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보고서 상세정보

무선 모바일 환경에서 QoS를 고려한 멀티미디어 동기화 알고리즘 개발 및 구현
The Development of QoS-enhanced Multimedia Synchronization Algorithm in Wireless and Mobile Environment

  • 주관연구기관

    인하대학교
    InHa University

  • 연구책임자

    최상방

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2005-07

  • 주관부처

    정보통신부

  • 사업 관리 기관

    정보통신산업진흥원

  • 등록번호

    TRKO201000017128

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    We considered three issues; data striping, priority queuing, and multimedia synchronization. First, we developed a parallel serve...

    We considered three issues; data striping, priority queuing, and multimedia synchronization. First, we developed a parallel server architecture, in which each server separately stores video data that is striped by MPEG-4 VOP type. we proposed a time stripping method which is used to divide up a video stream. In this method, the video stream is stripped according to the I-, P-, and B-VOP types. The division of the video stream is performed during the encoding time before each sub-stream is stored in the parallel server. We implemented a VOP divider module that belongs to the encoder, where each VOP is classified and stored in three files. Therefore, Each VOP sequence was composed of only one VOP type and was stored in a separate server.
    Second, we designed a priority queuing algorithm, in which each VOP is scheduled according to its priority at the base station. Let us assume that the base station receives I-, P-, and B-VOPs and starts to restore one GOP. All of the VOPs within one GOP (group of pictures) would be impaired, when the I-VOP in the GOP is lost or damaged. If a part of a P-VOP is lost, the impairment propagates in the area of the P-VOP itself, the previous B-VOP, and the following B- and P-VOPs in the given GOP. If a part of a B-VOP is lost, the impairment propagates only in the VOP. Therefore, we accorded a higher priority to the I-VOPs, in order to improve the QoS provided to the mobile host. The priority queuing algorithm is operated as following. The packets received from each server are sequentially stored in the receive buffer, before being transferred to the send buffer by the scheduler. When the buffer is full, the packet with the lowest priority (B-VOP) in the buffer is discarded to make room for an incoming packet with higher priority (I- or P-VOP). On the other hand, because multimedia services are delay sensitive, every VOP must be transferred before its presentation deadline. If the base station does not receive the I- or P-VOP before the deadline, the related VOPs in the same GOP are discarded.
    Finally, we designed a synchronization algorithm to compensate for jitter. In this process, the base station temporarily stores video streams that are not received uniformly from each server, and then forwards them at a constant rate. To provide continuous multimedia stream, it is especially important to prevent the underflow and overflow. Thus, we also modeled the base station using the discrete Markov chain of the leaky bucket scheme to obtain the relationship between the buffer size and the probabilities of the underflow and overflow.
    For practical purposes, we implemented the system in the form of separate program modules to split and reassemble the MPEG-4 video stream. We also implemented program modules for priority queuing and synchronization. The packet receiving rates of the conventional and proposed parallel server models are measured and then compared numerically. We also compared these four models visually using two MPEG-4 videos, ‘Starwars-IV’, ‘Friends’, ‘Foreman’ and ‘Football’.


    본 연구는 데이터 분할방법, 우선순위 큐, 멀티미디어 동기화 문제에 초점을 맞추었다. 첫째, VOP 유형에 따라 데이터를 분할하여 개별의 서버에 나누어 저장하는 병렬서버 구조를 개발하였다. 비디오 스트림을 제공하기 위한 시간 분할 ...

