공되는 네트워크 상태 정보를 최적 DNN 모델에 입력하여 상기 영상데이터의 FEC 인코딩 시 적용할 FEC 매개변수들을 상기 네트워크 상태 정보에 따라 동적으로 가변 출력하는 FEC 변수 제어부; 상기 FEC 변수 제어부에서 가변 출력되는 FEC 매개변수들을 이용하여 상기 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩하여 패킷을 생성하는 FEC 인코딩 및 패킷 생성부; 및 상기 생성된 패킷을 무선으로 전송하는 통신 인터페이스부;를 포함한다.As a means for solving the above-described technical problem, according to an embodiment of the present invention, the ultra-narrowband multimedia transmission apparatus using Forward Error Correction (FEC) receives network state information generated during transmission and reception of image data. Network information providing unit to provide; A video encoder for encoding the video data based on a video encoding rate; An FEC variable controller for dynamically outputting FEC parameters to be applied when encoding FEC of the image data by dynamically inputting network state information provided from the network information providing unit into an optimal DNN model according to the network state information; An FEC encoding and packet generation unit that generates a packet by FEC encoding the encoded video data using FEC parameters that are variablely output from the FEC variable control unit; And a communication interface unit that wirelessly transmits the generated packet.

상기 네트워크 상태 정보는, 패킷 손실률(PLR: Packet Loss Rate) 및 데이터 레이트(Data Rate)를 포함하고, 상기 FEC 매개변수들은, 심볼 크기(s, symbol size), 심볼 개수(k, symbol number) 및 패킷 크기(p, packet size)를 포함하고, 상기 FEC 변수 제어부는, 상기 패킷 손실률 및 데이터 레이트에 따라 동적으로 패킷 크기를 산출하고, 상기 FEC 인코딩 및 패킷 생성부는, 상기 FEC 변수 제어부에서 동적으로 산출된 패킷 크기에 기반하여 상기 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩한 후 패킷을 생성한다.The network status information includes a packet loss rate (PLR) and a data rate, and the FEC parameters include symbol size (s, symbol size), symbol number (k, symbol number), and It includes a packet size (p, packet size), and the FEC variable control unit dynamically calculates a packet size according to the packet loss rate and data rate, and the FEC encoding and packet generation unit dynamically calculates the FEC variable control unit. A packet is generated after FEC encoding the encoded video data based on the packet size.

상기 비디오 인코더는, 상기 인코딩 시 적용된 비디오 인코딩률 정보를 상기 FEC 변수 제어부로 제공하고, 상기 FEC 변수 제어부는, 상기 비디오 인코더로부터 입력되는 상기 비디오 인코딩률 정보를 상기 네트워크 상태 정보와 함께 상기 최적 DNN 모델로 입력하여 상기 FEC 매개변수들을 동적으로 가변 출력한다.The video encoder provides video encoding rate information applied during encoding to the FEC variable controller, and the FEC variable controller includes the video encoding rate information input from the video encoder together with the network state information and the optimal DNN model. Enter to dynamically output the FEC parameters.

상기 최적 DNN 모델은, DNN 모델 선택 장치에 의해 선택되며, 상기 DNN 모델 선택 장치는, 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 이용하여 산출되는, 상기 네트워크 상태 정보를 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 최대 throughput이 가능한 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)의 조합을 (심볼 크기, 심볼 개수, 패킷 크기)로 이루어진 실제값으로서 저장하는 실제값 저장부; DNN 학습에 사용되는 계층 개수 및 각 계층에 대한 뉴런의 개수 중 적어도 하나가 다른 m개의 상이한 DNN 모델들을 생성하는 DNN 모델 생성부; 상기 m개의 DNN 모델들 별로 상기 네트워크 상태 정보를 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 입력하여, 상기 m개의 DNN 모델들마다 n개의 (심볼 크기', 심볼 개수', 패킷 크기')로 이루어진 예측값을 산출하는 예측값 산출부; 및 상기 m개의 DNN 모델들 별로 상기 예측값과 상기 실제값을 비교하여 상기 최적 DNN 모델을 선택하는 DNN 모델 선택부;를 포함한다.The optimal DNN model is selected by the DNN model selection device, and the DNN model selection device is a symbol capable of maximum throughput while varying the network state information, which is calculated using a multimedia transmission protocol algorithm, within a set test range, respectively. An actual value storage unit for storing a combination of the size (s), the number of symbols (k), and the packet size (p) as an actual value (symbol size, number of symbols, packet size); A DNN model generation unit generating m different DNN models in which at least one of the number of layers used for DNN learning and the number of neurons for each layer is different; For each of the m DNN models, the network state information is input while varying within a set test range to calculate a predicted value consisting of n (symbol size, symbol count, and packet size) for each of the m DNN models. A predicted value calculating unit; And a DNN model selector for selecting the optimal DNN model by comparing the predicted value and the actual value for each of the m DNN models.

상기 DNN 모델 선택부는, MSE(Mean Square Error) 방식을 이용하여 상기 심볼 크기에 대한 MSE값, 상기 심볼 개수에 대한 MSE값 및 상기 패킷 크기에 대한 MSE값을 산출하고, 상기 산출된 MSE값들을 더한 결과가 가장 작은 DNN 모델을 상기 최적 DNN 모델로서 선택한다.The DNN model selector calculates an MSE value for the symbol size, an MSE value for the number of symbols, and an MSE value for the packet size using a Mean Square Error (MSE) method, and adds the calculated MSE values. The DNN model with the smallest result is selected as the optimal DNN model.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 순방향 오류 정정(FEC: Forward Error Correction)을 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법은, (A) 전자장치가, 영상데이터를 송수신하는 동안 발생하는 네트워크 상태 정보를 수집 또는 산출하는 단계; (B) 상기 전자장치가, 상기 영상데이터를 비디오 인코딩률에 기반하여 인코딩하는 단계; (C) 상기 전자장치가, 상기 (A) 단계에서 제공되는 네트워크 상태 정보를 최적 DNN 모델에 입력하여 상기 영상데이터의 FEC 인코딩 시 적용할 FEC 매개변수들을 상기 네트워크 상태 정보에 따라 동적으로 가변 출력하는 단계; (D) 상기 전자장치가, 상기 (C) 단계에서 가변 출력되는 FEC 매개변수들을 이용하여 상기 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩하여 패킷을 생성하는 단계; 및 (E) 상기 전자장치가, 상기 (D) 단계에서 생성된 패킷을 전송하는 단계;를 포함한다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, the ultra-narrowband multimedia transmission method using Forward Error Correction (FEC), (A) the electronic device collects network state information that occurs while transmitting and receiving video data Or calculating; (B) the electronic device encoding the video data based on a video encoding rate; (C) the electronic device dynamically inputs the network state information provided in step (A) into an optimal DNN model and dynamically outputs FEC parameters to be applied when FEC encoding the video data according to the network state information. step; (D) generating, by the electronic device, a packet by FEC encoding the encoded video data using FEC parameters that are variablely output in the step (C); And (E) the electronic device transmitting the packet generated in step (D).

