Recent development of wired and wireless home network technologies realizes the environment of digital home. And the swift advances in communication protocols, digital audio/video processing, and Internet technologies have brought many different services from communication, digital broadcasting reception, and home automation applications into the digital home. With the combination of home gateway providing the home backbone network, home server operating as a service station, and IP STB rendering the audio/video contents, the home entertainment services converging digital broadcasting services, multimedia services, and media sharing services can be provided.
But without any consideration of QoS, it is impossible to introduce the home entertainment services which invoke heavy traffic not to cope with. Digital home service provider has not still discovered the profitable business model of home network. It is partly because home network can not make a convergence between communication and broadcasting in the home.
In order to overcome those insufficiency of today's home network, this dissertation has intended to design the new home network system as a service station under which digital home is controlled, to provide the QoS guarantee mechanism in home network for video stream services with heavy traffic volume, and to devise the home convergence network based on the integrated home server.
The main topics of this dissertation are to design and implement the integrated home server, to present the switching structure enhancing the IPTV service, to analyze and simulate the performance of the QoS-enhanced switching, to design and implement the home MCU providing four-way video conferencing suitable for apartment complex area network, and to propose the QoS management mechanism for session-based video stream services in home convergence network and its performance analysis.
At first an integrated home server is designed and implemented. It does not simply combine personal computer with digital broadcasting set-top box, but integrate them by making the Ethernet switch mounted with packet forwarding enhanced for IPTV-aware service, by redistributing the MPEG-2 TS of the broadcasting channel to IP STB located in each room, and by uniquely controlling the video paths from personal computer, set-top box, and home automation modules to HDTV connected to the media decoder.
Secondly QoS enhancement for the IPTV-aware service is added to this integrated home server. The key idea is to separate multicast IP from unicast IP, and to reduce the processing load in CPU for unnecessary NAT for multicast IP forwarding. The effect of this forwarding structure is analyzed mathematically and simulated. The queueing model for the forwarding is presented, and the queue length and the waiting time are calculated based on the mathematical analysis. The simulation results show the obvious effect on QoS guarantee in the performance parameter of mean delay time.
Thirdly home MCU to provide video conference with standard definition video quality is designed and implemented. The home MCU has the voice and the video mixer. And all the sessions are controlled using SIP protocol. It operates in master or slave mode. The master mode of home MCU mixes the video and voice, and distributes the mixed media to the rest of home MCUs operated in slave mode.
Finally the home convergence network is presented with the emphasis on the QoS management mechanism. The basic idea of the QoS management mechanism is to provide all the video services based on session control. Then the bandwidth control per Ethernet port is possible to introduce in home network under the packet snooping in Ethernet switch. In this dissertation some session-based multimedia services are presented and the QoS management mechanism is proposed. And the effect of this mechanism is analyzed and simulated compared with the case of no bandwidth management for QoS. The simulation result shows that there is no guarantee of QoS in home convergence network without such a per-link bandwidth management based on session control.
최근의 유무선 홈네트워크 기술의 발전으로 디지털홈이 실현되고 있다. 통신 프로토콜, 디지털 오디오/비디오 신호처리, 그리고 초고속 인터넷 기술의 급속한 발달로 통신, 디지털 방송 수신, 그리고 홈오토메이션 응용에서 오는 많은 종류의 서비스들이 디지털홈에서 전개되고 있다. 홈네트워크의 백본을 제공하는 홈게이트웨이, 서비스 스테이션으로 동작하는 홈서버, 그리고 오디오/비디오 콘텐츠를 재생하는 IP STB와 함께 멀티미디어 서비스, 디지털 방송 서비스, 그리고 미디어 공유 등을 융합하는 홈엔터테인먼트 서비스가 제공될 수 있게 되었다.
그러나 QoS의 고려없이, 많은 트래픽을 야기하는 홈엔터테인먼트 서비스를 도입하는 것은 불가능하다. 디지털홈 서비스 제공자는 수익이 되는 사업 모델을 아직 찾지 못하고 있는데 이것은 부분적으로 홈네트워크가 댁내에서 통신과 방송 간의 융합을 이루지 못한 것에 기인한다.
