The volume of video traffic that is transferred through the data network has exponentially increased over the years since people began to consume the a large amount of video content through Over-The-Top (OTT) service of data networks rather than cable broadcast and terrestrial broadcast services. Especially mobile video traffic exceeded 50 percent of total mobile data traffic by the end of 2014 and grew to 55 percent by the end of 2014. In addition, it is expected that mobile video will increase 13-fold between 2014 and 2019, accounting for 72 percent of total mobile data traffic by the end of the forecast period. The dominance of video traffic is due in large part to the continued market leadership of video service provider such Youtube, Netflix, and other IPTV operators.
Therefore, this dissertation proposes two novel video delivery schemes that save the bandwidth consumption cost from a video server to terminals for Video-on-Demand(VoD) service in mobile networks. Those schemes are called 'Periodic Broadcast-based Hybrid transmission scheme'(PBH) and 'Segment-based Caching and Hybrid Multicast transmission'(SCHM).
The first proposed scheme, PBH, reduces bandwidth consumption of the source server in which the number of broadcast channels is infinite and the cache server does not exist. This PBH scheme combines unicast and with three periodic broadcasts: staggered broadcast, fast broadcast, and harmonic broadcast by the analysing average server bandwidth consumption models. The combining method and the periodicity of broadcast are determined based upon the video request rate and video length.
The second proposed scheme, SCHM, reduces bandwidth consumption cost of VoD service compared to existing schemes in mobile networks in which the number of multicast channels is limited and the cache servers are placed near access networks. SCHM combines multicast and unicast on the basis of the maximum number of multicast channels, video length and the request rate of the video content. SCHM also determines which segment of a video has to be stored in the cache server on the basis of the cache storage size and the determined video transmission scheme. SCHM minimizes unicast streams that cause large bandwidth consumption and reduces unnecessary multicast channels generation by separating the next recurrent multicast stream. In addition, it maximizes the caching effect by analysing bandwidth consumption cost generated by the video segment of unit size.
Performance evaluation results show that the proposed schemes reduced the video delivery cost compared to conventional schemes. To the best of our knowledge, this dissertation is the first research that concerns both multicast transmission schemes and the caching schemes that reduce bandwidth consumption cost in segment-level. This work is applicable to on-demand TV services that have a feature of asynchronous video content requests.
네트워크를 통해 전달되는 트래픽량은 수년 동안 기하급수적으로 증가하였고, 향후 더욱 증가하리라 예상된다. 과거 지상파나 케이블을 통해 전달되던 고화질의 비디오 콘텐츠가 모바일 데이터 네트워크를 통하여 전달되기 때문이다. 이와 같이 증가하는 비디오 콘텐츠로 인해 네트워크 내부의 트래픽이 폭증하는 상황에서 트래픽을 모두 수용하기 위해서는 네트워크 용량을 증설하여야 하지만, 비용상의 문제로 네트워크에서 전달되는 트래픽 자체를 줄이려는 노력이 있어왔다.
전송 측면에서는 데이터를 Point-To-Multi Point로 전송하는 브로드캐스트나 멀티캐스트를 통하여 백본에서 전달되는 트래픽량을 줄이려고 하였고, 서버 측면에서는 사업자 네트워크 엣지에 캐시 서버를 두어 소스 서버에서 캐시 서버까지의 트래픽량을 줄이려고 하였다.
그러나 브로드캐스트나 멀티캐스트는 현재 실시간 방송에만 적합하기 때문에, 비디오 콘텐츠에 대한 사용자 요청이 시간차를 두고 이루어지는 주문형 비디오 서비스(VoD)와 같은 경우에는 각 요청마다 각각의 유니캐스트를 생성하는 방법을 사용하고 있다. 이를 일부 개선시킨 방법으로 주기적 브로드캐스트와 같은 방법들이 제안되었으나, 단말의 요청시간에 비하여 플레이 시작시간이 차이가 많이 나거나, LTE의 eMBMS와 같이 멀티캐스트/브로드캐스트 채널 수가 한정된 상황 대한 고려가 없었다. 또한 기존 캐싱 방법은 단말이 접속망에서 비디오를 유니캐스트 전송만을 이용해서 수신한다고 가정하고 요청율만을 고려하여 비디오 콘텐츠 중심으로 캐시 서버에 저장함으로써 멀티캐스트 전송 환경에서 대한 고려가 없었다. 따라서 본 논문에서는 비디오 선호도(Popularity) 특성에 맞게 유니캐스트와 브로드캐스트/멀티캐스트를 조합하여 전송하는 방법과 멀티캐스트 전송이 가능한 환경에서 최적의 캐싱 방법을 제안한다.
첫번째로 제안하는 주기적 브로드캐스트 기반 하이브리드 전송 (Periodic-based Hybrid Transmission scheme)방법은 시작시간 지연 문제도 발생시키지 않으면서 서버에 요구되는 전송 대역폭을 줄이기 위하여 staggered broadcast, fast broadcast, harmonic broadcast에 각각 유니캐스트 전송을 결합하여 Hybrid Staggered Broadcast, Hybrid Fast Broadcast, Hybrid Harmonic Broadcast를 제안한다. 그리고 비디오 콘텐츠의 요청율, 콘텐츠 길이에 기반한 서버 대역폭 소모 모델링을 통하여 최적의 조합 방법과 요구되는 브로드캐스트 채널 반복 주기를 결정하여 전송한다.
두번째로 제안하는 세그먼트 기반 캐싱과 하이브리드 멀티캐스트 전송 방법(Segment-based Caching and Hybrid Multicast Scheme)은 unicast, staggered multicast 와 fast multicast를 조합하거나, unicast, staggered multicast, harmonic multicast를 조합하여 전송하여 비디오 트래픽 발생량 자체를 최소한으로 줄인다. 또한 전체 비디오 콘텐츠에 할당된 전송 방식을 고려하여 소스 서버의 트래픽 발생량을 최소화하는 캐싱 방법을 제안한다. 이 방법은 또한 LTE의 eMBMS와 같이 접속망에서 전송할 수 있는 멀티캐스트 채널 수가 한정되어 있는 상황을 고려한다. 성능 분석 결과, 캐시 서버의 저장 공간 크기에 관계없이 제안한 방법이 항상 최소의 비디오 전달 비용을 소모하는 것으로 나타났으며, 기존 방법에 비해 최대 50\% 이하로까지 감소시켰다.
결론적으로 본 논문은 비디오 트래픽 볼륨을 최소화하며 VoD 서비스를 제공하는 방법을 제시한다.