상기 네트워크 상태 정보는, 패킷 손실률(PLR: Packet Loss Rate) 및 데이터 레이트(Data Rate)를 포함하고, 상기 FEC 매개변수들은, 심볼 크기(s, symbol size), 심볼 개수(k, symbol number) 및 패킷 크기(p, packet size)를 포함하고, 상기 (C) 단계는, 상기 전자장치가, 상기 패킷 손실률, 데이터 레이트에 따라 동적으로 패킷 크기를 산출하고, 상기 (D) 단계는, 상기 전자장치가, 상기 (C) 단계에서 동적으로 산출된 패킷 크기에 기반하여 상기 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩한 후 패킷을 생성한다.The network status information includes a packet loss rate (PLR) and a data rate, and the FEC parameters include symbol size (s, symbol size), symbol number (k, symbol number), and It includes a packet size (p, packet size), in step (C), the electronic device calculates a packet size dynamically according to the packet loss rate and data rate, and in step (D), the electronic device A. After FEC encoding the encoded video data based on the packet size dynamically calculated in step (C), a packet is generated.

상기 (B) 단계에서, 상기 전자장치는, 상기 인코딩 시 적용된 비디오 인코딩률 정보를 제공하고, 상기 (C) 단계에서, 상기 전자장치는, 상기 (B) 단계로부터 입력되는 상기 비디오 인코딩률 정보를 상기 네트워크 상태 정보와 함께 상기 최적 DNN 모델로 입력하여 상기 FEC 매개변수들을 상기 네트워크 상태 정보와 상기 비디오 인코딩률 정보에 따라 가변 출력한다.In step (B), the electronic device provides video encoding rate information applied during the encoding, and in step (C), the electronic device receives the video encoding rate information input from step (B). The FEC parameters are inputted to the optimal DNN model together with the network status information, and the FEC parameters are variably output according to the network status information and the video encoding rate information.

상기 (A) 단계 이전에, (F) DNN 모델 선택 장치가, 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 이용하여 상기 네트워크 상태 정보 및 상기 비디오 인코딩률을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 산출된, 최대 throughput이 가능한 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)의 조합을 (심볼 크기, 심볼 개수, 패킷 크기)로 이루어진 실제값으로서 저장하는 단계; (G) 상기 DNN 모델 선택 장치가, DNN 학습에 사용되는 계층 개수 및 각 계층에 대한 뉴론의 개수 중 적어도 하나가 다른 m개의 상이한 DNN 모델들을 생성하는 단계; (H) 상기 DNN 모델 선택 장치가, 상기 m개의 DNN 모델들 별로 상기 네트워크 상태 정보 및 상기 비디오 인코딩률을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 입력하여, 상기 m개의 DNN 모델들마다 n개의 (심볼 크기', 심볼 개수', 패킷 크기')로 이루어진 예측값을 산출하는 단계; 및 (I) 상기 DNN 모델 선택 장치가, 상기 m개의 DNN 모델들 별로 상기 예측값과 상기 실제값을 비교하여 상기 최적 DNN 모델을 선택하는 단계;를 포함한다.Prior to the step (A), the (F) DNN model selection device is calculated while varying the network state information and the video encoding rate within a set test range using a multimedia transmission protocol algorithm, a symbol capable of maximum throughput Storing a combination of the size (s), the number of symbols (k) and the packet size (p) as an actual value consisting of (symbol size, number of symbols, packet size); (G) generating, by the DNN model selection apparatus, m different DNN models in which at least one of the number of layers used for DNN learning and the number of neurons for each layer is different; (H) The DNN model selection device inputs the network state information and the video encoding rate for each of the m DNN models while varying within a set test range, and then generates n (symbol sizes) for each of the m DNN models. Calculating a prediction value consisting of', the number of symbols' and the packet size'); And (I) the DNN model selection device selecting the optimal DNN model by comparing the predicted value and the actual value for each of the m DNN models.

본 발명에 따르면, FEC 매개변수 결정 시 심층 신경망 구조를 적용하여 인코딩 블록에서 패킷 크기를 동적으로 변화함으로써 PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)의 최적화 및 전송 효율을 최대화할 수 있다. According to the present invention, when a FEC parameter is determined, a deep neural network structure is applied to dynamically change the packet size in an encoding block, thereby optimizing peak signal to noise ratio (PSNR) and maximizing transmission efficiency.

또한, 본 발명에 따르면, OSI 계층 중 네트워크 계층에 해당하는 네트워크 상태 정보와 어플리케이션 계층에 해당하는 비디오 인코딩률 정보를 입력받아 DNN 학습을 수행하며, 이로써, 네트워크 상태 정보와 비디오 인코딩률에 따라 동적으로 가변하는 심볼 크기, 심볼 개수 및 패킷 크기를 출력함으로써, 데이터 전송 시 사용하는 패킷 크기를 네트워크와 어플리케이션의 상태에 따라 적응적으로 조정할 수 있다.In addition, according to the present invention, DNN learning is performed by receiving network state information corresponding to a network layer and video encoding rate information corresponding to an application layer among OSI layers, and thus dynamically according to network state information and video encoding rates. By outputting the variable symbol size, number of symbols, and packet size, the packet size used for data transmission can be adaptively adjusted according to the state of the network and application.

또한, 본 발명에 따르면, 최초로 영상품질 및 영상전송효율 최적화를 수행하기 위해 예를 들어, (32-32-16-16) DNN 구조를 사용할 수 있으며, 이로써, PLR(Packet Loss Rate)과 DR(Data Rate), Video Encoding Rate에 따라 적절한 패킷 크기를 선택하여 throughput을 개선할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 동일한 네트워크 환경기준으로 PSNR이 유사한 수준에서 더 많은 영상데이터를 보낼 수 있으며, 이는 제한된 네트워크 자원 또는 혼잡한 트래픽 환경에서 영상전송효율을 개선할 수 있다.In addition, according to the present invention, for example, the (32-32-16-16) DNN structure may be used, for example, to optimize image quality and image transmission efficiency for the first time, and thus, packet loss rate (PRL) and DR ( Data Rate) and Video Encoding Rate to improve the throughput by selecting the appropriate packet size. That is, according to the present invention, PSNR can send more video data at a similar level based on the same network environment, which can improve video transmission efficiency in limited network resources or congested traffic environments.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초협대역 멀티미디어 전송 장치(100)를 도시한 블록도,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 DNN 모델 선택 장치를 도시한 도면,
도 3은 DNN 모델 선택부에 의해 선택된 최적 DNN 모델, 즉, 5개의 완전 연결 신경망 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 순방향 오류 정정을 이용한 초협대역 영상데이터 전송 방법을 설명하기 위한 흐름도, 그리고,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 DNN 모델 선택 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
1 is a block diagram showing an ultra-narrowband multimedia transmission apparatus 100 according to an embodiment of the present invention,
2 is a diagram illustrating an apparatus for selecting a DNN model according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram showing an optimal DNN model selected by the DNN model selector, that is, five fully connected neural network structures,
4 is a flowchart illustrating a method for transmitting ultra-narrowband image data using forward error correction according to an embodiment of the present invention, and
5 is a flowchart illustrating a DNN model selection method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.Prior to explaining the details for the practice of the present invention, terms or words used in the specification and claims can be properly defined by the inventor in order to describe his or her invention in the best way. Based on the principle that it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical details of the present invention.

또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.In addition, it should be noted that when it is determined that the detailed description of the known functions and configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description is omitted.

이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a specific technical content to be carried out in the present invention will be described in detail.

도 1 및 도 2에 도시된 장치들(100, 200)의 각각의 구성은 기능 및 논리적으로 분리될 수 있음을 나타내는 것이며, 반드시 각각의 구성이 별도의 물리적 장치로 구분되거나 별도의 코드로 생성됨을 의미하는 것은 아님을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다. Each configuration of the devices 100 and 200 shown in FIGS. 1 and 2 indicates that they can be functionally and logically separated, and that each configuration is divided into separate physical devices or generated by a separate code. It is not meant that the average expert in the technical field of the present invention can easily infer.

