주문형 멀티미디어를 위한 효율적인 스태거드 방송 기술

Abstract

지난 수 년간에 걸친 디지털 신호처리 및 데이터 압축 기술의 발전과 광대역 가입자망의 대중화는 주문형 멀티미디어 (Multimedia ondemand) 혹은 주문형 비디오 (VoD: Video-on-Demand)와 같은 실시간 서비스를 가능하게 하였다. 멀티미디어는 동영상, 음성 등의 데이터의 집합체로써 압축 이후에도 대용량 데이터를 가지므로, 이를 네트워크를 통하여 전송할 경우 대단히 넓은 대역폭이 필요하다. 따라서 대역폭을 확보하기 위해 많은 비용이 소요되므로 대역폭의 효율적 활용이 필요하다. VoD는 비디오를 전송하는 방식에 따라 분류할 경우 실시간 주문형 비디오 (TVoD: True-VoD) 와 유사 주문형 비디오 (NVoD: Near-VoD)로 크게 분류할 수 있다. TVoD는 대화형 서비스의 장점이 있지만 시청자가 비디오 서버에서부터 시청자단까지 전송채널을 점유하기 때문에 서비스의 제공에 넓은 대역폭이 필요하고, 따라서 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다. 반면 NVoD는 대화형 서비스 기능과 시청자의 대기시간을 희생하는 대신, 하나의 비디오 채널을 이용하여 다수의 시청자들이 동시에 비디오를 시청할 수 있도록 하여 시스템 비용을 줄였다. 근래에 NVoD의 성능개선을 위해 활발한 연구가 진행되어 왔으며, 이 연구에는 크기 배칭 (Batching) 방식, 패칭 (Patching) 방식, 브로드캐스팅 (Broadcasting) 방식으로 구분이 된다. 배칭 방식은 서버에서 시청자의 요청을 일정시간 동안 모아서 특정시점에 한꺼번에 서비스 하는 방식이다. 패칭 방식은 비디오 데이터를 스테거드 (Staggered) 방식으로 일정한 시간 간격을 두고 전송을 하고 비디오 데이터 주기 시간 동안 채널을 덧붙이는 형태로 구성된다. 브로드캐스팅 방식은 비디오 데이터를 대역폭과 길이를 기준으로 해서 다양한 방법으로 나누고 이를 서로 다른 채널에 주기적으로 전송하는 방법이다. 브로드캐스팅 방식은 채널 대역폭 효율이 우수하다는 장점이 있지만 복잡성이 증가하기 때문에 실제 구현은 어렵다는 단점이 있다. 패칭 방식은 채널 대역폭 효율이 많이 떨어지지만 구현이 간단하다는 장점이 있다. 논문에서는 인기가 많은 주문형 멀티미디어 서비스를 위한 브로드캐스팅 방식의 간단하고 대역폭 효율이 우수한 NVoD 방법을 제안한다. 본 논문에서는 기존 제안되었던 NVoD 방식의 복잡성을 줄이고 사용하는 채널 대역폭의 효율도 향상시키는 Fast Staggered Broadcasting(FSB), Staircase Staggered Broadcasting (SSB) 그리고 Harmonic Staggered Broadcasting (HSB) 방식을 제안한다. 이들 방식에서는 비디오 데이터를 짧은 앞부분과 긴 뒷부분으로 분리하여 짧은 앞부분에는 데이터 분할을 이용한 브로드캐스팅 방식들을 이용해서 전송하고 뒷부분에는 스태거드 전송 방식으로 전송한다. 이때 짧은 앞부분과 긴 뒷부분의 전송방식들의 상호 동기를 맞추어야만 끊김 없이 NVoD 서비스 할 수 있다. 이러한 구조는 비디오의 짧은 앞부분만 데이터 분할을 이용한 비디오 서비스를 하기 때문에 채널 대역폭 효율을 높일 수 있고, 또한 긴 뒷부분이 NVoD 구조를 간단하게 할 수 있어 성능향상과 더불어 간단한 구조가 가능하였다. 제안된 방식들은 우수한 대역폭 효율과 더불어 기존에 제안되었던 NVoD 방식들의 단점으로 알려진 비디오 데이터 세그먼트 수를 크게 줄이고, 복잡한 채널 관리의 문제점도 줄였으며, 한꺼번에 사용하는 채널의 수도 크게 줄여 기존에 제안되었던 NVoD 방식보다 실용적인 방식이다. 실험결과 FSB방식과 SSB방식은 채널 6, 비디오 분할계수 h 가 3일때 스태거드 방식과 비교 하여 80% 정도의 시청자 대기 시간을 감소 시켰으며, HSB방식은 채널 5, 비디오 분할계수 h 가 3 일 때 스태거드 방식과 비교하여 70% 정도의 시청자 대기시간 감소를 시켰다. 버퍼 요구량은 기존의 제안된 방식들 중에서 가장 우수한 성능을 보이는 Staircase Broadcasting 방식과 비교해서 FSB, SSB, HSB는 h 가 3 이상일 경우 전체 비디오 데이터량의 25% 이하로 성능이 개선되었다. 또한 복잡도는 채널이 5, h 가 3일 때 표 1에서 나타난 결과와 같이 기존의 제안되었던 방식들보다 복잡도가 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 표 1. FSB, SSB, HSB 방식과 기존 제안된 방식들의 복잡도 비교 (채널 5, 비디오 분할 계수 3일 경우) ◁표 삽입▷(원문을 참조하세요) 그리고 시청자수에 대해서 성능의 영향이 없기 때문에 대규모의 서비스에도 적용 가능하다. 