Reverse Fast Staggered Broadcasting 방식을 사용한 주문형 비디오의 설계와 분석

Abstract

VOD(Video On Demand) 서비스는 기존의 공중파 방송과는 다르게 인터넷 등의 통신 회선을 사용하여 원하는 시간에 원하는 매체를 볼 수 있도록 하는 서비스이다. VOD 시스템은 매체를 스트리밍 혹은 다운로드 방식으로 잔송하여 보여주며, VCR 같은 조작 방식을 채용하고 있다. 국내 방송 매체에서도 VOD를 도입하고 있는데, 스카이 라이프 위성방송의 경우 여러 채널에서 같은 영화를 30분 단위로 방송하면서 VOD의 장점을 도입하였고, 디지털CATV에서는 인터넷 기반 VOD 서비스를 하고 있다. 앞으로 등장하는 새로운 무선통신 기술 WiBro, DMB는 모두 VOD를 기본 바탕으로 하고 있다. 뿐만 아니라 UCC 등 다양한 멀티미디어 데이터를 네트워크를 통하여 전송할 경우 많은 대역폭이 요구된다. 따라서 서비스 품질을 유지하며 대역폭을 확보하기 위해서는 많은 투자 비용이 소요되므로 주어진 대역폭을 효율적으로 활용해야 한다. VoD를 비디오를 전송하는 방식에 따라 실시간 주문형 비디오(TVoD:True-VoD)와 유사 주문형 비디오(NVoD:Near-VoD)로 분류할 수 있다. TVoD는 대화형 서비스가 가능하다는 장점이 있지만 시청자가 비디오 서버에서부터 시청자단까지 전송채널을 점유하기 때문에 서비스 제공 시 많은 대역폭이 요구되어 비용이 많이 든다. 반면 NVoD는 대화형 서비스 기능과 시청자의 대기시간을 희생하는 대신 하나의 채널을 사용하여 같은 비디오를 다수의 시청자들이 동시에 시청할 수 있게 함으로서 시스템 구축 비용을 줄였다. 이러한 NVoD의 성능을 개선하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다. NVoD 방식은 크게 배칭(Batching) 방식, 패칭(Patching) 방식, 브로드캐스팅(Broadcasting) 방식 세가지로 구분된다. 배칭 방식은 시청자가 서버에 비디오를 요청하면, 서버에서는 시청자의 요청을 일정시간 동안 모은 뒤 특정시점에 한번에 서비스 하는 방식이다. 패칭 방식은 비디오 데이터를 스태거드(Staggered) 방법으로 하나의 비디오를 일정한 시간 간격을 두고 주기적으로 전송을 하고, 비디오 데이터 주기 시간 동안 채널을 덧붙이는 형태로 구성된다. 이 방식은 채널 대역폭 효율은 많이 떨어지지만 구현이 간단하다는 장점이 있다.브로드캐스팅 방식은 비디오 데이터를 대역폭과 길이를 기준으로 해서 다양한 방법으로 분할한 뒤, 이를 서로 다른 채널에 주기적으로 전송하는 방법이다. 이 방식은 채널 대역폭 효율이 우수하다는 장점이 있지만 복잡성이 증가하여 실제 구현 시 어려운 단점이 있다. 본 논문에서는 인기 있는 주문형 비디오 서비스를 제공하기 위해 결함형 브로드캐스팅 방식을 적용한 NVoD방법을 제안한다. Reverse Fast Staggered Broadcasting(RFSB) 방식은 기존의 연구와 달리 NVoD 방식의 복잡성을 줄이고, 사용하는 채널 대역폭 효율을 향상시켰다. RFSB 방법은 비디오 데이터를 짧은 앞부분과 긴 뒷부분으로 나눈 뒤, 비디오의 짧은 앞부분을 세그먼트로 분할한 뒤 브로드캐스팅 방식을 사용해서 전송하고, 비디오의 긴 뒷부분은 스태거드방식을 사용하여 전송함으로써 NVoD의 단점인 시청자 대기시간을 줄이고 시스템의 설계 시 복잡도를 줄일 수 있었다. 이때 분할된 비디오의 짧은 앞부분과 긴 뒷부분의 전송방식이 다르므로 상호 동기를 맞춰 끊김 없이 NVoD 서비스를 제공할 수 있도록 하였다. 제안된 RFSB 구조를 가진 NVoD 시스템은 전송하고자 하는 비디오의 짧은 앞부분의 비디오를 분할하여 서비스하기 때문에 채널 대역폭 효율을 높일 수 있고, 비디오의 긴 뒷부분은 스태거드 방식을 사용하여 전송하므로 NVoD 구조를 간단하게 할 수 있다. 따라서 RFSB 방식은 기존에 제안되었던 NVoD 방식에 비해 채널 채널 대역폭 효율이 우수하다. 또한 비디오 데이터 세그먼트 수, 채널관리의 복잡성과 동시에 사용하는 채널 수도 크게 줄인 기존에 제안되었던 NVoD 방식보다 우수하고 실용적인 방식이다. 특히 비디오의 짧은 앞 부분에 적용한 reverse fast broadcasting 방식은 두 가지 특징이 있다. 첫째, 이 방법은 서버 단에서 세그먼트를 역순으로 재정렬한다. 둘째, 클라이언트는 가능한 한 늦게 세그먼트를 수신함으로써 저장해야 할 세그먼트 수를 최소화하고 있다. 실험결과 전송 채널 6개, 비디오 분할계수 h가 3일 때, RFSB 방식은 스태거드 방식과 비교하여 시청자 대기 시간을 80% 정도로 줄일 수 있었다. RFSB 방식에서 h≥3일 경우 시청자 버퍼 요구량은 기존의 제안된 방식들 중에서 가장 우수한 성능을 보이는 Staircase Broadcasting 방식에 비해 전체 비디오 데이터 세그먼트 크기의 25% 이하로 성능이 개선되었다. 표1은 기존에 제안된 방식들과의 복잡도를 비교한 것이다. ◁표는 원문 참조▷ 그리고 시청자수 증가에 따른 비디오 성능에 영향이 없기 때문에 대규모 시스템에도 적용할 수 있다. 