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1 논문 한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 정회원정영하 *, 강영욱 **, 종신회원최윤식 ** Media-aware and Quality-guaranteed Rate Adaptation Algorithm for Scalable Video Streaming Young H. Jung*, Young Wook Kang** Regular Members, Yoonsik Choe** Lifelong Member 요 약 인터넷을통하여다른서비스에비해상대적으로많은대역폭을필요로하는비디오스트리밍서비스를제공할경우, 다른플로우들과의형평성을제공하면서비디오서비스의품질을보장해야한다. 이를위하여본논문에서는스케일러블비디오압축스트림에대한멀티채널 TCP-friendly 스트리밍기법을제안하였다. 제안구조는스케일러블비디오코딩으로압축된비디오정보를기본계층 (baseline layer) 은 TCP를이용하여손실없이전송하고상위계층 (enhancement layer) 는 TFRC (TCP friendly rate control) 을이용하여전송하도록하였다. 이때, TFRC로전송되는상위계층레이어에대한전송률은수신측재생버퍼의상태와전송미디어의계층별부호화율을고려하여적응적으로결정되도록제안하였다. 시뮬레이션결과를통하여, 이러한적응적전송률제어를통하여제안스트리밍방식이기존방식에비해네트워크상황변화에신속히적응하고혼잡상황에서도일정수준의서비스품질을보장함을확인할수있다. Key Words : Scalable Video, 품질보장형비디오스트리밍 ABSTRACT We propose a quality guaranteed scalable video streaming service over the Internet using a new rate adaptation algorithm. Because video data requires much more bandwidth rather than other types of service, therefore, quality of video streaming service should be guaranteed while providing friendliness with other service flows over the Internet. To successfully provide this, we propose a framework for providing quality-guaranteed streaming service using two-channel transport layer and rate adaptation of scalable video stream. In this framework, baseline layer for scalable video is transmitted using TCP transport for minimum quality service. Enhancement layers are delivered using TFRC transport with layer adaptation algorithm. The proposed framework jointly uses the status of playout buffer in the client and the encoding rate of layers in media contents. Therefore, the proposed algorithm can remarkably guarantee minimum quality of streaming service rather than conventional approaches regardless of network congestion and the encoding rate variation of media content. * 삼성전자네트워크사업부 (crosscom@yonsei.ac.kr), ** 연세대학교전기전자공학부 ({nanwook, yschoe}@yonsei.ac.kr) 논문번호 :KICS , 접수일자 :2009 년 2 월 14 일, 최종논문접수일자 :2009 년 4 월 6 일 517