상기 장치들(100, 200)은 소정의 데이터 프로세싱 장치에 설치되어 본 발명의 기술적 사상을 구현할 수 있다.The devices 100 and 200 may be installed in a predetermined data processing device to implement the technical idea of the present invention.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 장치들(100, 200)은 마이크로 프로세서, 메모리, FPGA(Field Programmable Gate Array), ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 프로그램의 설치 및 실행이 가능한 전자 장치를 사용하여 구현될 수 있다.In addition, the devices 100 and 200 according to an embodiment of the present invention use an electronic device capable of installing and executing programs such as a microprocessor, memory, field programmable gate array (FPGA), and application specific integrated circuit (ASIC). Can be implemented.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초협대역 멀티미디어 전송 장치(100)를 도시한 블록도이다.1 is a block diagram illustrating an ultra-narrowband multimedia transmission apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 장치(100)는 관제 센터 또는 관제 센터와 무선통신하는 감시정찰기, 감시용 비행체 등 영상을 포함하는 멀티미디어 데이터를 송수신할 수 있는 군장비시설에 설치될 수 있다.The apparatus 100 shown in FIG. 1 may be installed in a military equipment facility capable of transmitting and receiving multimedia data including a video, such as a surveillance reconnaissance aircraft and a surveillance vehicle in wireless communication with a control center or a control center.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초협대역 멀티미디어 전송 장치(100)는 네트워크 정보 제공부(110), 비디오 인코더(120), FEC 변수 제어부(130), FEC 인코딩 및 패킷 생성부(140) 및 통신 인터페이스부(150)를 포함한다.Referring to Figure 1, the ultra-narrowband multimedia transmission apparatus 100 according to an embodiment of the present invention is a network information providing unit 110, video encoder 120, FEC variable control unit 130, FEC encoding and packet generation unit ( 140) and a communication interface unit 150.

네트워크 정보 제공부(110)는 영상데이터를 송수신하는 동안 발생하는 네트워크 상태 정보를 취합 또는 산출하여 FEC 변수 제어부(130)에게 제공한다. 네트워크 상태 정보는, 패킷 손실률(PLR: Packet Loss Rate), 데이터 레이트(DR: Data Rate), 지연(Relay), 대역폭 등 네트워크 통신과 관련된 다수의 정보를 포함할 수 있다. 이러한 네트워크 상태 정보를 획득하는 방식은 주지된 다양한 기술들 중 하나를 사용할 수 있다.The network information providing unit 110 collects or calculates network state information generated during transmission and reception of image data and provides it to the FEC variable control unit 130. The network status information may include a plurality of information related to network communication, such as a packet loss rate (PLR), a data rate (DR), a delay, and a bandwidth. The method of obtaining the network status information may use one of various well-known technologies.

비디오 인코더(120)는 전송할 영상데이터를 비디오 인코딩률에 기반하여 인코딩한다. 또한, 비디오 인코더(120)는 영상데이터의 인코딩에 사용한 비디오 인코딩률(VER: Video Encoding Rate)을 FEC 변수 제어부(130)에게 제공한다.The video encoder 120 encodes video data to be transmitted based on a video encoding rate. In addition, the video encoder 120 provides a video encoding rate (VER) used for encoding of image data to the FEC variable control unit 130.

FEC 변수 제어부(130)는 네트워크 정보 제공부(110)로부터 제공되는 네트워크 상태 정보와 비디오 인코딩률(VER)을 최적 DNN 모델에 입력하여 영상데이터의 FEC 인코딩 시 적용할 FEC 매개변수들을 네트워크 상태 정보에 따라 동적으로 가변 출력할 수 있다. The FEC variable control unit 130 inputs the network status information and the video encoding rate (VER) provided from the network information providing unit 110 into the optimal DNN model, and applies FEC parameters to be applied when FEC encoding of image data to the network status information. Therefore, it can be output dynamically variable.

FEC 변수 제어부(130)는 다수의 네트워크 상태 정보 중 패킷 손실률(PLR)과 데이터 레이트(DR)를 최적 DNN 모델의 입력으로 사용할 수 있으며, 이는 일 예로서 변경가능함은 물론이다. The FEC variable control unit 130 may use a packet loss rate (PLR) and a data rate (DR) among a plurality of network state information as inputs of an optimal DNN model, which is, of course, changeable.

또한, FEC 변수 제어부(130)에 의해 동적으로 가변되는 FEC 매개변수들은 랩터 인코딩 블록의 심볼 크기(s, symbol size), 심볼 개수(k, symbol number) 및 패킷 크기(p, packet size)를 포함한다. 심볼 크기, 심볼 개수 및 패킷 크기는 최적의 영상 품질 및 전송 효율에 영향을 미치는 변수들 중 하나이다. In addition, the FEC parameters dynamically changed by the FEC variable control unit 130 include a symbol size (s, symbol size), a symbol number (k, symbol number), and a packet size (p, packet size) of the raptor encoding block. do. The symbol size, the number of symbols, and the packet size are one of the variables affecting optimal image quality and transmission efficiency.

FEC 변수 제어부(130)에서 사용하는 최적 DNN 모델은 도 2를 참조하여 후술할 DNN 모델 선택 장치(200)에 의해 학습 및 선택된 모델이다.The optimal DNN model used by the FEC variable control unit 130 is a model learned and selected by the DNN model selection device 200 to be described later with reference to FIG. 2.

FEC 인코딩 및 패킷 생성부(140)는 FEC 변수 제어부(130)에서 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR) 및 비디오 인코딩률(VER)에 따라 동적으로 가변 출력되는 FEC 매개변수들을 이용하여, 비디오 인코더(120)에서 인코딩된 비디오 데이터를 FEC 인코딩하고 FEC 매개변수들에 포함된 패킷 크기에 따라 패킷을 생성할 수 있다. 즉, FEC 인코딩 및 패킷 생성부(140)는 FEC 변수 제어부(130)에서 동적으로 산출된 패킷 크기에 기반하여, 인코딩된 비디오 데이터를 FEC 인코딩한 후 패킷을 생성한다.The FEC encoding and packet generation unit 140 uses the FEC parameters that are dynamically variable and output according to the packet loss rate (PLR), data rate (DR), and video encoding rate (VER) in the FEC variable control unit 130 to perform video. The encoder 120 may FEC-encode the encoded video data and generate a packet according to the packet size included in the FEC parameters. That is, the FEC encoding and packet generator 140 generates a packet after FEC encoding the encoded video data based on the packet size dynamically calculated by the FEC variable controller 130.

통신 인터페이스부(150)는 FEC 인코딩 및 패킷 생성부(140)에서 생성된 패킷을 무선으로 타겟에게 전송하고, 전송과 관련된 통신 결과를 네트워크 정보 제공부(110)에게 제공한다. The communication interface unit 150 wirelessly transmits the packet generated by the FEC encoding and packet generation unit 140 to the target, and provides the communication result related to the transmission to the network information providing unit 110.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 DNN 모델 선택 장치(200)를 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a DNN model selection device 200 according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 DNN 모델 선택 장치(200)는 관제 센터의 서버에 구비되거나 별도의 컴퓨터 장치로 구현되어 DNN 모델을 학습 및 선택할 수 있으며, 선택된 최적의 DNN 모델을 영상데이터 전송 장치(100)에 설치 및 실행가능하도록 설계할 수 있다. DNN 모델 선택 장치(200)는 AL-FEC(Application Layer FER) 파라미터 결정을 위한 최적의 DNN 모델을 선택할 수 있다.The DNN model selection device 200 shown in FIG. 2 may be provided in a server of the control center or implemented as a separate computer device to learn and select the DNN model, and the selected optimal DNN model to the image data transmission device 100 It can be designed to be installable and executable. The DNN model selection device 200 may select an optimal DNN model for AL-FEC (Application Layer FER) parameter determination.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 DNN 모델 선택 장치(200)는 실제값 저장부(210), DNN 모델 생성부(220), 예측값 산출부(230) 및 DNN 모델 선택부(240)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the DNN model selection device 200 according to an embodiment of the present invention includes an actual value storage unit 210, a DNN model generation unit 220, a predicted value calculation unit 230, and a DNN model selection unit 240 ).