본 논문은 위와 같은 홈네트워크의 미비점을 극복하기 위하여 디지털홈을 제어하는 서비스 스테이션으로서 새로운 홈네트워크 시스템인 통합 홈서버를 설계하고, 많은 양의 트래픽을 유발시키는 비디오 스트림 서비스 도입을 목표로 홈네트워크에서 QoS 메커니즘을 제공하며, 설계된 통합 홈서버에 기반하여 융합 홈네트워크를 제안한다.
본 학위 논문의 내용을 좀 더 자세히 보면 첫째로 통합 홈서버를 설계하고 구현하였다. 통합 홈서버는 PC, 디지털 STB, 그리고 홈게이트웨이의 통합 특징을 가지고 있다. 통합 홈서버는 인터넷을 통한 멀티미디어 서비스, 지상파와 케이블 방송망을 통한 MPEG-2 TS 기반의 디지털 방송 서비스를 수신한다. 게다가 홈오토메이션 서비스를 제공한다. 이러한 다재 다능한 특징은 홈서버가 홈네트워크의 중심 장비가 되며 거실의 HDTV 가까이에 위치하게 된다. 또한 세 개의 Ethernet 도메인을 제공하여 통신 사업자 및 케이블 망 사업자의의 초고속 인터넷, 그리고 아파트 단지망과 동시에 연결하여 이들 세 영역의 서비스의 융합이 통합 홈서버에서 일어나게 된다.
둘째로 IPTV 서비스를 인식하도록 QoS를 강화한 IP 패킷 포워딩이 통합 홈서버의 스위칭 구조에 부가되었다. 이것의 핵심 아이디어는 멀티캐스트 IP 패킷과 유니캐스트 IP 패킷을 분리하여 멀티캐스트 IP패킷은 Ethernet 스위치에서 곧바로 교환되게 하고, Unicast IP 패킷은 CPU로 보내져 NAT를 수행한 다음 다시 Ethernet 스위치에서 교환되게 하여 CPU가 NAT를 수행할 때 부하를 줄인다는 생각이다. 이를 위하여 큐잉 모델을 세우고 이 큐잉 모델을 바탕으로 수학적인 분석을 통하여 큐 길이와 그 대기시간을 계산하였다. 모의계산 결과는 평균 지연 시간의 성능 변수에 있어 분명한 QoS 보장 효과를 보여주고 있다.
셋째로 SD급의 비디오 품질을 가진 4자 화상회의를 통합 홈서버에서 제공하기 위하여 Home MCU를 설계하고 구현하였다. 가정에서 HDTV를 시청하면서 품질 높은 4자 화상회의 서비스를 즐기는 것은 상상하기 어려운 일이 아니다. 가족간 그리고 이웃간에 제공되는 HD 품질의 4자 화상회의 서비스는 Killer 응용 중의 하나가 될 것이다. Home MCU는 음성과 영상 믹서를 가지고 있다. 그리고 모든 세션은 SIP프로토콜을 기반으로 제어된다. Home MCU는 마스터 모드 혹은 슬레이브 모드로 동작한다. 마스터 모드의 Home MCU는 음성과 영상을 믹싱하고 슬레이브 모드의 Home MCU에 믹싱된 음성과 영상을 분배한다.
마지막으로 융합 홈네트워크를 QoS 관리 메카니즘에 중점을 두어 제안한다. QoS 관리 메커니즘의 기본적인 아이디어는 높은 우선순위를 가진 모든 비디오 서비스를 세션에 기반하여 제공하자는 것이다. 그러면 Ethernet 포트 별로 대역폭 제어가 가능하게 된다. 이 때에 필요한 Ethernet 스위치의 기능은 패킷 Snooping 기능이다. 다행히 IPTV 서비스는 IGMP 프로토콜과 IGMP snooping 기능에 의하여 제공할 수 있고, VoIP, 방송 채널을 홈네트워크에서 분배, SD품질의 방문자 영상 통화, 그리고 SD품질 영상의 4자 화상회의 서비스는 SIP 프로토콜을 이용하여 그 세션을 제어할 수 있다. 본 논문에서 세션 기반의 멀티미디어 서비스를 제공 하는 방법을 제시하고, QoS 관리 메커니즘을 제안한다. 제안된 메커니즘의 효과가 QoS 관리 메커니즘을 사용하지 않는 경우와 비교하여 분석하고 모의계산하였다. 모의계산 결과는 보면 Ethernet 스위치의 링크 별로 대역폭의 관리를 하지 않고는 QoS 보장도 없다는 것을 보여 준다.