    본 연구는 데이터 분할방법, 우선순위 큐, 멀티미디어 동기화 문제에 초점을 맞추었다. 첫째, VOP 유형에 따라 데이터를 분할하여 개별의 서버에 나누어 저장하는 병렬서버 구조를 개발하였다. 비디오 스트림을 제공하기 위한 시간 분할 기법 중 비디오 스트림을 I-, P-, B- VOP로 분할하는 방식을 제안하였다. 각 부 스트림이 병렬 서버에 저장되기 이전인 인코딩 시간에 비디오 스트림은 분할된다. 각 VOP를 세 가지 파일로 분류하고 저장하는 인코더에 VOP 분할 모듈을 구현하였다. 각 VOP 시퀀스는 단 하나의 VOP 유형으로만 구성되고 각기 다른 서버에 저장된다.
    둘째, 병렬서버 환경에서의 우선순위 큐 관리 알고리즘을 설계하였다. 기지국에서는 이 알고리즘의 우선순위에 따라 패킷을 스케줄링한다. 만약, I-VOP의 부분이 손실 된다면, 이 I-VOP를 포함하는 GOP 내의 모든 VOP가 손상된다. 즉, I-VOP는 해당 GOP의 모든 VOP에 영향을 미친다. P-VOP 중 일부가 손실된다면, 이전의 B-VOP, 다음의 B-VOP 그리고 손실된 P-VOP가 포함된 GOP 내의 다른 P-VOP 등, 손실된 P-VOP와 관련된 VOP들의 영역으로 손실의 영향이 전파된다. 그렇지만 B-VOP 중 일부의 손실은 다른 VOP에 영향을 미치지 않는다. 때문에 이동국에 제공되는 서비스의 QoS를 높여주기 위하여 I-VOP에 최 상위 우선순위를 부여한다. 우선순위 알고리즘은 다음과 같이 동작한다. 먼저 각 서버로부터 전송된 패킷은 수신 버퍼에 순차적으로 쌓인다. 수신된 패킷은 스케줄러에 의해 송신 버퍼로 옮겨진다. 송신버퍼가 꽉 찼을 경우, 더 높은 우선순위를 가지고 들어오는 패킷(I- 또는 P-VOP)을 위한 공간을 마련하기 위해 버퍼에 있는 패킷 중 가장 낮은 우선순위를 갖는 패킷(B-VOP)이 버려진다. 한편, 멀티미디어 서비스는 지연에 민감하기 때문에, 모든 VOP는 각각의 데드라인(실제 재생되어야 하는 시간) 전에 전송되어야만 한다. 만약 기지국이 데드라인 전에 I- 또는 P-VOP를 받지 못한다면, 같은 GOP 내에 있는 이와 관련된 VOP는 모두 버려진다.
    마지막으로, 지터를 보상하기 위한 멀티미디어 동기화 알고리즘을 설계하였다. 기지국은 각 서버로부터 불규칙하게 들어오는 비디오 스트림을 고안된 동기화 알고리즘에 따라 버퍼에 저장한 후, 이동국으로 일정하게 전송한다. 보다 양질의 멀티미디어 서비스를 제공하기 위하여, 특히 버퍼의 언더플로우 나 오버플로우를 막는 것이 중요하다. 그러므로 본 연구에서는 버퍼의 크기와 언더플로우, 오버플로우의 확률사이의 상관관계를 파악하기 위하여 Discrete Markov Chain 모델을 이용한 확률적 모델을 고안하였다. 보다 실질적인 연구 결과를 얻기 위하여 기존의 병렬서버 모델과 제안한 병렬서버 모델의 실제 재생 가능한 패킷 수신율과 재생율 등을 측정하여 도식화 하고 수치적으로 비교하였다. 또한 각각의 모듈을 구현하여 트레이스 파일 대신 ‘스타워즈4’, ‘프렌즈’, ‘포맨’,‘풋볼’의 실제 비디오 파일을 이용하여 실험함으로써 비디오 영상의 육안인지 관점에서 비교하였다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...2
    3. 요약문 ...3
    4. SUMMARY ...11
    5. 목차 ...15
    6. 표목차 ...19
    7. 그림목차 ...20
    8. 제1장 서론 ...23
    9. 제2장 병렬 서버 구조 ...26
    10. 제1절 병렬 서버 구조 ...26...
    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...2
    3. 요약문 ...3
    4. SUMMARY ...11
    5. 목차 ...15
    6. 표목차 ...19
    7. 그림목차 ...20
    8. 제1장 서론 ...23
    9. 제2장 병렬 서버 구조 ...26
    10. 제1절 병렬 서버 구조 ...26
    11. 제2절 데이터 스트리핑 ...27
    12. 제3절 VoD 서비스를 위한 병렬 서버 구조 ...28
    13. 제3장 병렬 서버 기반의 MPEG-4 비디오 데이터 전송 ...30
    14. 제1절 MPEG-4 비디오 스트림의 구조 ...30
    15. 제2절 병렬 서버 구조에서 비디오 스트림의 전송 과정 ...31
    16. 제3절 비디오 데이터 손실의 영향 ...33
    17. 1. I-VOP의 손실 ...34
    18. 2. P-VOP의 손실 ...35
    19. 3. B-VOP의 손실 ...35
    20. 제4장 제안된 멀티미디어 스트림 전송 제어 기법 ...37
    21. 제1절 라우터에서의 서비스 정책 ...37
    22. 1. 새로운 IP 헤더 ...37
    23. 2. 네트워크의 혼잡 상황에 대한 처리 ...38
    24. 제2절 기지국의 우선순위 큐(버퍼) 관리 정책 ...40
    25. 1. 기지국의 혼잡 상황 처리 ...40
    26. 2. 전송 지연 패킷의 처리 ...41
    27. 3. 우선순위 큐 관리 알고리즘 ...42
    28. 4. 알고리즘에 대한 의사코드 ...45
    29. 제5장 멀티미디어 동기화 기법 연구 ...50
    30. 제1절 멀티미디어 동기화 기법 ...50
    31. 제2절 네트워크를 통한 MPEG-4 전송 ...53
    32. 제6장 제안된 멀티미디어 동기화 기법 ...56
    33. 제1절 기존 알고리즘과의 비교 ...56
    34. 제2절 제안된 동기화 기법의 개관 ...58
    35. 1. QoS 측정규준 ...59
    36. 2. 제안된 프로시저들 ...60
    37. 3. 메시지 흐름 ...61
    38. 4. 알고리즘에 쓰인 기호의 의미 ...62
    39. 제3절 멀티미디어 세션 초기화 프로시저 ...63
    40. 1. 프로시저 실행 과정 ...65
    41. 2. 멀티미디어 세션 초기화 프로시저의 예제 ...66
    42. 3. 기지국의 버퍼 관리 프로시저 ...67
    43. 4. 초기 버퍼 지연 할당 프로시저 ...73
    44. 5. 그 밖의 프로시저들 ...74
    45. 제4절 수학적 분석 모델 ...74
    46. 제7장 시뮬레이션 환경 모델링 및 결과분석 ...78
    47. 제1절 제안된 동기화 알고리즘의 성능 평가 ...78
    48. 1. 시뮬레이션 환경 설정 ...78
    49. 2. 시뮬레이션 파라미터 설정 ...82
    50. 3. 패킷 손실 모델 ...83
    51. 4. 시뮬레이션 결과 및 분석 ...84
    52. 제2절 우선순위 큐 관리 알고리즘 성능평가 ...87
    53. 1. VOP 종류에 따른 비디오 데이터의 수신율 ...87
    54. 2. 기지국의 큐 크기에 따른 비디오 데이터의 수신율 ...90
    55. 제3절 통합 환경에서의 성능평가 ...94
    56. 1. 실험 환경 ...94
    57. 2. 기지국에서의 수신, 송신 패턴 분석 및 수신율 비교 ...97
    58. 3. 재생된 비디오의 육안 인지 관점에서의 비교 ...100
    59. 제8장 결론 ...106
  • 참고문헌

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