또한 비디오 분할계수에 따라 시청자 대기시간과 필요한 버퍼 요구량을 조절할 수 있어 NVoD 방식이 적용되는 다양한 서비스 환경에 따라서 이 계수들을 적용할 수 있다. 따라서 본 눈문에서 제안한 RFSB 방식은 시청자의 요청이 많은 제한된 비디오들을 많은 시청자들에게 서비스하는 NVoD 시스템에 적용하면 효율적이다. 또한 세그먼트 수, 관리채널, 동시사용채널, 호핑 채널 등에서 우수한 성능을 가지며, 동시에 간단한 구조를 갖기 때문에 실제 시스템 구현 시 실용적으로 가능한 방법으로 기대된다.; Video-on-demand (VOD) systems allow users to select and watch video and clip content over a network as part of an interactive television system. VOD systems either "stream" content, allowing viewing in real time, or "download" it in which the program is brought in its entirety to a set-top box (STB) before viewing starts. The majority of cable and telco based VOD systems use the streaming approach, whereby a user buys or selects a movie or television program and it begins to play on the television set almost instantaneously. A popular video can be broadcast by portioning the video into segments which broadcast on several channels periodically. Previous studies mainly focus on reducing viewer’s waiting time. A near video-on-demand (NVoD) approach is more appropriate than a true video-on-demand (TVoD) approach in efficient use of bandwidth. In order to reduce the viewer’s waiting time for a large number of requests within hot videos, an efficient NVoD approach is the broadcasting that can 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, previous proposed broadcasting architectures are required to manage many segments of a video, frequency of channel hopping and usage of many channels at the same time. These complexities of VoD system makes it difficult to implement of the VoD system. To solve these problems, this dissertation proposes the reverse fast staggered broadcasting (RFSB) which has a simple system structure and bandwidth efficient. The front part of the video uses the reverse fast broadcasting, on the other hand the rear part of the video uses staggered broadcasting. A reverse fast broadcasting method is proposed to alleviate the buffer problem. There are two properties for reverse fast broadcasting. First, this method arranges the segments in descending order at the server end. Second, reverse fast broadcasting requires a client to receive segments as late as possible, so that a client can buffers the smallest number of segments. The proposed RFBS method substantially reduces complexity of VoD system and high bandwidth efficiency both viewer’s waiting time and client’s buffer requirement. This thesis presents the procedures of video transmitting and receiving, performance analysis, and simulation results of RFBS method.