실제값 저장부(210)는 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 이용하여 산출된, 네트워크 상태 정보와 비디오 인코딩률(VER)을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 최대 throughput이 가능한 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)의 조합을 (심볼 크기, 심볼 개수, 패킷 크기)(이하, (s, k, p)라 한다)로 이루어진 실제값으로서 저장할 수 있다. The actual value storage unit 210 varies the network state information and the video encoding rate (VER) calculated using a multimedia transmission protocol algorithm within a set test range, and the maximum throughput enables symbol size (s) and number of symbols ( The combination of k) and packet size p can be stored as an actual value consisting of (symbol size, number of symbols, packet size) (hereinafter referred to as (s, k, p)).

실제값 저장부(210)에 네트워크 상태 정보와 비디오 인코딩률에 따라 저장된 (s, k, p) 조합, 즉, 다수의 실제값들은 DNN 구조의 최적 모델 파라미터를 찾기 위한 DNN 학습 샘플로 사용될 수 있다. DNN 학습 샘플로 사용되기 위한 실제값들은 PC와 같은 별도의 전자장치(미도시) 또는 DNN 모델 선택 장치(200)가 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 실행하여 추출할 수 있다. 이하에서는 전자장치(미도시)가 추출하는 경우를 예로 들어 설명한다.A combination of (s, k, p) stored according to the network state information and the video encoding rate in the actual value storage unit 210, that is, a plurality of actual values may be used as a DNN training sample for finding an optimal model parameter of the DNN structure . Actual values for use as a DNN training sample may be extracted by a separate electronic device (not shown) such as a PC or the DNN model selection device 200 by executing a multimedia transmission protocol algorithm. Hereinafter, a case where the electronic device (not shown) extracts will be described as an example.

먼저, 전자장치(미도시)는 샘플을 추출하기 위해 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR) 및 비디오 인코딩률(VER)을 각각 정해진 단위(Unit Step)로 변경하면서 최대 throughput이 가능한 (s, k, p) 조합을 추출한다. 샘플 추출 시 적용한 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR) 및 비디오 인코딩률(VER)의 범위는 [표 1]과 같다.First, in order to extract a sample, an electronic device (not shown) can change the packet loss rate (PLR), data rate (DR), and video encoding rate (VER) in units of a predetermined unit (Unit Step). k, p) extract the combination. Table 1 shows the ranges of the packet loss rate (PLR), data rate (DR), and video encoding rate (VER) applied during sample extraction.

DatabaseDatabase Test rangeTest range Unit stepUnit step Packet Loss Rate(PLR)Packet Loss Rate (PLR) 0.001%~0.04%0.001%~0.04% 0.001% or 0.002%0.001% or 0.002% Data Rate(DR)Data Rate (DR) 0.1Mbps ~ 1Mbps0.1Mbps ~ 1Mbps 0.05Mbps0.05Mbps Video Encoding Rate(VER)Video Encoding Rate (VER) 0.1Mbps ~ 1Mbps0.1Mbps ~ 1Mbps 0.1Mbps0.1Mbps

[표 1]에서 보여지는 테스트 범위(Test Range)와 변경 단위(Unit Step)는 DNN 모델을 학습하고 최적의 DNN을 선택하기 위해 사용하는 일 예로서, 이에 한정되지 않고 변경가능함은 물론이다.The test range and the unit step shown in [Table 1] are examples used to train the DNN model and select the optimal DNN, but are not limited thereto, and can be changed.

샘플 추출에 사용되는 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘은 멀티미디어 전송 프로토콜에서 FEC 매개변수를 결정하기 위한 기존 알고리즘으로서, 간단히 설명하면 다음과 같다.The multimedia transmission protocol algorithm used for sample extraction is an existing algorithm for determining FEC parameters in the multimedia transmission protocol.

먼저, 전자장치(미도시)는 최적의 영상품질 및 전송효율을 위한 랩터 인코딩 블록의 심볼 크기(s), 심볼 개수(k), 그리고, 코드율(c) 등의 문제 정의를 수행한다. First, an electronic device (not shown) defines problems such as symbol size (s), number of symbols (k), and code rate (c) of a raptor encoding block for optimal image quality and transmission efficiency.

그리고, 전자장치(미도시)는 위에서 정의한 문제의 해를 찾기 위해 전역 탐색 기반의 알고리즘을 사용한다. 즉, 알고리즘에서는 사용 가능한 (s,k)의 조합을 생성하고, 이 조합 내에서 throughput을 최대화하는 s, k 그리고 c를 탐색한다. 유한한 개수의 사용 가능한 (s, k) 조합을 제공하며, c는 주어진 (s, k) 조합과 네트워크 상태, 즉, 패킷 손실률(PLR)에 따라 결정 가능한 값이다. And, the electronic device (not shown) uses a global search-based algorithm to find the solution of the problem defined above. That is, the algorithm generates usable combinations of (s,k) and searches for s, k and c to maximize throughput within the combination. It provides a finite number of available (s, k) combinations, and c is a value that can be determined according to a given (s, k) combination and network condition, i.e., packet loss rate (PLR).

매개 변수 결정 알고리즘은 아래와 같다.The parameter determination algorithm is as follows.

첫째, 전자장치(미도시)는 매개 변수 후보가 저장되는 집합을 초기화하고, 사용 가능한 모든 (s, k)의 조합을 생성한다.First, the electronic device (not shown) initializes a set in which parameter candidates are stored, and generates all available combinations of (s, k).

둘째, 전자장치(미도시)는 생성된 (s, k) 조합 중 하나를 선택하고, 선택된 (s, k) 기준으로 랩터 인코딩 블록에 해당되는 패킷의 개수 및 랩터 디코딩에 필요한 최소한의 패킷 개수, 패킷 손실률(PLR)을 고려하여 코드율(c)를 결정한다.Second, the electronic device (not shown) selects one of the generated (s, k) combinations, and based on the selected (s, k), the number of packets corresponding to the raptor encoding block and the minimum number of packets required for raptor decoding, The code rate (c) is determined in consideration of the packet loss rate (PLR).

셋째, 전자장치(미도시)는 선택된 (s, k) 조합에 대해 수신단 버퍼 언더플로우를 방지할 수 있는지 계산한다.Third, the electronic device (not shown) calculates whether or not a buffer underflow of the receiving end can be prevented for the selected (s, k) combination.

넷째, 전자장치(미도시)는 위에서 결정된 (s, k) 조합과 c, 그리고, 고정된 패킷 크기(p)로 응용계층의 throughput을 계산한다. 즉, 전자장치(미도시)는 심볼 크기(s)와 심볼 개수(k)의 조합으로 최대의 랩터 인코딩 블록크기를 찾는다.Fourth, the electronic device (not shown) calculates the throughput of the application layer with the combination of (s, k) and c determined above, and a fixed packet size (p). That is, the electronic device (not shown) finds the maximum raptor encoding block size by combining the symbol size (s) and the number of symbols (k).

