Design and Implementation of Transmission Scheduler for Terrestrial UHD Contents

지상파 UHD 콘텐츠 전송 스케줄러 설계 및 구현

Abstract

In order to provide 8K UHD contents of terrestrial broadcasting with a large capacity, the terrestrial broadcasting system has various problems such as limited bandwidth and so on. To solve these problems, UHD contents transmission technology has been actively studied, and an 8K UHD broadcasting system using terrestrial broadcasting network and communication network has been proposed. The proposed technique is to solve the limited bandwidth problem of terrestrial broadcasting network by segmenting 8K UHD contents and transmitting them to heterogeneous networks through hierarchical separation. Through the terrestrial broadcasting network, the base layer corresponding to FHD and the additional enhancement layer data for 4K UHD are transmitted, and the additional enhancement layer data corresponding to 8K UHD is transmitted through the communication network. When 8K UHD contents are provided in such a way, user can receive up to 4K UHD broadcasting by terrestrial channels, and also can receive up to 8K UHD additional communication networks. However, in order to transmit the 4K UHD contents within the allocated bit rate of the domestic terrestrial UHD broadcasting, the compression rate is increased, so a certain level of image deterioration occurs inevitably. Due to the nature of UHD contents, video quality should be considered as a top priority over other factors, so that video quality should be guaranteed even within a limited bit rate. This requires packet scheduling of content generators in the broadcasting system. Since the multiplexer sends out the packets received from the content generator in order, it is very important to make the transmission time and the transmission rate of the process from the content generator to the multiplexer constant and accurate. Therefore, we propose a variable transmission scheduler between the content generator and the multiplexer to guarantee the image quality of a certain level of UHD contents in this paper.

대용량의 8K UHD(Ultra High Definition) 콘텐츠를 지상파 방송으로 제공하기 위해서는 현 지상파 방송 시스템으로는 제한된 대역폭 등 여러 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 UHD 콘텐츠 전송 기술이 연구되었고, 그 중 하나로 지상파 방송망과 통신망을 이용한 8K UHD 방송 시스템이 제안되었다. 해당 기술은 8K UHD 콘텐츠를 영역 분할한 후 계층 분리를 통해 이종망으로 전송하여 지상파 방송망의 제한된 대역폭 문제를 해결하고자 하였다. 지상파 방송망을 통해 FHD(Full High Definition)에 해당하는 기본 계층과 4K UHD를 위한 부가 향상 계층 데이터를 전송하고, 통신망으로 8K UHD를 위한 부가 향상 계층 데이터를 전송한다. 이러한 방식으로 8K 콘텐츠를 제공할 경우, 지상파로는 최대 4K UHD 방송을 수신 할 수 있고 통신망을 추가로 이용할 경우 8K UHD까지 수신가능하다. 그러나 현재 국내 지상파 UHD 방송의 할당된 비트율 내에서 4K UHD 콘텐츠를 전송하기 위해서는 압축율을 높여 전송하는 상황도 존재하여 일정 수준의 화질열화는 필연적으로 발생한다. 그럼에도 UHD 콘텐츠의 특성상, 화질은어떤 요소보다 최우선적으로 고려되어야 하므로 제한된 비트율 내에서도 화질을 최대한 보장할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 방송 시스템 내의 콘텐츠 생성기의 패킷 스케줄링이 필요하다. 콘텐츠 생성기는 방송망과 통신망을 이용한 8K UHD 방송 시스템내에서 인코딩된 미디어 데이터들을 패킷화하고 다중화기로 송출하는 기능을 수행한다. 다중화기는 콘텐츠 생성기로부터 전달받은 패킷 순서대로 송출하기 때문에 콘텐츠 생성기에서 다중화기로 전송하는 과정의 전송 시간과 전송률을 일정하고 정확하게 하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 일정 수준의 UHD 콘텐츠의 화질을 보장할 수 있도록 콘텐츠 생성기와 다중화기 간의 데이터 전송량 가변 전송 스케줄러를 제안한다. 이를 통해 UHD 방송 콘텐츠 종류에 관계없이 일정 수준의 화질을 보장하면서도 UHD 서비스의 끊김이나 지연을 최소화하여 사용자의 QoS(Quality of Service)를 향상시키고자 한다.

그림 1. 스케일러블 기능이 지원되는 SHVC 기법 Fig. 1. SHVC with Scalable Function

그림 2. MMT 구조와 기능 영역 Fig. 2. MMT structure and functional area

그림 3. 이기종망을 통한 MMT 기반 8K UHD 방송 서비스 아키텍처 Fig. 3. Service Architecture for 8K UHD Broadcasting Based on MMT over Heterogeneous Networks

그림 4. 토큰 버킷 및 리키버킷 스케줄링 기법 Fig. 4. Token Bucket and leaky bucket scheduling techniques

그림 5. MMT 기반 방송 서비스 시나리오 Fig. 5. MMT based broadcasting service scenario

그림 6. MMT 방송 생성기 구조 Fig. 6. Structure of MMT Broadcasting Generator

그림 7. 비디오 계층 구조 정리 Fig. 7. Hierarchical Structure of Video

그림 8. 제안하는 전송 스케줄러의 흐름도 Fig. 8. Proposed Transmission Scheduler Flowchart

그림 9. 8K UHD 방송을 위해 구현한 MPU 제너레이터와 MMTP 제너레이터 Fig. 9. MPU generator and MMTP generator implemented for 8K UHD Broadcasting

그림 10. MMT 방송 송․수신 시스템 Fig. 10. MMT Broadcasting and Receiving System

그림 11. 제안한 스케줄링 기법 적용 전후 모의실험 결과 Fig. 11. Simulation results before and after applying the proposed scheduling technique

표 1. 서비스 요구사항 Table 1. Requirements for the service