2 한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 Ⅰ. 서론최근비디오압축기술과인터넷망의급속한발전으로비디오스트리밍서비스는인터넷상의서비스들중에서가장인기있는어플리케이션중하나가되어왔다. 일반적으로대부분의비디오압축기술은가변길이부호화와움직임예측알고리즘을포함하기때문에이러한압축기술로부호화된비디오데이터들은전송과정에서의패킷손실과딜레이변화에매우민감한특징을가지고있다. 하지만, 현재인터넷망에서의비디오스트리밍서비스는최선형 (best-effort) 서비스를기본으로하기때문에비디오스트리밍서비스에서요구되는전송환경을항시보장할수는없다. 이런이유로네트워크상황에적응적인비디오스트리밍서비스에대한연구가활발히이루어져왔다. 스케일러블비디오는네트워크의상황에따라적응적으로전송률을제어할수있다는장점으로인해인터넷상에서비디오스트리밍의품질을보장하기위한솔루션중의하나로써간주되어왔다 [1][2]. 스케일러블비디오로부호화된비트스트림은하나의기본계층 (baseline layer) 과다수의상위계층 (enhancement layer) 으로이루어져있다. 기본계층은비디오영상의가장기본적인화질을제공할뿐아니라상위계층과결합하여보다향상된품질을제공한다. 저장주문형비디오 (Stored on-demand video) 서비스에서스케일러블비디오는스트리밍서비스시전송레이어수를조절함으로써별도의인코딩 / 디코딩부하없이선택적으로전송율을조절할수있어각광을받아오고있다. Liu 등은 [3] 에서각기다른중요도를가지는패킷들에차등데이터보호방식을적용하여패킷손실로인한화질열화를줄이고자하였다. 이처럼스케일러블영상코딩과차등데이터보호방식의사용을통해비디오스트리밍의품질을향상시킬수있다. 하지만에러정정부호의사용은패리티패킷과에러정정범위에관한정보등과같은오버헤드를피할수없다는단점을가지고있다 [4]. 더욱이에러정정부호와 User Datagram Protocol(UDP) 를사용하여인터넷상에서대규모의고품질비디오스트리밍서비스를제공할경우, 제한된네트워크자원상에서의큰대역폭의 UDP들간의경쟁으로인해혼잡붕괴 (congestion collapse) 와같은문제를야기할수도있다 [5]. 비디오스트리밍서비스의품질을보장하면서네 트워크자원을공유하는여러서비스플로우들간의형평성을보장하기위하여 TCP 혹은 TCP-Friendly Rate Control (TFRC)[6] 의전송계층프로토콜을이용하여스케일러블비디오스트리밍하는방식들이제안되어왔다 [7][8]. 특별히 Gorkemli등은 [8] 에서두개의전송계층채널을사용하여스케일러블영상코딩을전송하는방법을제안하였다. 즉, 기본계층은 TCP를통해전송함으로써에러정정부호의사용으로인한오버헤드없이기본계층의전송신뢰성을보장하고자하였고상위계층은 Datagram Congestion Control Protocol(DCCP) 를통해전송함으로써 UDP의큰대역폭점유현상을방지하고 TCP 친화성을제공하고자하였다. Gorkemli의알고리즘에서는패킷손실로발생할수있는 TCP 채널의전송지연을최소화하면서스케일러블비디오의상위계층수신을최대화하기위해 DCCP 수신율기반의적응적전송률제어기법을제안하였다. 하지만해당기법은 DCCP 수신율마을기준으로하여전송률제어를수행하였기때문에주변플로우들의개수가시간에따라다이나믹하게변화하거나가변비트율 (Variable Bit Rate: 이하 VBR) 로인코딩된영상에적용하였을때혼잡발생과해소에따라적절한전송률제어를수행하지못했고그로인해큰화질의열화가발생하게되는문제점이있다. 본논문에서는이전의스트리밍기법들이갖고있는이러한한계를극복하여네트워크상태나서비스되는컨텐츠의가변비트율에관계없이일정수준의품질이보장되는전송율제어알고리즘을제안하였다. 즉, 제안한알고리즘은 [8] 에서와같이전송네트워크의플로우간형평성을보장하고혼잡붕괴를피하기위하여 TCP와 DCCP를사용하는스트리밍모델을사용하였고, 이때주변플로우의개수가변화하는네트워크상황을클라이언트의비디오콘텐츠의가변비트율을고려하여재생버퍼 (playout buffer) 의추후상태를예측하고이에근거하여적응적으로전송계층수를결정하도록고안되었다. 즉, 버퍼상태예측기 (playout buffer estimator) 와혼잡수준결정기 (congestion level determinator, CLD) 그리고 Group of Picture(GOP) 기반평균인코딩비트율계산기등을적용하여최종전송률을결정하게된다. 이를통하여기존의방식에비해버퍼언더플로우 (under-flow) 에의한리버퍼링 (rebuffering) 발생횟수를최소화하고비디오의화질열화를최소화할수있게되었다. 518

논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 본논문의이후구성은다음과같다. 2장에서는기존스케일러블비디오기반의적응적전송률제어알고리듬에대하여살펴보도록한다. 이어서 3장에서는제안된네트워크상태및콘텐츠적응적전송률제어알고리듬에대하여기술하도록한다.

서버에서기본계층과상위계층의데이터는하나의 TCP 채널에멀티플렉싱하여클라이언트에전송되는구조를가지고있다.

Gorkemli 등은기본계층은 TCP를통하여전송신뢰성과 TCP 친화적인혼잡제어를동시에제공하고, 상위계층은 DCCP를통해 TCP 친화적인혼잡제어만을제공하는스트리밍모델을제안하였다 [8] ( 그림 2). 그림 3.