다섯째, 전자장치(미도시)는 (s, k) 조합에 대해 위 과정을 수행하였다면 Mcnd에 있는 매개변수 후보를 위 문제의 해로 반환한다. 만약 아직 탐색하지 않은 (s, k) 조합이 있다면 상술한 동작을 반복한다.Fifth, the electronic device (not shown) returns the parameter candidate in M cnd as the solution to the above problem if the above process is performed on the (s, k) combination. If there is a combination (s, k) that has not been searched yet, the above operation is repeated.

전자장치(미도시)는 상술한 동작을 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR) 및 비디오 인코딩률(VER)을 각각 정해진 단위(Unit Step)로 변경하면서, 변경된 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR) 및 비디오 인코딩률(VER)에 대해 최대 throughput이 가능한 (s, k, p) 조합을 추출한다.An electronic device (not shown) changes the packet loss rate (PLR), data rate (DR), and data encoding rate (VER) in the above-described operation to a predetermined unit (Unit Step), while changing the packet loss rate (PLR) and data rate A combination of (s, k, p) capable of maximum throughput for (DR) and video encoding rate (VER) is extracted.

예를 들어, 먼저, 전자장치(미도시)는 (PLR, DR, VER)=(0.1, 0.1, 0.0001)인 경우 최대 throughput이 가능한 (s, k, p) 조합을 추출하고, 다음으로 (PLR, DR, VER)=(0.1, 0.1, 0.0002)인 경우 최대 throughput이 가능한 (s, k, p) 조합을 추출하고, 이러한 방식에 의해 마지막으로 (PLR, DR, VER)=(1, 1, 0.04)인 경우 최대 throughput이 가능한 (s, k, p) 조합을 추출한다. For example, first, the electronic device (not shown) extracts a combination of (s, k, p) capable of maximum throughput when (PLR, DR, VER)=(0.1, 0.1, 0.0001), and then (PLR , DR, VER) = (0.1, 0.1, 0.0002), extracts a combination of (s, k, p) capable of maximum throughput, and finally (PLR, DR, VER) = (1, 1, by this method) 0.04), extracts (s, k, p) combinations capable of maximum throughput.

상술한 동작에 의해 추출되는 실제값들은 실제값 저장부(210)에 저장된다.The actual values extracted by the above-described operation are stored in the actual value storage unit 210.

DNN 모델 생성부(220)는 DNN 학습에 사용되는(즉, DNN 구조의) 계층 개수 및 각 계층에 대한 뉴론의 개수 중 적어도 하나가 다른 m개의 상이한 DNN 모델들을 생성한다. 최적의 모델 파라미터를 찾기 위해, 즉, 최적 DNN 모델을 선택하기 위해, DNN 모델 생성부(220)는 3개, 5개, 그리고 7개의 계층 개수와, 64개, 32개, 16개, 8개 및 4개의 각 계층에 대한 뉴론의 개수를 이용하여 DNN 모델을 생성할 수 있으며, 이 때 사용된 계층 개수와 뉴론의 개수는 일 예로서 이에 한정되지 않는다.The DNN model generation unit 220 generates m different DNN models in which at least one of the number of layers used for DNN learning (that is, of the DNN structure) and the number of neurons for each layer is different. In order to find the optimal model parameters, that is, to select the optimal DNN model, the DNN model generation unit 220 has 3, 5, and 7 hierarchies, 64, 32, 16, and 8 And it is possible to create a DNN model using the number of neurons for each of the four layers, and the number of layers and the number of neurons used at this time is not limited to this.

일반적인 DNN 구조는 하위 계층에서 상위 계층으로 갈수록 차원이 축소(dimensionality reduction)된다. 따라서, DNN 모델 생성부(220)는 계층이 상위로 갈수록 뉴론의 개수가 감소하는 형태로 모델을 구성할 수 있다.In the general DNN structure, the dimensionality is reduced from the lower layer to the upper layer. Accordingly, the DNN model generation unit 220 may configure the model in a form in which the number of neurons decreases as the hierarchy goes higher.

예측값 산출부(230)는 DNN 모델 생성부(220)에서 생성된 m개의 DNN 모델들 별로 네트워크 상태 정보(PLR, DR)와 비디오 인코딩률(VER)을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 입력하여, m개의 DNN 모델들마다 (심볼 크기', 심볼 개수', 패킷 크기')(이하, (s', k', p')라 한다)로 이루어진 n개의 예측값들을 산출할 수 있다.The predicted value calculating unit 230 inputs the network state information (PLR, DR) and video encoding rate (VER) for each of the m DNN models generated by the DNN model generator 220 while varying within a set test range, For each of the m DNN models, n prediction values consisting of (symbol size, symbol count, and packet size) (hereinafter referred to as (s', k', p')) may be calculated.

예측값 산출부(230)가 예측값들을 산출하기 위해 사용하는 네트워크 상태 정보(PLR, DR)와 비디오 인코딩률(VER)의 테스트 범위와 변경 단위는 전자장치(미도시)가 실제값들 추출시 사용한 값과 동일하다.The test range and change unit of the network state information (PLR, DR) and video encoding rate (VER) used by the predicted value calculator 230 to calculate the predicted values are values used by the electronic device (not shown) when extracting actual values. Is the same as

DNN 구조의 최적 모델 파라미터를 찾기 위해 전자장치(미도시)에서 추출된 다수의 샘플들(즉, 실제값들)이 실제값 저장부(210)에 저장되고, 예측값 산출부(230)에서 각 DNN 모델 별로 예측값들이 산출되면, DNN 모델 선택부(240)는 m개의 DNN 모델들 별로 산출된 예측값과 저장된 실제값을 비교하여 오차가 가장 적은 최적 DNN 모델을 선택할 수 있다. In order to find the optimal model parameter of the DNN structure, a plurality of samples (ie, actual values) extracted from an electronic device (not shown) are stored in the actual value storage unit 210 and each DNN is calculated by the predicted value calculation unit 230. When prediction values are calculated for each model, the DNN model selector 240 may compare the predicted values calculated for each m DNN models and the stored actual values to select the optimal DNN model with the least error.

DNN 모델 선택부(240)는 평균 자승 오차(MSE: Mean Square Error) 방식을 이용하여 심볼 크기(s)에 대한 MSE값, 심볼 개수(k)에 대한 MSE값 및 패킷 크기(p)에 대한 MSE값을 산출하고, 산출된 MSE값들을 더한 결과가 가장 작은 DNN 모델을 최적 DNN 모델로서 선택할 수 있다.The DNN model selector 240 uses the Mean Square Error (MSE) method to measure the MSE value for the symbol size (s), the MSE value for the number of symbols (k), and the MSE for the packet size (p). The DNN model having the smallest result after adding the calculated MSE values can be selected as an optimal DNN model.

예를 들어, 예측값 산출부(230)는 실험을 위해 제안 DNN 구조를 Matlab기반 딥러닝 라이브러리인 MatConvNet에 구현한다. DNN 모델 선택부(240)는 제안 방법의 학습을 위해 ADAM 최적화 방법을 사용하고, 총 500번 세대(epoch)만큼 학습을 수행한다. 학습률(learning rate)은 0.0001, 가중치 부식(weight decay)값은 0.0001을 사용하며, 학습 시 미니 배치의 크기는 32로 설정한다. 이러한 설정값은 실험을 위한 일 예로서 이에 한정되지 않는다. For example, the predicted value calculator 230 implements the proposed DNN structure in MatConvNet, a Matlab-based deep learning library, for experimentation. The DNN model selector 240 uses an ADAM optimization method for learning the proposed method, and performs learning for a total of 500 generations (epoch). The learning rate is 0.0001, the weight decay value is 0.0001, and the size of the mini-batch is set to 32 when learning. The set value is not limited to this as an example for the experiment.

