A Study on Uplink Video Transmission in Broadband Wireless Access Systems

Abstract

광대역 무선 통신 시스템의 하나인 IEEE 802.16 MAN 에서의 패킷 전송은 연결형 MAC 프로토콜 (connection oriented MAC protocol) 특성에 따라 전송 전에 기지국과 단말 간의 연결 설정이 이루어져야 한다. 이러한 연결 설정을 통해 단말이 전송하고자 하는 상향링크로의 모든 어플리케이션에 대한 QoS 관리, 대역폭 관리 등을 기지국 주도로 수행하게 된다. 모든 단말의 상향링크 패킷 전송을 위한 기지국의 자원 할당은 기본적으로 request-grant 메커니즘과 상향링크 스케줄링 메커니즘에 의해 수행된다. 본 논문에서는 이러한 상향링크 전송 메커니즘을 고려하여 비디오 트래픽과 같은 실시간 트래픽의 효과적인 전송 알고리즘들을 제시하고 그 성능을 분석하였다. 우선, GTAP-BRM (Game Theoretic Access Probability based Bandwidth Request Mechanism) 알고리즘이 WiMAX PMP 네트워크에서 실시간 트래픽의 효율적 전송방식으로 제안되었다. IEEE 802.16 에서 rtPS(Real Time Polling Service) QoS 클래스에 속한 연결은 비 경쟁 방식의 BW-REQ(Bandwidth Request)를 수행하도록 되어있다. 반면에, nrtPS(Non Real Time Polling Service)는 경쟁 기반 방식과 비경쟁 방식의 두 가지 모두를 수행할 수 있도록 되어있다. 제안된 GTAP-BRM 알고리즘에서는 두 개의 클래스 모두 경쟁 기반 방식으로 BW-REQ 를 수행할 수 있도록 하였다. 엄격한 지연 시간 제약을 가지는 실시간 트래픽과 같은 QoS 클래스는 매우 높은 평균 패킷 전송 성공 확률과 매우 낮은 평균 접속 지연 시간을 가져야 한다. 따라서, 제안된 GTAP-BRM 은 경쟁 기반 전송의 장점과 더불어 rtPS 연결에 대해서도 1 프레임 길이의 시간동안 거의 100%의 평균 성공 확률과 낮은 평균 접속 지연 시간을 가지도록 설계되어 이러한 실시간 트래픽의 요구조건을 만족함을 보여 주었다. 두 번째로, polling 기반의 전송 기법에서 실시간 트래픽 예측 메커니즘이 제안되었다. 제안된 알고리즘에서는 FMLP (Feed Forward Multi Layer Perceptron) 기반 시스템의 ANFIS(Adaptive Neuro Fuzzy Inference System) 이 VBR coded MPEG 프레임의 첫 번째 프레임의 길이를 예측하기 위해서 사용되었다. 트래픽 예측 알고리즘을 수행하는데 있어서 프레임의 길이는 chaotic time series 으로 모델링 되었고, step-ahead prediction 이 ANFIS 을 사용하기 위해서 수행되었다. 성능 평가 결과로부터 하나의 MPEG 소스로부터의 training time series 와 다른 MPEG 소스로부터의 training time series 를 위한 예측된 프레임의 RMSE(Root Mean Square Error)는 각각 2.08%과 2.14%가 확인되었다. 예측된 통계치는 WiMAX 의 rtPS 클래스에서 look-ahead 자원 할당을 위하여 사용될 수 있으며 이를 통해 MPEG 프레임을 위한 지연 시간을 줄이고 PLR(Packet Loss Ratio)를 향상 시킬 수 있다. 마지막으로 본 논문에서는 IEEE 802.16 기반의 광 대역 무선 접속 시스템에서 부호화된 MPEG 비디오 트래픽을 위한 상향링크 패킷 스케줄링 알고리즘이 제안되었다. 제안된 스케줄러에서는 GOP 의 개별적인 프레임을 우선순위화 시켰다. 제시된 우선순위화 알고리즘에서는 splitting video flow 을 다른 레이어로 나누고, 스케줄링을 위해서 각각의 프레임에 우선순위를 부여하고, 우선 순위에 따라 선택적으로 packet drop 을 수행한다. MPEG 프레임의 우선순위화 된 inter frame dependency 는 비디오 프레임로부터 분할된 비디오 패킷 전송의 새로운 순서를 만든다. 제안된 스케줄링 알고리즘의 성능평가로부터 I 와 P 와 같은 중요한 프레임은 낮은 PLR 을 갖게 되었고, 반면에 가장 작은 중요성을 가지는 B 프레임은 높은 PLR 을 가짐을 확인하였다. 본 논문에서 수행된 연구결과는 IEEE 802.16 MAN 시스템 뿐만 아니라 기지국 기반의 모든 무선 전송 시스템에서 상향링크 패킷 전송 메커니즘으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.