기본계층의버퍼링을최소화하면서또한화질열화를최소화하기위해 [8] 에서는 DCCP 수신율을기반으로하는몇가지전송률제어기법에대한실험을수행하였고그중에서 DCCP 수신율과이전프레임들의전송률을비교하여전송될상위계층의수를한계층씩증가 / 감소하는기법이가장좋은성능을보여준다는것을제시하였다.

3 논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 본논문의이후구성은다음과같다. 2장에서는기존스케일러블비디오기반의적응적전송률제어알고리듬에대하여살펴보도록한다. 이어서 3장에서는제안된네트워크상태및콘텐츠적응적전송률제어알고리듬에대하여기술하도록한다. 4장에서는시뮬레이션결과를통해제안알고리듬의성능을검증하고, 5장에서는본논문의결론을맺고자한다. Ⅱ. 기존의스케일러블비디오기반적응적전송율제어알고리즘 Cuetos 등은 [7] 에서 TCP 프로토콜환경에서클라이언트의버퍼상태를통한적응적전송률제어기법을제안했었다 ( 그림 1). 서버에서기본계층과상위계층의데이터는하나의 TCP 채널에멀티플렉싱하여클라이언트에전송되는구조를가지고있다. Cuetos등의제안방식은모든전송계층의신뢰성을보장하고스트리밍플로우와공존하는다른인터넷플로우들간의형평성을제공할수있지만네트워크혼잡상황에서기본계층비디오의전송지연까지발생할수있기때문에이로인해재생버퍼언더런에의해재생멈춤 (playback pause) 이빈번하게생길수있는단점이있다. Gorkemli 등은기본계층은 TCP를통하여전송신뢰성과 TCP 친화적인혼잡제어를동시에제공하고, 상위계층은 DCCP를통해 TCP 친화적인혼잡제어만을제공하는스트리밍모델을제안하였다 [8] ( 그림 2). 그림 3. Gorkemli의적응적전송율제어알고리즘이를통해스트리밍의최소화질을보장할수있게되고동시에 UDP의혼잡붕괴현상을피하고자하였다. 기본계층의버퍼링을최소화하면서또한화질열화를최소화하기위해 [8] 에서는 DCCP 수신율을기반으로하는몇가지전송률제어기법에대한실험을수행하였고그중에서 DCCP 수신율과이전프레임들의전송률을비교하여전송될상위계층의수를한계층씩증가 / 감소하는기법이가장좋은성능을보여준다는것을제시하였다. [8] 의논문에서최적의성능을제공하는알고리즘은그림 3과같이 DCCP의수신율에근거하여네트워크의혼잡을감지하게되는데, 이로인해 VBR로인코딩된영상이나주변플로우의개수가다이나믹하게변화하는환경에서는혼잡현상의발생과해소시점을제대로감지하지못하여적절한전송률제어에실패하는한계가있다. DCCP를사용하는상위계층의전송제어가정확하게이루어지지않을경우전송지연이점점더커지게되어재생시점이전에패킷이전송되는것을보장할수없게된다. 3장에서는이러한문제를해결하기위해수신버퍼의상태를통해혼잡현상을예측하고이를통해적응적전송률제어를수행하여 VBR 영상에서도적용가능한알고리즘을제안하고자한다. Ⅲ. 미디어특성과네트워크혼잡에적응적인전송율제어알고리즘 그림 1. Cuetos 의 TCP 기반스트리밍구조 그림 2. Gorkemli 의 TCP/DCCP 기반스트리밍구조 그림 4. 제안스트리밍모델개요도 519

한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 그림 4는제안된알고리즘의스트리밍모델을나타낸다. 크게재생버퍼의이후상태를예측하는모듈 (PoB estimator) 과네트워크의혼잡현상을예측하기위한모듈 (CLD) 과인코딩영상의계층별부호와율을실시간으로업데이트하는모듈등으로구성된다. 3.1 GOP기반평균인코딩비트율계산기 VBR로인코딩된영상은일반적으로매우빈번하게변동하는인코딩비트율을보여준다.