DNN 모델 선택부(240)는 학습을 위한 비용 함수로서, 예측된 (s', k', p')와 실제값 (s, k, p)간 MSE를 사용하며, 비용함수(J)는 [수학식 1]과 같다.The DNN model selector 240 uses the MSE between the predicted (s', k', p') and the actual value (s, k, p) as a cost function for learning, and the cost function (J) is [ Equation 1].

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 1]에서 s, k, p가 가질 수 있는 값은 각각 s={16, 32, 64, 128}, k={128, 256, 512}, p={32, 64, 128}이다. 각 파라미터 값의 동적 범위가 다르면, 결과적으로 비용함수를 최적화시 각 파라미터마다 다른 가중값을 갖게 된다. 이를 해결하기 위해 예측값 산출부(230)와 DNN 모델 선택부(240)는 log 스케일로 치환된 s, k, p 값에 대해 학습을 수행하고, 최적 DNN 모델을 선택한다.In Equation 1, the values s, k, and p can have s={16, 32, 64, 128}, k={128, 256, 512}, and p={32, 64, 128}, respectively. . When the dynamic range of each parameter value is different, as a result, when optimizing the cost function, each parameter has a different weighting value. To solve this, the predicted value calculator 230 and the DNN model selector 240 perform learning on the s, k, and p values substituted by the log scale, and select the optimal DNN model.

상술한 동작에 의하면, DNN 모델 선택부(240)는 m개의 DNN 모델들 중 제1DNN 모델에 의해 예측된 n개의 예측값(s1', k1', p1')들과 실제값 저장부(210)에 저장된 n개의 실제값(s, k, p)들에 대해서, s1'과 s의 MSE값, k1'과 k의 MSE값, p1'과 p의 MSE값을 각각 산출하고, 산출된 MSE값들을 더하여 제1DNN 모델에 대한 MSE1을 산출한다. According to the above-described operation, the DNN model selection unit 240 includes n prediction values s1', k1', and p1' predicted by the first DNN model among m DNN models and the actual value storage unit 210. For the stored n actual values (s, k, p), the MSE values of s1' and s, the MSE values of k1' and k, and the MSE values of p1' and p are calculated, and the calculated MSE values are added. MSE1 for the first DNN model is calculated.

이러한 방식으로 DNN 모델 선택부(240)는 m개의 모든 DNN 모델들에 대한 MSE를 산출한다. [표 2]는 DNN 모델 선택부(240)에서 m개의 DNN 모델들에 대한 Test Dataset에서의 MSE 성능을 보여준다.In this way, the DNN model selector 240 calculates MSEs for all m DNN models. [Table 2] shows the MSE performance in the Test Dataset for m DNN models in the DNN model selector 240.

계층(layer) 개수Number of layers 계층 당
뉴런(neuron) 개수
Per layer
Number of neurons
MSE (testing data set)MSE (testing data set)
s의 MSEs MSE k의 MSEk MSE p의 MSEp MSE (s+k+p)의 MSEMs of (s+k+p) 55 64-64-32-3264-64-32-32 0.633.0.633. 0.0050.005 0.5520.552 1.1911.191 55 32-32-16-1632-32-16-16 0.6340.634 0.0060.006 0.5480.548 1.1891.189 55 16-16-8-816-16-8-8 0.5770.577 0.1390.139 0.5800.580 1.2951.295 55 8-8-4-48-8-4-4 0.6250.625 0.0200.020 0.6090.609 1.2541.254 77 32-32-32-16-16-1632-32-32-16-16-16 0.6400.640 0.0060.006 0.5750.575 1.2201.220 33 16-816-8 0.5920.592 0.1220.122 0.5550.555 1.2691.269

[표 2]를 참조하면, DNN 모델에 사용하는 계층 개수는 5이고, 각 계층 별 뉴런의 개수는 각각 32개, 32개, 16개, 16개인 경우 산출된 MSE가 가장 작음을 알 수 있다. 따라서, DNN 모델 선택부(240)는 영상 품질 및 영상전송효율의 최적화를 수행하기 위해 (32-32-16-16) DNN 구조를 최적 DNN 모델로서 선택할 수 있으며, 선택된 최적 DNN 모델은 FEC 변수 제어부(130)에 적용되어 FEC 매개변수들을 동적으로 산출하는데 사용될 수 있다. (32-32-16-16) DNN 구조는 일 예로서 네트워크 상태에 따라 또는 샘플 개수 등 환경에 따라서 변경될 수 있다.Referring to [Table 2], it can be seen that the number of layers used in the DNN model is 5, and the number of neurons for each layer is 32, 32, 16, and 16, respectively, and the calculated MSE is the smallest. Therefore, the DNN model selector 240 may select the DNN structure as an optimal DNN model (32-32-16-16) to perform optimization of image quality and image transmission efficiency, and the selected optimal DNN model is an FEC variable controller It can be applied to 130 to be used to dynamically calculate FEC parameters. (32-32-16-16) As an example, the DNN structure may be changed according to a network state or an environment such as the number of samples.

도 3은 DNN 모델 선택부(240)에 의해 선택된 최적 DNN 모델, 즉, 5개의 완전 연결 신경망 구조를 도시한 도면이다.3 is a diagram illustrating an optimal DNN model selected by the DNN model selector 240, that is, five fully connected neural network structures.

도 3을 참조하면, 심층신경망의 입력 변수는 OSI 계층 중 네트워크 계층(또는 IP 계층)에 해당하는 패킷 손실률(PLR)과 데이터 레이트(DR), 그리고, 응용 계층에 해당하는 비디오 인코딩률(VER)이고, 출력 변수는 랩터 인코딩 파라미터인 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)임을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, input variables of the deep neural network include a packet loss rate (PLR) and a data rate (DR) corresponding to a network layer (or an IP layer) among OSI layers, and a video encoding rate (VER) corresponding to an application layer. It can be seen that the output variables are symbol size (s), number of symbols (k), and packet size (p), which are raptor encoding parameters.

본 발명의 실시 예에 따라 선택된 최적 DNN 모델은 5개의 완전 연결 계층(Fully Connected Layer)으로 구성되며, 비선형성 확보를 위해 각각의 완전 연결 계층의 출력이 ReLU(Rectified Liner Unit)를 통과하도록 한다.The optimal DNN model selected according to an embodiment of the present invention is composed of five Fully Connected Layers, and the output of each Fully Connected layer passes through a ReLU (Rectified Liner Unit) to secure nonlinearity.

ReLU는, 음수 입력값을 0으로, 그렇지 않은 입력값은 그대로 통과시키는 맵핑 함수이다. 숨겨진 계층 1과 계층 2는 32개의 벡터(뉴런)로 구성되고, 숨겨진 계층 3과 계층 4는 16개의 벡터로 구성된다. ReLU를 통과한 i번째 완전 연결 계층은 [수학식 2]와 같이 표현된다.ReLU is a mapping function that allows negative input values to pass through, and non-negative input values to pass through. The hidden layer 1 and layer 2 are composed of 32 vectors (neurons), and the hidden layer 3 and layer 4 are composed of 16 vectors. The i-th complete connection layer that passes through the ReLU is expressed as [Equation 2].

