Performance of Uncompressed Audio Distribution System over Ethernet with a L1/L2 Hybrid Switching Scheme

In this paper, we propose a Ethernet based audio distribution system with a new L1/L2 hybrid switching scheme, and evaluate its performance. The proposed scheme not only offers guaranteed low latency and jitter characteristics that are essentially required for the distribution of high-quality uncompressed audio traffic, and but also provide an efficient transmission of data traffic on the Ethernet environment. The audio distribution system with a proposed scheme consists of a master node and a number of relay nodes, and all nodes are mutually connected as a daisy-chain topology through up and downlinks. The master node generates an audio frame for each cycle of 125us, and the audio frame has 24 time slotted audio channels for carrying stereo 24 channels of 16-bit PCM sampled audio. On receiving the audio frame from its upstream node via the downlink, each intermediate node inserts its audio traffic to the reserved time slot for itself, then relays again to next node through its physical layer(L1) transmission - repeating. After reaching the end node, the audio frame is loopbacked through the uplink. On repeating through the uplink, each node makes a copy of audio slot that node has to receive, then play the audio. When the audio transmission is completed, each node works as a normal L2 switch, thus data frames are switched during the remaining period. For supporting this L1/L2 hybrid switching capability, we insert a glue logic for parsing and multiplexing audio and data frames at MII(Media Independent Interlace) between the physical and data link layers. The proposed scheme can provide a good delay performance and transmission efficiency than legacy Ethernet based audio distribution systems. For verifying the feasibility of the proposed L1/L2 hybrid switching scheme, we use OMNeT++ as a simulation tool with various parameters. From the simulation results, one can find that the proposed scheme can provides outstanding characteristics in terms of both jitter characteristic for audio traffic and transmission efficiency of data traffics.

L1/L2 혼합형 중계 방법을 적용한 이더넷 기반 비압축 오디오 분배 시스템의 성능 분석

본 논문에서는 고품질 비압축 오디오 트래픽의 분배 시에 요구되는 낮은 지연 및 지터를 보장하고 이더넷 환경에서 데이터 트래픽의 효율적인 교환을 가능하게 하는 새로운 L1/L2 혼합형 중계 방식을 적용한 이더넷 기반 오디오 분배 시스템을 제안하고 성능을 분석하였다. 제안하는 방식이 적용된 오디오 분배 시스템은 마스터 노드와 다수의 중계 노드로 구성되며 이들은 상호간에 상향 하향 링크를 통하여 데이지 체인 형태로 연결된다. 마스터 노드는 스테레오 24채널에서 PCM샘플링된 16비트 오디오 채널을 수납할 수 있는 오디오 프레임을 125us의 주기마다 생성하여 하향 링크를 통해 전송한다. 하향 링크를 통하여 오디오 프레임을 수신한 중계 노드들은 생성한 오디오 트래픽을 해당 노드에게 할당된 오디오 채널에 수납하고 다음 중계노드로 물리 계층 기반(L1)의 전송을 한다. 망의 종단 노드는 수신되는 오디오 프레임을 상향 링크를 통하여 마스터 노드로 루프백시키고 오디오가 상향 링크를 통하여 전송되는 과정에서 모든 중계 노드들은 자신이 수신해야 할 오디오 채널을 복사하여 오디오를 재생한다. 오디오 프레임의 송신이 완료되면 남은 기간 동안 중계 노드들은 L2 스위치로 동작하면서 데이터 프레임을 데이터 링크 계층 기반(L2)에서 교환한다. 이와 같은 L1/L2 혼합형 중계 방식의 동작을 위해 노드 입력 부의 물리 계층과 데이터 링크 간에 존재하는 MII에 오디오 프레임과 데이터 프레임을 구분하는 기능을 가지는 글루로직을 새로 추가하였다. 제안된 방식에 대하여 네트워크 시뮬레이터인 OMNeT++를 사용하고 다양한 파라미터를 통하여 제안된 방식이 오디오 트래픽의 지연 특성과 데이터 트래픽의 전송 효율 면에서 우수한 특성을 제공할 수 있음을 보였다. 제안된 방식은 물리 계층 기반의 전송 또는 데이터 링크 기반의 전송 방식을 사용하는 기존 이더넷 기반 오디오 분배 기술에 비하여 향상된 지연 성능 및 전송 효율을 제공할 수 있어 오디오분배 시스템뿐만 아니라 비디오분배 시스템, 디지털 AV장치 간의 연결 등에도 활용될 수 있다.