4 한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 그림 4는제안된알고리즘의스트리밍모델을나타낸다. 크게재생버퍼의이후상태를예측하는모듈 (PoB estimator) 과네트워크의혼잡현상을예측하기위한모듈 (CLD) 과인코딩영상의계층별부호와율을실시간으로업데이트하는모듈등으로구성된다. 3.1 GOP기반평균인코딩비트율계산기 VBR로인코딩된영상은일반적으로매우빈번하게변동하는인코딩비트율을보여준다. 그림 5은 VBR로인코딩된영상의인코딩비트율의예를보여주고있다. 주목해야할점은, 사각형의부분과같이인코딩비트율이특히급격하게증가하는부분이나타날수있다는점이다. 만약이처럼급격히인코딩비트율이증가하는부분에서서버어플리케이션에서이전에전송한것과같은양의상위계층의수를유지하며전송을진행한다면전송률이급격히상승하게되고이는혼잡현상을유발하는원인이될수있다. 이런이유로 VBR로인코딩된영상을스트리밍서비스할경우많은문제가발생하게된다. 이런문제들을해결하기위해제안된알고리즘에서는전송시점에서 GOP 크기의슬라이딩윈도우를사용하여평균인코딩비트율을계산하고매프레임을전송할때마다이값을갱신하여이정보를적응적전송율제어기에전달하도록하였고, 이를통해전송율의급격한변동을방지하고자하였다. 3.2 재생버퍼상태예측기제안한버퍼상태예측기는클라이언트에서의버퍼상태를예측하는역할을수행한다. 버퍼상태예측모듈은클라이언트로부터전달되는피드백패킷수신시마다버퍼상태예측을수행한다. 시간이후의버퍼상태의예측은다음의식 (1) 과식 (2) 를통해수행되어진다. 그림 5. VBR로인코딩된영상의인코딩비트율예 (1) (2) 위식들에서 과 는기본계층과상위계층의현재시점에서의버퍼상태를나타내며이는클라이언트로부터전달되는피드백정보를통해서얻어지게된다. 과 는기본계층에대한평균수신율과상위계층에대한유효수신율을의미한다. 여기서유효한수신율은서버로부터전송받은패킷들중에러가생겨서복원이불가능한프레임의패킷과기본계층이재생되는시점보다늦게도착하여버려지는패킷들을제외한패킷들의수신율을의미한다. 임의의예측인터벌 는수신단의피드백정보전송주기로설정되었다. 과 는기본계층과상위계층의인코딩비트율의평균을의미하고이값들은이후에설명될 GOP기반의평균인코딩비트율계산모듈을통해계속업데이트된다. 이때재생되어버퍼에서빠져나가는상위계층의데이터량을예측하기위해현재평균적으로재생에사용되고있는상위계층이양이필요하게된다. 따라서 을일정기간동안클라이언트에서플레이되는평균계층의수로정의하고클라이언트로부터이정보를피드백받아예측에사용하였다. 예측된버퍼의상태에대한정보는혼잡수준결정기에전달되게되고이는네트워크상의혼잡현상을감지하기위한파라미터로사용되게된다. 3.3 혼잡수준결정기혼잡수준결정기는버퍼상태예측기와버퍼의임계값등을통해현재네트워크의상태를결정하는역할을수행한다. 이를위해그림 6과같이 3개의임계값이사용된다. 는기본계층버퍼의하위임계값을의미하고, 와 는상위계층버퍼의하위임계값과상위임계값을의미한다. 위의임계값들은많은실험을통해결정되었으며제안된알고리즘에서사용된 과 는초기버퍼링시간동안축적된양의 65% 로 는초기버퍼링시간동안축적된양의 100% 로하였다. 520

논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 마나많은상위계층을전송할것이지전송계층의수를결정하는역할을수행하고두번째부분은 GOP기반으로계산된평균인코딩비트율을고려하여최대전송계층의수를제한하는역할을수행한다. 자세한과정은다음과같다. Case 1 : && 그림 6.

초기버퍼링시간동안서버는전송가능한모든상위계층을전송하는것으로가정하였다. 그림 6 과같이혼잡수준결정기는예측된버퍼의상태값과 3개의임계값을통해 4가지의혼잡케이스를결정하게된다. 여기서결정된혼잡경우에대한정보는적응적전송률제어기에전달되고 4절에서설명하는전송상위계층레벨결정에사용되게된다. 3.4 전송률제어모듈제안된전송률제어알고리즘은제한된네트워크리소스내에서비디오스트리밍의품질을보장하기위해네트워크상황에따라적절한상위계층의개수를결정하는역할을수행한다.