Figure pat00002
Figure pat00002

[수학식 2]에서,

Figure pat00003
Figure pat00004
은 i번째 완전 연결 계층의 입력 및 출력,
Figure pat00005
Figure pat00006
는 완전 연결 계층의 모델 파라미터로, 학습을 통해 결정된다. In [Equation 2],
Figure pat00003
And
Figure pat00004
Is the input and output of the i-th fully connected layer,
Figure pat00005
And
Figure pat00006
Is a model parameter of the fully connected layer and is determined through learning.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 순방향 오류 정정을 이용한 초협대역 영상데이터 전송 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method for transmitting ultra-narrowband image data using forward error correction according to an embodiment of the present invention.

도 4의 초협대역 영상데이터 전송 방법을 수행하기 위한 전자장치(100)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 초협대역 멀티미디어 전송 장치(100)일 수 있다.The electronic device 100 for performing the ultra-narrowband image data transmission method of FIG. 4 may be the ultra-narrowband multimedia transmission device 100 described with reference to FIGS. 1 to 3.

도 4를 참조하면, 전자장치(100)는 영상데이터를 송수신하는 동안 발생하는 네트워크 상태 정보를 수집 또는 산출한다(S410). 네트워크 상태 정보는 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR), 지연, 대역폭 등 다양한 정보를 포함한다.Referring to FIG. 4, the electronic device 100 collects or calculates network state information generated during transmission and reception of image data (S410). The network status information includes various information such as packet loss rate (PLR), data rate (DR), delay, and bandwidth.

전자장치(100)는 영상데이터를 비디오 인코딩률(VER)에 기반하여 인코딩한다(S420).The electronic device 100 encodes the image data based on the video encoding rate (VER) (S420).

전자장치(100)는 S410단계에서 취득되는 네트워크 상태 정보 중 패킷 손실률(PLR)과 데이터 레이트(DR), 그리고, S420단계에서 사용되는 비디오 인코딩률(VER)을 최적 DNN 모델에 입력하여 영상데이터의 FEC 인코딩 시 적용할 FEC 매개변수들을 패킷 손실률(PLR), 데이터 레이트(DR), 비디오 인코딩률(VER)에 따라 동적으로 가변 출력한다(S430). FEC 매개변수들은, 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)를 포함한다.The electronic device 100 inputs the packet loss rate (PLR), the data rate (DR), and the video encoding rate (VER) used in step S420 into the optimal DNN model among the network state information acquired in step S410, and converts the image data. The FEC parameters to be applied during FEC encoding are dynamically varied according to a packet loss rate (PLR), a data rate (DR), and a video encoding rate (VER) (S430). The FEC parameters include symbol size (s), symbol number (k) and packet size (p).

전자장치(100)는, S430단계에서 가변 출력되는 FEC 매개변수들을 이용하여 S420단계에서 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩하여 S430단계에서 정해진 패킷 크기에 따라 패킷을 생성한다(S440).The electronic device 100 FEC-encodes the video data encoded in step S420 using the FEC parameters variablely output in step S430 to generate a packet according to the packet size determined in step S430 (S440).

전자장치(100)는 S440단계에서 생성된 패킷을 타겟으로 전송한다(S450).The electronic device 100 transmits the packet generated in step S440 to the target (S450).

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 DNN 모델 선택 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a DNN model selection method according to an embodiment of the present invention.

도 5의 DNN 모델 선택 방법은 도 2를 참조하여 설명한 DNN 모델 선택 장치(200)에 의해 수행될 수 있으므로, 구체적인 동작 설명은 생략한다.Since the DNN model selection method of FIG. 5 may be performed by the DNN model selection device 200 described with reference to FIG. 2, detailed operation description is omitted.

DNN 모델 선택 장치(200)는, 전자장치(미도시)에서 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 이용하여 산출된 (s, k, p)로 이루어진 실제값을 저장한다(S510). S510단계에서, 전자장치(미도시)는, 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 이용하여 네트워크 상태 정보(PLR, DR) 및 비디오 인코딩률(VER)을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 산출된, 최대 throughput이 가능한 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)의 조합을 (s, k, p)로 이루어진 실제값으로서 추출한다.The DNN model selection device 200 stores an actual value composed of (s, k, p) calculated using a multimedia transmission protocol algorithm in an electronic device (not shown) (S510). In step S510, the electronic device (not shown), using the multimedia transmission protocol algorithm, the network state information (PLR, DR) and video encoding rate (VER) is calculated while varying within a set test range, maximum throughput is possible The combination of symbol size (s), number of symbols (k), and packet size (p) is extracted as an actual value consisting of (s, k, p).

DNN 모델 선택 장치(200)는 DNN 학습에 사용되는 계층 개수 및 각 계층에 대한 뉴론의 개수 중 적어도 하나가 다른 m개의 상이한 DNN 모델들을 생성한다(S520).The DNN model selection device 200 generates m different DNN models in which at least one of the number of layers used for DNN learning and the number of neurons for each layer is different (S520).

DNN 모델 선택 장치(200)는 S520단계에서 생성된 m개의 DNN 모델들 별로 네트워크 상태 정보(PLR, DR) 및 비디오 인코딩률(VER)을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 입력하여, m개의 DNN 모델들마다 (s', k', p')로 이루어진 n개의 예측값들을 산출한다(S530).The DNN model selection device 200 inputs the network state information (PLR, DR) and video encoding rate (VER) for each of the m DNN models generated in step S520 while varying within a set test range, thereby m m DNN models N prediction values of (s', k', p') are calculated for each field (S530).

DNN 모델 선택 장치(200)는 m개의 DNN 모델들 별로 예측값과 실제값을 비교하여 최소 비용 함수를 갖는 최적 DNN 모델을 선택한다(S540).The DNN model selection device 200 compares the predicted value and the actual value for each m DNN models and selects an optimal DNN model having a minimum cost function (S540).

한편, 기존 멀티미디어 전송 프로토콜을 이용하는 알고리즘에서는 고정된 패킷 크기로 랩터 FEC를 적용하여 전송제어를 수행한다. 하지만, 패킷 크기가 고정된 상태에서는 전송효율의 한계가 있다. Meanwhile, in the algorithm using the existing multimedia transmission protocol, transmission control is performed by applying a raptor FEC with a fixed packet size. However, there is a limitation in transmission efficiency when the packet size is fixed.

이에 기존 멀티미디어 전송 프로토콜의 단점을 극복하기 위해, 본 발명의 실시 예에서는 DNN 구조를 적용하였으며, 패킷 손실률(PLR)과 데이터 레이트(DR), 비디오 인코딩률(VER)에 따라 적절한 패킷 크기를 선택하여 throughput을 개선할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예는 동일한 네트워크 환경기준으로 PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)이 유사한 수준에서 더 많은 영상데이터를 보낼 수 있다. 이는 제한된 네트워크 자원 또는 혼잡한 트래픽 환경에 적용할 경우 영상 전송 효율을 개선시킬 수 있다. Accordingly, in order to overcome the disadvantages of the existing multimedia transmission protocol, the DNN structure is applied in the embodiment of the present invention, and an appropriate packet size is selected according to the packet loss rate (PLR), data rate (DR), and video encoding rate (VER). Throughput can be improved. That is, according to an embodiment of the present invention, more video data may be transmitted at a level similar to a peak signal-to-noise ratio (PSNR) based on the same network environment. This can improve video transmission efficiency when applied to a limited network resource or a congested traffic environment.