또한 비디오 분할에 따라서 시청자의 대기시간과 필요한 버퍼량을 조절할 수 있기 때문에 NVoD 방식이 적용되는 환경에 따라서 이들을 조절해서 적용이 가능하다. 따라서 제안된 방식들은 시청자의 요청이 많은 제한된 비디오들을 많은 시청자들에게 서비스하는 NVoD 시스템에 적용하면 효율적이다. 또한 제안된 방식들은 우수한 성능과 동시에 간단한 구조를 유지하기 때문에 실용적으로 적용이 가능한 방법으로 기대된다.; Advances in broadcasting technology are generating an increasing demand for video-on-demand (VoD) applications. One of the primary objectives for VoD systems is the reduction of bandwidth requirements. For this reason, many significant broadcasting architecture have been proposed to reduce bandwidth requirements. In providing popular video programs to a number of clients through networks, a near video-on-demand (NVoD) approach is more appropriate than a true videoon-demand (TVoD) approach in efficient use of bandwidth. These are separated three main approaches to provide NVoD services, namely batching, patching and broadcasting. The batching approach collects a group requests that arrive close in time, and serves them all together with one channel. In patching, video request is firstly served by unicast stream and then joined back to a multicast stream. In broadcasting, the video is periodically multicast into dedicated channel with predefined schedule. In order to reduce the viewer’s waiting time for a large number of requests within hot videos, a beneficial NVoD approach can be the broadcasting because this scheme can be theoretically serve an unlimited number of clients simultaneously within a bounded user delay by keeping the number of channels independent of the number of clients. However, these previously proposed broadcasting architectures are required to manage many segments of a video, frequency of channel hopping and use many channels at the same time. These complexities of scheme make it difficult to implement. To solve this problem, this dissertation proposes three new architectures, name as fast staggered broadcasting (FSB), staircase staggered broadcasting (SSB) and harmonic staggered broadcasting (HSB) architecture which have a simple structure and bandwidth efficiency. The proposed architectures substantially reduce complexity of VoD architecture. Furthermore, these new architectures have high bandwidth efficiency in viewer’s waiting time and buffer requirement. This dissertation presents the procedures of video transmitting and receiving, performance analysis and simulation results of FSB, SSB and HSB.