5 논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 마나많은상위계층을전송할것이지전송계층의수를결정하는역할을수행하고두번째부분은 GOP기반으로계산된평균인코딩비트율을고려하여최대전송계층의수를제한하는역할을수행한다. 자세한과정은다음과같다. Case 1 : && 그림 6. 혼잡수준결정기 (CLD) 즉, 예를들어전송비디오의기본계층의평균비트율이 128Kbps이고초기버퍼링시간이 5초라면, 416Kbits(=128Kbps x 5 sec x 0.65) 와같이결정하였다. 이는버퍼의하위임계값에전송비디오의평균인코딩비트율을반영함으로써인코딩율의변화가네트워크혼잡판단에영향을주지않기목적이다. 초기버퍼링시간동안서버는전송가능한모든상위계층을전송하는것으로가정하였다. 그림 6 과같이혼잡수준결정기는예측된버퍼의상태값과 3개의임계값을통해 4가지의혼잡케이스를결정하게된다. 여기서결정된혼잡경우에대한정보는적응적전송률제어기에전달되고 4절에서설명하는전송상위계층레벨결정에사용되게된다. 3.4 전송률제어모듈제안된전송률제어알고리즘은제한된네트워크리소스내에서비디오스트리밍의품질을보장하기위해네트워크상황에따라적절한상위계층의개수를결정하는역할을수행한다. 그림 7은제안된전송률제어모듈을나타내고있다. 본제어모듈은혼잡수준결정기에의해서결정된 4가지의혼잡수준에따라그에맞는전송률제어를수행하게된다. 각각의전송률제어절차는크게두부분으로나눠진다. 첫번째부분은네트워크상황을고려하여얼 Case1은수신버퍼의상태가 는적절하고 는과도한경우를의미한다. 이경우송신율제어모듈은이전에전송한계층의수와동일하게현재전송계층의수를유지한다. 먼저 가적절한상태를유지하고있으므로기본계층의전송이원활하게이루어짐을알수있지만 의상태는과도한상위계층의전송량은네트워크혼잡을유발할수있음을의미한다. 따라서전송률제어모듈은더이상상위계층의수를늘리지않는다. 전송할상위계층의수를결정하고나면송신율제어모듈은 VBR 영상의인코딩비트율의변동으로인한혼잡유발을예방하기위해앞서결정된상위계층의수를재조정하는역할을수행한다. 실제시스템에서는수신버퍼의크기가한정되어있기때문에일정수준이상으로계속버퍼에남아있는데이터양이증가한다면, 전송레이어수를줄여야하지만, 본논문에서는수신및재생버퍼의크기가충분히크다고가정하였다. Case 2 : && Case2는 와 가모두적절한수준을유지하고있는경우를의미한다. 이경우송신율제어모듈은전송할상위계층을수를증가시킨다. 그러나급격한전송율의변화는혼잡현상을유발할수있기때문에한단계씩점진적으로증가시킨다. Case 3 : && Case3 은 의상태는적절하게유지되고있지만 가하계값보다낮은경우를의미한다. 이경우 그림 7. 적응적전송률제어모듈 두가지상황이존재할수있다. 첫번째상황은서버에서일정수준의상위계층을전송하고있지만클라이언트에서모든계층을다받지못해서상위계층의버퍼상태가낮게유지되는경우이고, 두번째상황은실제로서버에서낮은수준의계층들만 521

한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 전송하여버퍼의상태가낮게유지되는경우이다. 따라서이경우전송률제어모듈은각각의상황에따라서로다른전송률제어기법을적용하게된다. 첫번째상황의경우현재시점에서사용가능한대역폭이서버에서전송하고있는데이터양을모두전송하기에는불충분함을의미한다. 그러므로전송되는상위계층의수는감소되어야하기때문에계층수를한단계줄이게된다.

