무선 네트워크 상에서 실시간 멀티미디어 스트리밍을 위한 의미 기반 계층 통합 기법

Abstract

본 연구에서는 실시간 멀티미디어 스트리밍 서비스의 QoS를 극대화시키기 위한 계층 통합 최적화 기법을 제시한다. 압축된 멀티미디어 프레임들은 멀티미디어의 Quality of Service(QoS) 에 각기 다른 영향을 끼치므로, 패킷 손실을 줄인다고 해서 그것이 항상 멀티미디어 QoS의 향상으로 이어지는 것은 아니다. 멀티미디어 프레임들의 중요성을 측정하기 위해 본 연구에서는 ``Layer Significance'' 를 제안한다. 제안되는 Layer Significance 는 프레임과 레이어 사이의 상관관계의 특성을 바탕으로 해당 데이터가 손실되는 경우 멀티미디어 QoS에 미치는 영향을 정량화한다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 실시간 멀티미디어 스트리밍 서비스의 QoS를 극대화시키기 위한 패킷 스케줄링, 적정 채널 파워 할당 및 차별적 automatic retransmission request(ARQ) 법을 제안한다. 본 연구에서의 패킷 스케줄링은 보내고자 하는 데이터의 선택 및 간격 할당을 통해 이루어진다. 대역폭 등 제안된 네트워크 환경에서 모든 데이터를 보낼 수 없을 경우에는 중요한 데이터를 우선시하여 전송을 시도하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 제시된 Layer Significance 를 이용하여 전송할 패킷을 선택하고, 또한 트래픽 burstiness 를 최소화하기 위한 간격 할당에도 이용한다. 적정 채널 파워를 구하기 위한 시스템 모델은 서버에서 보내야 할 패킷의 수, 채널 간섭 및 노이즈 레벨, 클라이언트에서 성공적으로 받은 패킷, 그리고 보내고자 하는 패킷 및 해당 패킷의 중요도 등의 매개변수들로 정의되며, 다이내믹 프로그래밍 기법 (dynamic programming)과 Layer Significance 을 이용하여 파워 소모는 최소화 하면서 멀티미디어 서비스의 QoS를 극대화 시키는 적정 파워를 계산한다. 채널 간섭 및 노이즈, 노드의 유동성 등으로 인해 모바일 애드 혹 네트워크에서의 패킷 손실은 매우 높으므로 적정한 패킷 손실 회복 기법은 매우 중요하다. 제시된 차별적 ARQ기법은 Layer Significance 와 해당 노드에서의 패킷 최대 재전송 횟수 등을 고려하여 각 패킷마다 차별화된 재전송 횟수를 결정함으로써, 멀티미디어 QoS를 극대화 한다.

8개의 공개된 비디오를 이용하여 실험을 진행하였으며, 시뮬레이션 기반 환경에서 제시된 패킷 스케줄링, 채널 파워 할당 및 차별적 재전송 기법의 성능 측정을 수행하였다. 제시된 기법들의 결과를 측정하기 위해 시뮬레이션 프로그램에 디코딩 엔진을 삽입하였으며, 해당 화질의 QoS측정 척도로 PSNR(peak signal to noise ratio) 을 이용한다. 제시된 패킷 스케줄링 기법은 각각 기존의 최선 기반 스케줄링 기법 및 단순 QoS측정 기반 스케줄링 기법과 비교하며, 제시된 파워 할당 기법은 고정 파워 할당 기법 및 채널 간섭 기반 파워 할당 기법과 비교한다. 제시된 차별적 ARQ 기법은 프레임 종류 기반 ARQ기법 및 프레임 크기 기반 ARQ기법, 그리고 기존의 최선 기반 ARQ기법과 비교한다. 시뮬레이션 실험들을 통해 제안된 기법들이 각각 보내고자 하는 패킷의 중요성을 파악하고 이를 적절히 활용함으로써 각각의 패킷들에 대해 차별적인 보호 기법을 성공적으로 제공하는 것을 확인할 수 있었다. 각각의 제시된 기법들은 더 낳은 QoS를 보여주었으며 이는 낮은 패킷 손실, 높은 PSNR, 그리고 더 좋은 파워 이용 효율성 등을 포함한다.; In this dissertation, the author suggests cross layer algorithms to maximize the quality of service (QoS) of multimedia streaming service. For the multimedia frame to be transported safely over the resource constrained network, the author proposes considering semantic information of the multimedia frame. Since individual frames in a compressed video carries different effect of importance in terms of QoS, improving the packet loss probability does not always coincide with perceivable improvements in QoS from the perspective of a client. To quantify the importance of multimedia frame, the author developed a metric called, ``Layer Significance." The proposed layer significance elaborately incorporates inter frame and layer, intra frame and layer information dependency, and the transitive information dependency characteristics of modern compression schemes. The author applied layer significance in scheduling the packet transmission, power allocation strategy for wireless multimedia communications, and semantics aware automatic retransmission request (ARQ) scheme in mobile ad hoc network environment. Packet scheduling, in this context, consists of two technical ingredients: packet selection and interval selection process. Under resource limited network environment such as bandwidth availability, it is desirable to transmit the subset of the packets rather than transmitting the entire set of packets when the all video data cannot be transmitted. The author uses a greedy approach in selecting packets for transmission and use layer significance as the selection criteria in determining the transmission interval of a packet. Dynamic programming formulation is developed in order to obtain the optimal transmit power that simultaneously minimizes power consumption and maximizes the user perceivable QoS. Using dynamic programming, the author establish a state transition equation in discrete time intervals that incorporates the packet loss probability. The system is modeled in terms of the number of packets to be sent, the interference level, queue depth, and the QoS importance of the packet being transmitted. In mobile ad hoc network, where the BER is very high due to the poor signal to interference and noise ratio (SINR), proper packet recovery scheme loss is very important for the user perceivable QoS. The author incorporated layer significance in MAC frame repetition to cause higher chance of successful delivery for the more important packets with the cost of less important packet to more loss probability. A simulation-based experiment with eight video clips was performed to test the proposed packet scheduling, power allocation, and semantics aware ARQ scheme. The author embedded the decoding engine in our simulation software and examine the user perceivable QoS (PSNR). Proposed packet scheduling algorithm is compared with best effort scheduling scheme and one with simple QoS metric based scheduling scheme. Power control scheme is compared with constant power allocation and interference-aware power allocation scheme. SA-ARQ scheme is compared with frame-type based ARQ, frame-size based ARQ, and default ARQ scheme. The proposed schemes effectively incorporate the semantics of a packet and deliver best user perceivable QoS. They provide unequal protection to the more important packets. The proposed scheme exhibits superior performance in terms of the loss ratio, $PSNR$, and power utilization efficiency.