처리율로 대표되는 전반적인 TCP의 성능은 패킷 손실이 발생했을 때 이를 복구하는 과정의 효율성에 의해 크게 좌우된다. 특히, 무선 링크를 통한 전송 과정에서의 비트 오류로 인해 발생하는 비 혼잡 패킷 손실은 TCP의 손실 복구 성능을 크게 저하시키는 문제점이 있다. 본 논문에서는 무선 채널에 존재하는 다중 경로 페이딩(multipath fading)에 의해서 상호 연관성을 가지고 연속적으로 발생하는 패킷 손실(correlated packet Losses)에 대해 TCP 손실 복구 과정의 성능을 모델링을 통해서 분석한다. Markov 프로세스를 이용한 분석 결과를 바탕으로 전체적인 패킷 손실 확률이 매우 낮더라도 패킷 손실의 연속성이 손실 복구 차원에서의 TCP의 성능을 크게 저하시킬 수 있음을 보인다.
본 논문은 이동 컴퓨팅 환경에서 실시간 데이터의 전송시 발생하는 패킷 손실에 관한 문제를 다룬다. 현재 인터넷 상에서의 실시간 데이터 전송은 주로 RTP/RTCP 프로토콜[1]을 이용하는데, 이 프로토콜은 안정된 전송을 보장받지 못하며, 따라서 패킷 손실을 피할 수 없다[2,3]. 특히, 제한된 무선 대역폭과 높은 BER(bit error rate) 특성을 갖는 이동 컴퓨팅 환경에서는 기존의 인터넷보다도 더 많은 패킷들이 손실될 수 있다. 본 논문에서는, 이동 컴퓨팅 환경에서 실시간 데이터 전송시 발생되는 패킷 손실 특성을, 길버트 모델에 기초하여 확률적으로 분석하고, 이를 기반으로 새로운 복구 방법을 제안한다. 제안하는 실시간 데이터의 복구 방법에서는 패킷에 부가하는 잉여 데이터의 개수를 가변적으로 조절함으로써, 사용 중인 네트워크의 패킷 손실 특성을 반영할 수 있다. 특히, 잉여 데이터들의 오프셋 값들을 비연속적으로 설정함으로써, 간헐적이거나 연속적인 패킷 손실 모두에 대처할 수 있는 특징이 있다.
본 연구에서는 VoIP와 같은 패킷망에서 G.729 CS-ACELP 음성부호화기에 패킷 손실 은닉 알고리즘을 적용하여, 패킷 손실로 인한 음질 저하의 완화에 관한 실험을 수행하였다. 패킷 손실 은닉은 수신된 패킷으로부터 복호된 파형을 저장해두었다가, 손실이 발생하면 피치 동기가 맞도록 선택한 파형을 손실된 패킷자리에 대체하는 방법과 연속적인 손실 이후에 음성부호화기의 메모리를 초기화하는 방법에 기반하고 있다. 실제 VoIP 통화 실험에서 측정한 패킷 손실 분포에 대해 패킷 손실로 인한 음질 저하를 완화할 수 있음을 확인하였다.
실시간의 특성을 가지는 데이터의 경우 네트워크상에서 분실된 패킷을 복구시키기 위해서 FEC 방법을 사용한다. FEC는 최소한의 지연만으로 손실 패킷의 복구를 효율적으로 할 수 있는 장점을 가지고 있으나 네트워크상에서의 패킷 손실 특성에 많이 의존되는 경향이 있다. ITU-T의 Study Group 16 에서의 Real-Time Transport Protocol(RTP)를 사용하여 네트워크에서 분실된 패킷을 복원시키는 방법으로 Media-independent error-correction scheme을 정하였다. 이 Scheme에 의해 만들어진 error-correction을 위한 신호화 media bitstream은 UDP 에 의해 encapsulation될 RTP에 실리게 된다. Scheme은 real-time이라는 환경에 유리하도록 bandwidth 와 latency 그리고 cost를 최소화하려고 했으며 이에 따라 네 가지 scheme을 정하였다. 네 가지의 Scheme은 오버헤드와 지연시간이 크기가 차별화를 두어 네트워크 환경의 변화에 적응하도록 하였다. 그러나 네트워크 환경에 보다 더 탄력적이며 효율적으로 적응하기 위해서 또 하나의 scheme을 제안한다. 새로 고안한 이 다섯 번째 scheme은 scheme 3 에 비해 작은 latency를 가지고 장점이 있는 반면 연속적으로 분실된 패킷에 대한 복원확률이 다소 떨어진다. 하지만 scheme 1과 2에 비해서는 연속적인 패킷 분실의 복원확률이 높아 네트워크환경에 따라 scheme 4를 사용하면 네 개의 scheme을 사용하여 분실패킷의 복원을 하는 경우보다 보다 효율적인 전송과 복원이 이루어질 것이다.
기존의 가장 널리 쓰이는 전송계층 프로토콜인 TCP는 패킷 손실의 원인이 망의 혼잡 때문이라는 가정 하에 설계된 프로토콜로서 유선망과 고정 호스트로 이루어진 전통적인 네트워크에는 적합하지만 페이딩, 잡음, 간섭 등의 전송 에러가 발생하는 무선 환경에서는 전송 프로토콜로서 적용하기에 비효율적이다. 이것은 무선망에서의 비트 에러에 의한 패킷손실 역시 혼잡으로 간주하여 불필요한 전송 제어가 발생하기 때문이다. 본 논문에서는 무선 TCP 패킷의 전송성능을 향상시키기 위하여 연속적인 패킷 손실에 대한 제어와 TCP 윈도우 제어를 하여 불필요한 혼잡제어 알고리즘을 수행하지 않게 하는 개선된 SNOOP 프로토콜을 제안하였고 개선된 모듈의 성능을 모의실험을 통하여 확인하였다.
