The recent increase in Internet traffic over wireless networks has primarily resulted from the increase in mul-timedia service traffic. For example, video services such as YouTube, private broadcasts, and video surveillance have become a key medium through which personal and business videos can be disseminated to the public, and it also promotes the creation of videos. In addition, Internet protocol television (IPTV) like Netflix is becoming a popular service and its service area extends from wired devices to wireless devices with the support of network bandwidth increases. Therefore, multimedia service traffic over IEEE 802.11 wireless networks is continually increasing and will continue to increase.
In order to provide enhanced quality of experiences (QoE) to mobile users, two major issues should be care-fully addressed. First, video quality degradations during wireless transmission should be minimized to provide enhanced quality of video services. Due to various types of interference (e.g., channel interference, hidden ter-minal problems, congestion, etc.), the wireless transmission of multimedia service traffic is error-prone. Fur-thermore, mobile users can experience various service quality degradations even if the wireless network band-width is sufficient to support the transmission. For example, mobile users experience various video quality deg-radations when they use multimedia services including buffering delays, connection losses, and freeze frames. In order to solve this video quality degradation issue, an error-resilient video transmission schemes should be further studied. Second, the secure transmission of multimedia service traffic should be provided to prevent threats on privacy and social security, and the illegal use of commercial video contents. The eavesdropping by cyber-attackers can be a serious problem as a wireless transmission technique becomes a general medium for transmitting recorded video. For example, Iraqi militants intercepted transmitted surveillance video from a military unmanned air vehicle (UAV), called Predator, with simple data-leeching software that costs only $26. In addition, privacy protection can also be significantly threatened when video surveillance devices are eavesdropped. In the case of the kindergarten CCTV operated by Hong Kong Society in 2015, CCTV was installed inside a children’s toilet. In order to solve this secure transmission issue, multimedia service traffic should be transmitted with appropriate encryption schemes.
Therefore, this dissertation presents a secure and error-resilient video transmission framework that can provide an adaptive video encryption with battery-conservation and an error-resilient transmission of recorded video on a per-packet over wireless networks. In order to provide the secure and error-resilient video transmission of recorded video, the significant subset of H.264/AVC recorded video over MPEG-2 transport stream (TS) that has critical impact on decoding, called critical video data, is identified and reallocated on a per MPEG-2 TS packet basis within the unit of inter-frame dependency. The reallocated critical video data can be transmitted with different transmission priorities on a per IP packet basis to achieve error-resilient transmission of recorded video. Furthermore, the reallocated critical video data can also be adaptively encrypted by considering currently available computing power.
The evaluation results on IEEE 802.11 testbed with standard definition and high definition videos demonstrate that the proposed scheme has significant performance enhancements over the conventional video frame prioritization scheme in terms of transmission overhead, transmitted video data utilization, peak signal-to-noise ratio, and subject quality test. In addition, further evaluation results on testbed with Raspberry Pi and AR.drone demonstrate that the proposed framework provides an enhanced video transmission security with less than half of the battery power consumptions that would be required by the fully-encrypted transmission scheme.
최근 무선 망을 통한 인터넷 트래픽의 증가는 멀티미디어 서비스 트래픽의 급증에 기인하고 있다. 예를 들자면, 유튜브, 개인방송, 비디오 감시 등과 같은 비디오 기반 서비스들이 개인 및 상업용 비디오들을 대중화하는 데 큰 기여를 하고 있으며, 이를 기반으로 한 비디오 컨텐츠의 창작을 이끌고 있다. 또한 넷플릭스와 같은 IPTV 기반 서비스가 대중화 되면서, 유선망을 통한 서비스의 제공을 넘어 서비스 가능한 대역폭을 제공하는 무선 기기들에서의 비디오 서비스들도 대중화되고 있다. 그 결과, IEEE 802.11 과 같은 무선 망을 통해 전송되는 멀티미디어 서비스 트래픽이 지속적으로 증가하고 있다.
무선 망을 통해 접속한 모바일 유저들에게 보다 향상된 QoE 를 제공하기 위해서는 다음과 같은 두 가지 주요 이슈사항들을 해결해야만 한다. 첫째, 무선 망을 통한 전송 시 발생할 수 있는 비디오 품질 저하의 문제를 해결해야만 한다. 채널 간섭, 히든 터미널, 병목 등의 다양한 간섭 들로 인해 무선을 통한 멀티미디어 서비스 트래픽 전송은 오류에 취약하다. 더욱이, 모바일 유저들은 네트워크의 대역폭이 충분한 상황에서도 버퍼링 딜레이, 연결 끊김, 영상 멈춤 등의 다양한 서비스 품질 저하 현상을 경험할 수 있다. 따라서, 이와 같은 현상을 해결하기 위한 오류에 강건한 비디오 전송 방법에 대한 연구가 필요하다. 둘째, 보안성이 강화된 멀티미디어 서비스 트래픽의 전송에 대한 연구를 통해 개인정보 및 사회 안전과 관련된 비디오의 보안성에 대한 보장과 더불어 상업적 컨텐츠의 불법적인 사용을 방지할 수 있어야 한다. 사이버 공격자에 의한 도청은 무선 전송이 보편화됨에 따라 심각한 문제로 자리잡아 가고 있다. 예를 들자면, 이라크 병사들이 군용 무인항공기에서 녹화된 감시 임무 영상을 26 달러의 저가형 소프트웨어를 통해 탈취한 사건이 발생했었다. 또한, 2015년 홍콩에서는 유아원의 화장실 안에 설치된 CCTV 로 인해 원생들의 프라이버시가 침해될 수 있다는 우려가 제기되었다. 따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위한 전송 영상을 상황에 맞게 적절히 암호화하여 전송하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 영상 전송 시 보안성 및 오류 강건성을 제공하는 것을 목적으로 하는 비디오 전송 프레임워크를 제안하여 위와 같은 이슈사항들을 해결하고자 한다. 이를 위해, 제안한 프레임워크에서는H.264/AVC 로 기록되고 MPEG-2 transport stream (TS) 로 패킷화된 비디오를 구성하는 데이터 중 비디오 클라이언트에서 디코딩 시 중요한 역할을 수행하는 중요 비디오 데이터(critical video data)를 MPEG-2 TS 패킷 단위로 식별하고, 이를 프레임간 종속 구조 (inter-frame dependency) 내에서 재배열하였다. 이와 같이 재배열된 중요 비디오 데이터들은 IP 패킷 단위로 차등화된 전송 우선순위를 가지고 전송될 수 있으며, 또한 현재 사용 가능한 컴퓨터 자원량에 따라서 유동적으로 암호화되어 전송될 수도 있다.
IEEE 802.11 기반 테스트 베드에서 SD 및 HD 영상을 이용한 실험 결과는 제안한 비디오 전송 프레임워크가 기존의 프레임 기반 우선 순위 전송 방법에 비해 전송 오버헤드, 전송된 비디오 데이터의 활용도, PSNR, 사용자 품질 측정 면에서 보다 우수함을 보였다. 또한, 라즈베리 파이 및 AR. Drone 을 이용한 테스트베드에서 수행한 비디오 전송 실험 결과는 제안한 비디오 전송 프레임워크가 기존의 전체 비디오 암호화 방식에 비해서 보다 적은 량의 배터리 소모를 발생시키면서도 유사 방법들에 비해 향상된 보안성을 제공함을 선보였다.