기본계층은낮은인코딩비트율을갖기때문에전송중대역폭의점유율이매우작은특성을가지므로기본계층의전송이원활하지않다는것은혼잡현상의수준이높다는것을의미하기때문이다. 따라서최소한의상위계층데이터만을전송하기위하여전송률제어모듈은상위계층에대한현재유효수신율을넘지않는범위에서상위계층의수를선택한다. 실험에사용된영상은 JSVM 9.12.

6 한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 전송하여버퍼의상태가낮게유지되는경우이다. 따라서이경우전송률제어모듈은각각의상황에따라서로다른전송률제어기법을적용하게된다. 첫번째상황의경우현재시점에서사용가능한대역폭이서버에서전송하고있는데이터양을모두전송하기에는불충분함을의미한다. 그러므로전송되는상위계층의수는감소되어야하기때문에계층수를한단계줄이게된다. 반면두번째상황의경우클라이언트가서버로부터전송된모든상위계층을잘전송받고있으므로송신율제어모듈은전송계층의수를점차증가시키게된다. 그림 7에서와같이각상황에따른판단은전송된계층수와피드백패킷으로전달되는재생된계층수를비교하여이루어진다. Case 4 : Case4는 와 가모두 하계값보다낮은경우로현재네트워크상황이극심한혼잡상태라는것을의미한다. 기본계층은낮은인코딩비트율을갖기때문에전송중대역폭의점유율이매우작은특성을가지므로기본계층의전송이원활하지않다는것은혼잡현상의수준이높다는것을의미하기때문이다. 따라서최소한의상위계층데이터만을전송하기위하여전송률제어모듈은상위계층에대한현재유효수신율을넘지않는범위에서상위계층의수를선택한다. 실험에사용된영상은 JSVM [12] 표준코덱을사용하여인코딩하였고 240초의재생시간을갖고 15 프레임의 GOP 크기를갖도록인코딩되었다. VBR 비디오의비트변화를모델링하기위하여 foreman, soccer, container, coastguard등다수의보편적인실험영상들을반복적으로연결하여인코딩하였다. 스케일러블비디오는하나의기본계층과 4개의상위계층으로이루어진화질계위성 (SNR scalability) 을사용하였다. 기본계층은평균 107kbps로인코딩되었고, 상위계층은평균 264kbps~1897kbps의인코딩비트율을가지며최대인코딩비트율은 7.2Mbps 인 VBR 인코딩방식을사용하였다. 이와같은실험영상과네트워크토폴로지와함께두가지경우의백그라운드트래픽환경을시뮬레이션하였다. 첫번째경우는비디오컨텐트의부호화율에따른전송율제어상태를평가하기위하여백그라운드 FTP 트래픽이전혀없는경우 ( 시나리오 1), 즉전송네트워크상에비디오스트리밍서비스만존재할경우를실험하였고두번째경우는그림 9와같이백그라운드 FTP플로우가비디오스트리밍서비스도중발생 / 해제되는경우이다 ( 시나리오 2). 제안된알고리즘의성능을비교하기위해 Peak noise to signal ratio(psnr) 과송 / 수신계층수비율그리고버퍼링횟수를사용하였다. 송 / 수신계층수비율은 라고표기하였고정의는아래의식 (3) 과같다. Ⅳ. 실험결과, (3) 본장에서는시뮬레이션결과를통하여제안알고리듬의성능을검증하고자한다. 제안알고리듬의성능을확인하기위하여 NS-2 시뮬레이터 [11] 을사용하였고이에사용된네트워크토폴로지는그림 8 과같다. 위의식에서 과 는순서대로플레이된계 그림 8. 시뮬레이션네트워크토폴로지 그림 9. 두번째시나리오에서의백그라운드 TCP 플로우의개수변화 522

논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 층의수와전송한계층의수를의미한다. 는서버에서송신율제어알고리즘에의해결정된송신계층수와클라이언트에서실제플레이된계층수를비교함으로써네트워크의상황에따라얼마나적응적인송신율제어의효용성을평가하는도구로사용되어진다. 그림 10과 11은백그라운드 FTP 플로우가없는경우인시나리오1 에서의실험결과를나타낸다.

