Recently, most of network providers consider that Internet Protocol TeleVision (IPTV) becomes the killer application of the next generation Internet because it provides new revenue opportunities for the providers. IPTV is a convergence of television,computing, and contents, as well as an integration of broadcasting and communication over IP-based networks and includes Video on Demand (VoD), Voice over IP, (VoIP), and traditional cable television services. Moreover, IPTV opens new enormous potential benefits by evolving business models in terms of types of contents, ways of viewingcontents, methods of broadcasting, and the level of interactivity between viewer andcontents.
As IPTV becomes important, most of network providers have been investing their access network infrastructure to provide broadband bandwidth to their customers because new video-based services, as popular IPTV services, require huge bandwidth than existing voice-based services. Then, access networks are developing to optical network technologies including Ethernet Passive Optical Networks (EPONs). Also, wireless access technologies such as WiMAX and WLAN are widely deployed to increase the access flexibility of IPTV user. Therefore, access networks become heterogeneous because various types of access networks are existing together andFixed Mobile Convergence (FMC) issue become one of the important property of IPTV to enhance the service flexibility. According to the demand of dramatic increment of network bandwidth, multicast transmission becomes one of the most important network technologies to support scalable IPTV because multicast can reduce the bandwidth consumption of IPTV by sending one copy of data per link.
To support scalable IPTV in access networks, this dissertation firstly proposes a IPTV network architecture over FMC networks based on EPON-based access networks that combines EPON and various types of last-mile connections such as Digital Subscriber Line (DSL), WiMAX, WLAN, and Ethernet. The EPON-based access networks can economically deliver IPTV data to various IPTV users through various types of last-mile connections. In EPON-based access networks, multicast transmission can be easily implemented in EPONs because EPONs deliver one data to multiple destinations without data copy through single shared medium. However, EPON-based access networks suffer from packet loss problem in last-mile connections such as DSL or wireless networks because physical interferences in DSL or wireless networks generates transmission error. Unfortunately, IPTV is a highly loss-sensitive servicebecause because the a few packet losses seriously degrade IPTV QoS which determines the satisfaction of IPTV users. Additionally, because EPON-based access networks broadcasts IPTV data in EPON domain, the performances of multicast transmission are affected by the number of associated receivers in EPON-based access networks. Therefore, this dissertation focuses on how to efficiently support multicast transmission in EPON-based access networks. New proposed schemes are proposed to increase the performance of IPTV by considering transmission characteristics of EPON-based access networks.
To solve the packet loss problem in EPON-based access networks, this dissertation secondly proposes a Selective Multicast Retransmission Scheme (SMRS) to efficiently retransmit of lost IPTV packets by considering the transmission property of EPON-based access networks, which consist of a shared Point-to-MultiPoint (P2MP) medium of EPON and dedicated Point-to-Point (P2P) media of last-mile connections such as DSL or wireless access. Therefore, the proposed SMRS selectively multicasts a retransmitted packet from an Optical Line Terminal (OLT) to some of receivers in a multicast group, which did not receive the packet, in order to prevent duplicated retransmission over EPON and unnecessary retransmission over last-mile connections. Performance results show that the SMRS can create the reduction of multicast traffic volume retransmitted in consideration of both transmission properties of EPON and last-mile connections sides in order to increase network bandwidth efficiency.
Thirdly, this dissertation proposes a new multicast scheduling scheme in EPON-based access networks to improve the performance of IPTV by considering the transmission property in EPON-based access networks. The proposed scheduling scheme consists of a multicast classification part, which differentially classifies multicast flows according to IPTV preference, and a multicast scheduling part, which differentially schedules the classified multicast flows according to IPTV preferences. Particularly, the multicast scheduling parts uses the proposed weight values from their preferences to proportionally allocate the resource of IPTV traffic. Performance results confirm that the proposed scheduling scheme can effectively enhance average performance of multicast transmission regarding delay and loss, specifically important to multimedia services.
Consequently, this dissertation proposes a scalable IPTV network architecture for efficient multicast transmission over FMC networks with EPON-based access networks. The EPON-based access networks have many advantages to support IPTV by providing huge bandwidth in access networks, by supporting cost-efficiency with passive optical splitter, by supporting extensibility with various types of last-mile connections, by easily supporting multicast transmission. Then, two additional proposed schemes, selective multicast retransmission scheme and new multicast scheduling scheme, enhance the efficiency of multicast transmission in EPON-based access networks. By doing so, network providers can economically provide IPTV without worrying IPTV QoS in access networks.
최근들어 IPTV가 새로운 수익을 창출시켜 줄 것으로 기대됨에 따라 대부분의 네트워크 사업자들은 IPTV를 차세대 인터넷의 킬러 애플리케이션으로 고려하고 있다. IPTV는 IP 기반 망에서의 방송 통신 융합 뿐 아니라 TV, 컴퓨팅, 콘텐트 기술들이 결합된 VoD, VoIP와 기존의 케이블 TV 기반의 서비스들을 말한다. 더욱이 IPTV는 콘텐트의 종류, 콘텐트를 보는 방법, 방송 방법 및 콘텐트와 이용자 사이의 상호작용 수준에 따라서 막대한 잠재성을 내포하고 있다.
