정보처리기사 필기 - 5과목(데이터통신) (2019), 고해상도 비디오의 저지연 IP네트워크 전송 구현 기술
한국통신학회 2017년도 추계종합학술발표회 고해상도 비디오의 저지연 IP네트워크 전송 구현 기술 요 약 본 논문은 TCP/IP 네트워크로 고해상도 비디오 및 오디오를 실시간/저지연으로 전송하기 위한 비디오 입출력 처리 구조를 기술하였고, 이를 ASIC 반도체로 구현하였을 때 기존의 기술 제품과 시스템 수준에서 그 결과를 비교하였다. Ⅰ. 서 론 비디오/오디오를 인터넷으로 전송하는 기술은 상용화 되어 IPTV 로 서비스 되고 있으며 그 매출은 성장이 더딘 인터넷 매출액 수준으로 지난 10 년간 급격히 성장하였다. [1] IPTV 서비스를 비롯한 기존의 비디오/오디오 전송 서비스는 1~3 초의 지연시간을 허용하였으나, PC, 셋톱박스 등의 비디오를 직접 보면서 사용자의 반응을 실시간으로 비디오에 반영하여 다시 보여주는 기술이 VR(가상현실)/AR(증강현실), 드론 조정, VDI (virtual desktop infrastructure) 의 등장으로 매우 중요한 핵심기술이 되고 있다. 본 논문에서는 고해상도 비디오/오디오를 실시간으로 네트워크로 송수신 하는 기술 구현 지점으로서 반도체 설계 구조를 제시하고 실제 ASIC(application specific integrated circuit) 으로 구현하였을 때의 성능을 기존 기술제품과 비교 설명하였다. Ⅱ. 본론 1. 비디오의 IP네트워크 실시간 송수신 제약 사항 비디오 입력을 IP(Internet Protocol)네트워크로 보내기 위해서는 필수적으로 다음 과정을 포함한다. - 디지털化(digitalization) - 압축 (encoding) - IP 패킷 생성 - 네트워크 송수신 - 압축데이터 추출 - 재생 (decoding) - 비디오 출력 이들 과정을 실시간으로 처리하는 데 가장 큰 걸림돌은 고해상도 급(HD급 이상, high definition resolution) 일수록 디지털 데이터 처리 용량이 572 커진다는 것과 이를 압축하는 코덱 (CODEC)의 압축률이 좋을수록 동일 속도의 프로세서에서 그 처리 성능이 떨어진다는 것이다. 곧 실시간 성능이 그만큼 더 어려워진다. 이 중에서 비디오/오디오 입력의 디지털化는 물리계층 처리 IC (transceiver 또는 PHY)에서 실시간으로 처리되고 있기 때문에 그 이외의 처리 과정에서 저지연 (low latency) 또는 실시간 처리를 이루는 것이 관건이다. 2. 전문화된 부하 분산 멀티 프로세서 구조 이를 위해 위의 여러 처리 과정을 하나의 프로세가 아닌 여러 개의 프로세서로 부하를 분산하여 처리하는 구조를 채택하였다. (그림 1) 비디오 네트워크 전송단에서의 멀티프로세서 부하 분산 처리 구조 당사에서는 네트워크 기능 처리 과정의 IP 패킷생성, 송수신 패킷 분석, 트래픽 품질 보장(QoS, quality of 한국통신학회 2017년도 추계종합학술발표회 service)과 저전력 구현을 위해 자체 보유 네트워크프로세서를 사용하였다. 기존 CPU 와 GPU 로 구성된 처리 구조와 역할은 다음과 같다. - H사 CPU : 120msec latency, 4~5Watt, 440MHz, 45nm Ⅲ. 결론 본 논문에서는 비디오/오디오 (V/A)를 TCP/IP 네트워크로 전송하기 위해 V/A 입력을 디지털 압축하고, IP 패킷으로 만들고, 이를 전송하고 수신하여 재생하기까지의 처리 과정을 실시간으로 구현하는 처리 구조로서, 다중의 프로세서를 적용하여 부하를 분산하는 구조와 각 프로세서의 분담 역할을 제시하였고, 이를 반도체와 시스템으로 구현하였을 때 실시간, 저전력 효과를 실험하여 그 유효성을 보여주었다. ACKNOWLEDGMENT 이 논문은 2017 년도 정부 (과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기술진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임. (과제번호 2017-0-00794, 가상현실 콘텐츠 무선전송을 위한 모듈 개발) (그림 2) 비디오 네트워크 전송단에서의 CPU(중앙연산처리장치) 부하 집중 구조 3. 구현 기술의 실험 결과와 비교 위 부하 분산 처리 구조를 갖는 실시간 비디오/오디오 전송에 특화된 ASIC을 적용하여 모듈을 개발하였다. 참 고 문 헌 [1] 통신사의 TV 매출액, 인터넷 서비스 매출액에 다가섰다 - kt 와 LGU+, Netmanias Blog, Nov. 24, 2016 (그림 3) 실시간 비디오/오디오 IP 송신 모듈 동 모듈 기반의 시스템과 시장에서 IP 네트워크 송수신 기능을 갖는 제품을 기능 및 성능 측면에서 비교하였을 때 압축 효율이 더 좋은 AVC (H.264) 코덱을 사용하였음에도, M-JPEG 코덱을 적용한 제품보다 송수신 지연시간 (latency)이 약 50% 수준이었다. (표 1 참조) (표 1) 비디오 송수신 시스템 성능 비교 이를 반도체 수준에서 시장 제품과 비교하였을 때 130 나노 CMOS 공정으로 제작된 ASIC임에도 비교 시장제품 대비 전력소모는 40% 수준, 지연시간은 절반에 가까웠다. - 쿠오핀 ASIC : 60msec latency, 1.7~1.9Watt, 180MHz, 130nm 573