그림 10 (a) 에서기존알고리즘은계층수의변화가급격히이루어지고실험의마지막부분에서는이러한빈번한변화가오히려혼잡현상을유발하여버퍼의상태가불안정해지고큰화질의열화로이어지는것을볼수있다. 반면그림 10 (b) 의제안알고리즘에서는인코딩비트율이급격히상승하는구간에서도적절하게송신율을조절함으로써스트리밍의끝나는시점까지안정적인플레이가가능하도록하는것을알수있다.

7 논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 층의수와전송한계층의수를의미한다. 는서버에서송신율제어알고리즘에의해결정된송신계층수와클라이언트에서실제플레이된계층수를비교함으로써네트워크의상황에따라얼마나적응적인송신율제어의효용성을평가하는도구로사용되어진다. 그림 10과 11은백그라운드 FTP 플로우가없는경우인시나리오1 에서의실험결과를나타낸다. Gorkemli 방식과제안방식으로실험하였을때, 백그라운드트래픽이없음에도불구하고전송계층의수가변화되는이유는 VBR 인코딩된영상의본질적인인코딩비트율의변동으로인한것이다. 특히인코딩비트율이병목구간의대역폭보다커지는구간에서는적절한전송률제어가이루어지지않을경우버퍼링을유발할뿐만아니라화질의열화도가져올수있게된다. 그림 10 (a) 에서기존알고리즘은계층수의변화가급격히이루어지고실험의마지막부분에서는이러한빈번한변화가오히려혼잡현상을유발하여버퍼의상태가불안정해지고큰화질의열화로이어지는것을볼수있다. 반면그림 10 (b) 의제안알고리즘에서는인코딩비트율이급격히상승하는구간에서도적절하게송신율을조절함으로써스트리밍의끝나는시점까지안정적인플레이가가능하도록하는것을알수있다. 그결과표 1을보면 측면에서제안된알고리즘은전송한모든계층이클라이언트에서안정적으로플레이되는것을확인할수있고평균 PSNR도더높게나타나는것을알수있다. 또한기존알고리즘이 1회의버퍼링횟수를가지는데비해제안된알고리즘은 버퍼링없이전송이되고있다는것을알수있다. 또한제안된알고리즘은패킷손실없이스트리밍이가능하였지만기존알고리즘은약 0.42% 의손실률을보이는것을확인할수있다. 그림 11. 평균 PSNR의비교 - 시나리오 1 (a) Gorkemli 알고리즘 (b) 제안알고리즘그림 12. 전송계층수와실제재생된계층수비교 ( 시나리오 2) 그림 13. 평균 PSNR 의비교 - 시나리오 2 (a) Gorkemli 알고리즘 (b) 제안알고리즘 그림 10. 전송계층수와실제재생된계층수비교 ( 시나리오 1) 표 1. 기존방식 [8] 과제안방식의성능평가 시나리오 1 시나리오 2 L_Ratio 평균 PSNR 버퍼링수 패킷손실율 (%) 기존방식 제안방식 기존 방식 제안 방식

한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 그림 12와 13은시나리오 2, 즉주변플로우의개수가시간에따라변화하는경우에대한실험결과를나타낸다. 그림 12 (a) 를보면기존알고리즘은혼잡현상이발생하는시점에서적절히전송률을제어하지못하여전송된패킷이플레이되는시점에클라이언트에제대로도착하지못하는현상을나타내었다.