기존의 음성 기반 서비스들과 달리 새로운 비디오 기반 IPTV 서비스들이 많은 대역폭을 요구하기 때문에 네트워크 사업자들은 그들의 고객들에게 광대역 서비스를 제공하기 위해 접속망에 새로운 투자를 하고 있다. 그에 따라 접속망은 EPON을 포함한 광 네트워크 기술로 발전하고 있으며 WiMAX와 무선랜 같은 무선 접속 기술도 IPTV 사용자의 접근의 유연성을 위해서 많이 주목을 받고 있다. 그러므로 다양한 종류의 접속 기술이 공존하는 접속망은 점차적으로 이종망 환경이 되어가고 있으며 IPTV 서비스의 유연성을 제공하기 위한 유무선 통합이 중요한 이슈가 되었다. 그리고 망 대역폭 수요의 극적인 증가에 따라 IPTV로 인한 대역폭 소비를 줄여줄 수 있는 멀티캐스트 전송은 효율적으로 IPTV 서비스를 제공하기 위해서 필요한 망 기술이 되었다.
접속망에서 효과적으로 IPTV를 지원하기 위해서 본 논문에서는 EPON 기반 접속망을 이용한 유무선 통합 망에서의 IPTV 망 구조를 우선적으로 제안한다. EPON 기반 접속망은 EPON과 DSL, WiMAX, 무선랜 및 이더넷과 같은 다양한 최종 구간 연결 (last-mile connections) 기술들이 결합되어 있다. 이러한 EPON 기반의 접속망에서는 EPON에서 하나의 공유 연결을 통해서 데이터의 복사 없이 여러 노드들에게 전송이 가능하기 때문에 쉽게 멀티캐스트 전송을 할 수 있다. 그러나 EPON 기반 접속망은 DSL 이나 무선 구간이 전송 오류를 일으키는 물리적인 간섭에 때문에 최종 구간 연결에서 패킷 손실 문제가 발생한다. 더욱이 QoS에 민감 서비스인 IPTV는 적은 수의 패킷 손실로도 QoS의 저하를 가져올 수 있기 때문에 패킷 손실에 더욱 민감하다. 또한 EPON 기반 접속망의 EPON 구간에서는 IPTV 패킷을 브로드캐스트 하기 때문에 멀티캐스트 전송의 성능은 관련된 수신자 수에 의해서 영향을 받는다. 그러므로 본 논문에서는 EPON 기반 접속망에서의 멀티캐스트 전송을 위한 QoS를 효과적으로 제공하기 위한 방법에 주목한다. 새로이 제안되는 기법들은 EPON 기반 접속망에서의전송 특성을 고려하여 IPTV 성능의 향상시키기 위해 제안된다.
EPON 기반 접속망에서의 패킷 손실 문제를 해결하기 위해 본 논문은 선택적인 멀티캐스트 재전송 기법 (SMRS)를 두번째로 제안한다. 제안하는 재전송 기법은 EPON 기반 접속망의 특징인 EPON 구간에서의 P2MP 연결과 최종 구간 연결에서의 P2P 연결을 고려하여 손실된IPTV 패킷을 효과적으로 재전송한다. 따라서 제안하는 재전송 기법은 EPON 구간에서 중복된 재전송을 막고, 최종 구간 연결에서 불필요한 재전송을 피하기 위해서 패킷을 손실한 멀티캐스트 그룹내의 일부의 수신자들에게만 선택적으로 재전송 패킷을 멀티캐스트한다. 성능 결과는 제안하는 재전송 기법이 망 대역폭 효율성을 향상시키기 위해서 EPON과 최종 구간 연결의 특성들을 모두 고려하여 재전송되는 멀티캐스트 트래픽의양을 감소시켰음을 보여준다.
세번째로 본 논문은 EPON 기반 접속망의 전송 특징을 고려하여 IPTV 성능을 향상시키기 위한 새로운 멀티캐스트 스케쥴링 기법을 제안한다. 제안하는 스케쥴링 기법은 IPTV 선호도를 가지고 멀티캐스트 플로우들을 분류하기 위한 멀티캐스트 분류 부분과 분류된 멀티캐스트 플로우들을 IPTV 선호도를 가지고 차별적으로 스케쥴하기 위한멀티캐스트 스케쥴링 부분으로 구성된다. 특히 멀티캐스트 스케쥴링 부분은 IPTV 선호도에 따라서 IPTV 트래픽에 자원을 비례적으로 할당하기 위한 제안하는 가중치를사용한다. 성능 결과는 제안하는 스케쥴링 기법이 멀티미디어 서비스에서 중요한 지연과 손실에 관련된 멀티캐스트 전송의 평균 성능을 효과적으로 향상시켰음을 보여준다.
결론적으로 본 논문은 EPON 기반 접속망으로 FMC 망에서 효율적인 멀티캐스트 전송을 위한 IPTV 네트워크 구조를 제안하였다. EPON 기반 접속망은 IPTV를 위하여 광대역폭을 제공하고, 수동 광 소자를 사용하여 경제적이며, 다양한 최종 구간 연결을 효과적으로 지원하고, 쉽게 멀티캐스트 전송을 제공할 수 있다. 추가적으로 제안하는 2가지 기법들은 (선택적인 멀티캐스트 재전송 기법과 새로운 멀티캐스트 스케쥴링 기법) EPON 기반 접속망의 멀티캐스트 전송의 효율성을 향상시켜 접속망에서 IPTV QoS에 대한 고민없이 경제적으로 IPTV를 제공할 수 있다.