상술한 본 발명에 따른 순방향 오류 정정을 이용한 초협대역 영상데이터 전송 장치의 초협대역 영상데이터 전송 방법은 이를 구현하기 위한 명령어들의 프로그램이 유형적으로 구현됨으로써, 컴퓨터를 통해 판독될 수 있는 기록매체에 포함되어 제공될 수도 있음은 통상의 기술자가 쉽게 이해할 수 있다.The ultra-narrow band image data transmission method of the ultra-narrow band image data transmission apparatus using forward error correction according to the present invention is included in a recording medium that can be read through a computer by tangibly implementing a program of instructions for implementing it. It may be readily understood by those skilled in the art.

따라서, 본 발명은 순방향 오류 정정을 이용한 초협대역 영상데이터 전송 방법을 구현하기 위하여 상기 영상데이터 전송 장치를 제어하는 컴퓨터 상에서 수행되는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램을 함께 제공한다.Accordingly, the present invention provides a program stored in a computer-readable recording medium executed on a computer controlling the image data transmission device in order to implement a method for transmitting ultra narrow band image data using forward error correction.

100: 초협대역 멀티미디어 전송 장치
110: 네트워크 정보 제공부
120: 비디오 인코더
130: FEC 변수 제어부
140: FEC 인코딩 및 패킷 생성부
200: DNN 모델 선택 장치
210: 실제값 저장부
220: DNN 모델 생성부
230: 예측값 산출부
240: DNN 모델 선택부
100: ultra-narrowband multimedia transmission device
110: network information providing unit
120: video encoder
130: FEC variable control
140: FEC encoding and packet generator
200: DNN model selector
210: actual value storage unit
220: DNN model generator
230: predicted value calculation unit
240: DNN model selector

Claims (2)

순방향 오류 정정(FEC: Forward Error Correction)을 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법에 있어서,
(A) 전자장치가, 영상데이터를 송수신하는 동안 발생하는 네트워크 상태 정보를 수집 또는 산출하는 단계;
(B) 상기 전자장치가, 상기 영상데이터를 비디오 인코딩률에 기반하여 인코딩하는 단계;
(C) 상기 전자장치가, 상기 (A) 단계에서 제공되는 네트워크 상태 정보를 최적 DNN 모델에 입력하여 상기 영상데이터의 FEC 인코딩 시 적용할 FEC 매개변수들을 상기 네트워크 상태 정보에 따라 동적으로 가변 출력하는 단계;
(D) 상기 전자장치가, 상기 (C) 단계에서 가변 출력되는 FEC 매개변수들을 이용하여 상기 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩하여 패킷을 생성하는 단계; 및
(E) 상기 전자장치가, 상기 (D) 단계에서 생성된 패킷을 전송하는 단계;를 포함하고,
상기 (B) 단계에서,
상기 전자장치는, 상기 인코딩 시 적용된 비디오 인코딩률 정보를 제공하고,
상기 (C) 단계에서,
상기 전자장치는, 상기 (B) 단계로부터 입력되는 상기 비디오 인코딩률 정보를 상기 네트워크 상태 정보와 함께 상기 최적 DNN 모델로 입력하여 상기 FEC 매개변수들을 상기 네트워크 상태 정보와 상기 비디오 인코딩률 정보에 따라 가변 출력하며,
상기 (A) 단계 이전에,
(F) DNN 모델 선택 장치가, 멀티미디어 전송 프로토콜 알고리즘을 이용하여 상기 네트워크 상태 정보 및 상기 비디오 인코딩률을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 산출된, 최대 throughput이 가능한 심볼 크기(s), 심볼 개수(k) 및 패킷 크기(p)의 조합을 (심볼 크기, 심볼 개수, 패킷 크기)로 이루어진 실제값으로서 저장하는 단계;
(G) 상기 DNN 모델 선택 장치가, DNN 학습에 사용되는 계층 개수 및 각 계층에 대한 뉴론의 개수 중 적어도 하나가 다른 m개의 상이한 DNN 모델들을 생성하는 단계;
(H) 상기 DNN 모델 선택 장치가, 상기 m개의 DNN 모델들 별로 상기 네트워크 상태 정보 및 상기 비디오 인코딩률을 각각 설정된 테스트 범위 내에서 가변하면서 입력하여, 상기 m개의 DNN 모델들마다 n개의 (심볼 크기', 심볼 개수', 패킷 크기')로 이루어진 예측값을 산출하는 단계; 및
(I) 상기 DNN 모델 선택 장치가, 상기 m개의 DNN 모델들 별로 상기 예측값과 상기 실제값을 비교하여 상기 최적 DNN 모델을 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 순방향 오류 정정을 이용한 감시정찰기의 초협대역 멀티미디어 전송 방법.
In a method of transmitting ultra-narrowband multimedia using Forward Error Correction (FEC),
(A) the electronic device, collecting or calculating network status information that occurs while transmitting and receiving video data;
(B) the electronic device encoding the video data based on a video encoding rate;
(C) the electronic device dynamically inputs the network state information provided in step (A) into an optimal DNN model and dynamically outputs FEC parameters to be applied when encoding FEC of the image data according to the network state information. step;
(D) generating, by the electronic device, a packet by FEC encoding the encoded video data using FEC parameters that are variablely output in the step (C); And
(E) the electronic device, transmitting the packet generated in step (D); includes,
In step (B),
The electronic device provides video encoding rate information applied during the encoding,
In step (C),
The electronic device inputs the video encoding rate information input from the step (B) together with the network state information into the optimal DNN model to change the FEC parameters according to the network state information and the video encoding rate information. Output,
Before step (A),
(F) The symbol size (s) and the number of symbols (maximum throughput) that the DNN model selection device calculates while varying the network state information and the video encoding rate within a set test range using a multimedia transmission protocol algorithm ( storing the combination of k) and packet size (p) as an actual value consisting of (symbol size, number of symbols, packet size);
(G) generating, by the DNN model selection apparatus, m different DNN models in which at least one of the number of layers used for DNN learning and the number of neurons for each layer is different;
(H) The DNN model selection device inputs the network state information and the video encoding rate for each of the m DNN models while varying within a set test range, and then generates n (symbol sizes) for each of the m DNN models. Calculating a prediction value consisting of', the number of symbols' and the packet size'); And
(I) the DNN model selection device, comparing the predicted value and the actual value for each of the m DNN models to select the optimal DNN model; Ultra narrowband multimedia transmission method.
제1항에 있어서,
상기 네트워크 상태 정보는, 패킷 손실률(PLR: Packet Loss Rate) 및 데이터 레이트(Data Rate)를 포함하고,
상기 FEC 매개변수들은, 심볼 크기(s, symbol size), 심볼 개수(k, symbol number) 및 패킷 크기(p, packet size)를 포함하고,
상기 (C) 단계는,
상기 전자장치가, 상기 패킷 손실률, 데이터 레이트에 따라 동적으로 패킷 크기를 산출하고,
상기 (D) 단계는,
상기 전자장치가, 상기 (C) 단계에서 동적으로 산출된 패킷 크기에 기반하여 상기 인코딩된 비디오데이터를 FEC 인코딩한 후 패킷을 생성하는 것을 특징으로 하는 순방향 오류 정정을 이용한 초협대역 멀티미디어 전송 방법.
According to claim 1,
The network status information includes a packet loss rate (PLR) and a data rate,
The FEC parameters include symbol size (s, symbol size), symbol number (k, symbol number), and packet size (p, packet size),
Step (C) is,
The electronic device dynamically calculates a packet size according to the packet loss rate and data rate,
Step (D) is,
The electronic device generates a packet after FEC encoding the encoded video data based on the packet size dynamically calculated in the step (C), and then generates a packet in the ultra-narrowband using forward error correction.
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