8 한국통신학회논문지 '09-05 Vol. 34 No. 5 그림 12와 13은시나리오 2, 즉주변플로우의개수가시간에따라변화하는경우에대한실험결과를나타낸다. 그림 12 (a) 를보면기존알고리즘은혼잡현상이발생하는시점에서적절히전송률을제어하지못하여전송된패킷이플레이되는시점에클라이언트에제대로도착하지못하는현상을나타내었다. 이런현상이발생하게되는이유는기존알고리즘이단지 DCCP 수신율에만의존하여전송률을제어하기때문에 VBR로인코딩된영상의특성을제대로반영하지못하고네트워크의혼잡발생 / 해제상황을정확하게인지하지못하기때문이다. 반면에제안된알고리즘은혼잡현상이발생하는시점에서혼잡상황을신속히감지하고그에따라상위계층의수를줄이고혼잡현상이완화되는시점에서는다시점차적으로전송계층의수를늘려가면서전송률을높이고있는것을알수있다. 이런방법을통해제안된알고리즘은재생시간보다상위계층의비디오패킷들이늦게도착하는문제를해결할수있었다. Ⅴ. 결론본논문에서는품질보장형비디오스트리밍서비스를위하여스케일러블비디오의컨텐츠특성과네트워크혼잡상태에기반한전송율제어알고리듬을제안하였다. VBR로부호화된스케일러블비디오의계층별부호화특성을 GOP단위로분석하고클라이언트의재생버퍼상태를실시간으로예측하여이를혼잡상태감지요인으로삼아이를통해효율적으로스케일러블비디오의전송상위계층수를결정하여클라이언트에서최소한의품질이보장이될수있도록하였다. 시뮬레이션결과에서확인한바와같이제안방식은기존의방식보다기본계층의전송지연측면과상위계층의손실측면에서모두좋은성능을보이는것을확인할수있었다. 참고문헌 [1] W. Li, Overview of fine granularity scalability in MPEG-4 video standard, IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, Vol. 11, No. 3, pp , [2] H. Schwarz, D. Marpe and T. Wiegand, Overview of the Scalable Video Coding Extension of the H.264/AVC Standard, IEEE Transactions on Circuit and System for Video Tech., Vol. 17, No. 9, September 2007 [3] Y. Liu and O. Yu, Adaptive unequal loss protection for scalable video streaming over IP networks, IEEETrans.Consumer Electronics, Vol. 51, No. 4, November [4] S. Kang and D. Loguinov, Impact of FEC overhead on scalable video streaming, NOSSDAV 05, pp , June 2005 [5] S. Floyd and K. Fall, Promoting the use of end-to-end congestion control in the Internet, IEEE/ACM Trans. Networking, vol 7, num 4, pp , 1999 [6] RFC896, Congestion control in IP/TCP internetwork [7] P. Cuetos, P. Guillotel, K. Ross and D. Thoreau, Implementation of adaptive streaming of stored MPEG-4 FGS video over TCP, in International Conference on Multimedia and Expo (ICME02), August [8] B. Gorkemli and M. Reha Civanlar, SVC Coded Video Streaming over DCCP, IEEE International Symposium on Multimedia (ISM'06), 2006 [9] E. Kohler, M. Handley and S. Floyd, Datagram Congestion Control Protocol (DCCP). Internet Engineering Task Force, March RFC [10] ns-2 Network Simulator, available from (2007). [11] JSVM software. Available from CVS repository: pserver:jvtuser:jvt.amd.2@garcon.ient.rwthaac hen.de:/cvs/jvt 정영하 (Young H. Jung) 정회원 1997년 2월연세대학교전기공학과졸업 1999년 2월연세대학교전기전자공학과석사 2009년 2월연세대학교전기전자공학과박사 2000년 3월 ~ 현재삼성전자네트워크사업부책임연구원 < 관심분야 > Video Communication, Multimedia Networking, 3GPP Packet Service Network 524

9 논문 / 미디어특성과네트워크상태에적응적인스케일러블비디오스트리밍기법에관한연구 강영욱 (Young Wook Kang) 정회원 2007년 2월연세대학교전기전자공학과졸업 2009년 2월연세대학교전기전자공학과석사 2009년 3월 ~ 현재 LG전자멀티미디어연구소연구원 < 관심분야 > 영상코딩, H.264/ AVC, 영상통신 최윤식 (Yoonsik Choe) 종신회원 1979년 2월연세대학교전기공학과졸업 1987년 5월펜실베니아주립대전기공학 M.S. 1990년 2월퍼듀대학전기공학 Ph.D 1993년 3월 ~ 현재연세대학교전기전자공학과정교수 < 관심분야 > 영상신호처리, 영상코딩, 멀티미디어통신등 525

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02손예진_ok.hwp (JBE Vol. 20, No. 1, January 2015) (Special Paper) 20 1, 2015 1 (JBE Vol. 20, No. 1, January 2015) http://dx.doi.org/10.5909/jbe.2015.20.1.16 ISSN 2287-9137 (Online) ISSN 1226-7953 (Print) UHD MMT a),