본 논문에서는 매체독립 FEC와 주로 무선통신에서 사용되는 인터리빙 기법의 장점을 접목한 인터리빙 FEC를 제안하였다. 패킷 손실 복구에 인터리빙 기법을 사용하는 이유는 손실의 영향을 분산시킴으로써 패킷 복구의 가능성을 높일 수 있다. 그러나 모든 데이터가 인터리빙 된다면 이는 심각한 패킷 지연을 야기한다. 따라서 인터리빙 FEC에서는 지연을 최소화하기 위해 잉여정보에 대해서만 인터리빙을 수행한다. 시뮬레이션 결과 인터리빙 FEC는 현재 인터넷 폰에서 널리 사용하고 있는 FEC에 비해 높은 복구율을 나타냈다. 특히 패킷 손실율이 높거나 연속적인 패킷손실이 발생하는 경우 더욱 유용하게 사용될 수 있다.
실시간 VoIP 네트워크는 지연, 지터 그리고 패킷손실과 같은 네트워크 장애요소로 인해 품질저하가 발생한다. 본 논문은 VoIP 음질 향상을 위해 잡음환경에 강인한 음성분류기반의 패킷손실 은닉 알고리즘을 제안한다. 제안된 방식에서는 음성신호로부터 추출된 다양한 특징들을 분석하고 이를 기반으로 획득된 적응적인 문턱값을 사용하여 수신단에 도착한 패킷을 분류한다. 정확한 신호분류 결과는 패킷손실 은닉에 사용된다. 그리고 선형 예측 기반의 손실패킷 은닉은 연속적으로 패킷을 은닉하거나 손실된 패킷복원 시 발생하는 메탈릭 아티펙트를 제거함으로써 고품질의 음성을 제공한다.
인터넷이 널리 보급이 되면서 인터넷을 이용한 다양한 서비스가 제공되고 있다. 이 중 인터넷 망을 이용한 음성통신서비스는 저렴한 가격에 그 사용비율이 점차 증가하고 있다. 그러나 기존 전화기의 회선교환방식과는 달리 패킷교환방식을 사용하기 때문에 패킷의 지연, 손실 및 지터 등으로 인해 음질 저하가 발생한다. 인터넷망에서 사용하는 음성부호화기는 자체적으로 PLC (Packet Loss Concealment) 알고리즘을 사용하고 있지만 연속적인 패킷 손실에 대해서는 취약하다. 본 논문에서는 개선된 G.729 PLC알고리즘과 G.711 Appendix I에서 사용한 PLC 알고리즘을 이용하여 연속적인 패킷 손실 하에서 음질 저하를 개선하기 위해 LP (Linear Prediction) 파라미터 보간, 여기신호 복원, 여기신호이득 복원 방법을 제안한다. 성능 평가 결과 기존 대비 약 11% 정도 성능이 향상 되었다.
무선망에서는 유선망에 비해 그 특성상 비교적 많은 패킷을 손실된다. TCP 프로토콜은 흐름제어나 에러정정, 혼잡 제어 등의 기능을 통해 보다 효율적이고 안정적인 통신을 지원하고 있다. 하지만 표준 TCP 프로토콜은 유선망의 특성을 고려하여 개발하였기 때문에 무선망에서 혼잡한 상황에서 패킷이 도달하지 못한 경우와 실제로 패킷이 손실되어 전달되지 못하는 경우를 구분하지 못한다. 최근까지 제시된 여러 이동망 TCP에 대한 논문은 무선망에서 패킷이 손실된 경우 혼잡 제어를 일어나지 못하게 하는 방법을 제시하고 있다. 본 논문에서는 TCP Persist Timer를 이용하여 혼잡제어를 회피하는 방법을 기존에 제시된 Snoop 프로토콜에 적용하여 자체적인 이동망상에서의 TCP 성능향상에 더하여 연속적인 에러에 대한 성능 향상을 제고하고 있다. 개선된 Snoop 프로토콜은 WZACK(Window Size Zero ACKnowledge Packet)을 이용하여 혼잡제어를 정지시킴으로써 비효율적인 혼잡제어를 막도록한다.
IEEE 802.11 무선 랜 기반 방송 서비스를 제공 할 때 한정적인 무선 자원을 이용하여 다수의 사용자들에게 원활하게 서비스하기 위해 유니캐스트 패킷 대신 방송 패킷을 이용한다. 방송 패킷은 일정한 대역폭을 사용하여 다수의 사용자들에게 동시에 패킷을 전송 할 수 있지만 손실 복원이 어려운 단점 있기 때문에 손실 특성 분석을 통한 효율적인 패킷 복원 방안이 요구 된다. 손실의 특성 중에서 일정 구간에서 다수의 패킷이 연속적으로 손실 되는 구간이 있는데 이를 버스트 손실 구간이라고 한다. 평균 패킷 손실율을 가지더라도 랜덤 손실과 버스트 손실의 특성에 따라 구간별 손실에 차이가 발생하기 때문에 같은 손실 복원 기법을 적용하더라도 복원율의 차이가 발생한다. 따라서 손실의 본질을 분석 하고 이를 고려한 손실 복원 방안에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 전송률에 따른 Wi-Fi 방송 실험을 통해 생성된 실제 손실 패턴을 바탕으로 4-상태 마코프 모델을 이용하여 버스트 손실의 특성을 분석 하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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