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SK Telecom의 LTE-A 기반 비디오 서비스 - Btv mobile 서비스의 스트리밍 방식 분석
Analysis on SK Telecom's HDTV Streaming (SK Telecom HDTV Service based on LTE-A)
September 24, 2013 | By Netmanias (tech@netmanias.com)
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국내 최대 이동통신사인 SK Telecom는 2012년 7월경에 모바일 단말에서 실시간 방송과 VoD를 시청할 수 있는 Btv Mobile 서비스(SD/HD급)를 출시하였고, 올해 7월에는 LTE-A 상용화를 계기로 화질을 대폭 향상시킨 "Full HD" 서비스를 제공하기 시작했다. 아래는 이에 관련한 SK Telecom의 보도 자료이다.

 

[2013년 6월 26일, SK Telecom 보도 자료 ]

 

SK텔레콤은 LTE-A 상용화를 계기로 Full HD급 초고화질 방송?영상 콘텐츠와 멀티 네트워킹 서비스 등 고품질 ? 대용량 ? 다채널 서비스를 대폭 강화한다... 7월 초에는 55만 명의 유료 고객이 이용하는 LTE 망 기반 모바일 IP TV인 ’Btv mobile’에서 Full HD 급 채널 서비스를 제공한다. Full HD 급 영상 스트리밍 서비스는 4Mbps의 안정적 속도가 필요하며, LTE-A 환경에서 원활하게 제공할 수 있다. 1080p해상도의 Full HD급 모바일 스트리밍 구현은 Btv mobile 이 세계 최초다. 

※화질별 필요 속도- SD급: 1Mbps, HD급: 2Mbps, Full HD급: 4~8Mbps

 

본 블로그글에서는 SK Telecom의 Btv Mobile 서비스의 스트리밍 방식에 대해 기술적으로 분석해 본다. 

 

SK Telecom의 Btv Mobile 서비스를 통해 제공되는 실시간 방송 채널 (Live TV)는 총 70여개로 상당히 많은 데, 넷매니아즈에서는 이중에서 대표성이 있는 채널인 KBS1, KBS2, EBS, TvN, MLB 채널에 대해 스트리밍 방식을 분석하였다(테스트 수행 시점에서 MBC와 SBS는 SK Telecom Btv Mobile 서비스에서 제공되고 있지 않았음). 

 

SK Telecom의 Btv Mobile 서비스는 아래 표처럼 3개의 화질(Full HD, HD, SD)을 제공한다.

 

 

이용자는 저화질인 SD 화질, 고화질인 HD 화질, 초고화질인 Full HD 화질 중에 하나를 수동으로 선택하여 시청할 수 있다(편의상 화질을 구분하여 쓴 말이지 저화질, 고화질, 초고화질이지, 3 가지 화질 모두 깨끗하고 선명했다). 

 

아래 그림은 MLB 채널 (류현진 나오는...)에서 Full HD 화질을 선택한 화면이다.  

 

SK Telecom의 Btv Mobile 서비스: 3가지 화질을 지원 (Full HD, HD, SD)

 

 

 

실측을 통한 SK Telecom Btv Mobile 서비스의 스트리밍 방식 분석

 

SK Telecom의 Btv Mobile 서비스가 제공하는 3 가지 화질(Full HD, HD, SD)에 대해 비디오 스트리밍 방식을 실측을 통해 분석해보았다. 실측 환경과 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

 

실측 환경

  • 인터넷 서비스: SK Telecom LTE-A 서비스
  • 비디오 서비스: SK Telecom Btv Mobile 서비스/실시간 방송/KBS1, KBS2, EBS, TvN, MLB
  • 단말: 삼성 Galaxy S4 LTE-A 폰 

 

분석 결과 요약

 

1) 인코딩율

 

* SK Telecom의 경우 실제로 측정해보니 Playlist(Manifest) 파일상의 프로파일과 청크의 실제 인코딩율이 거의 동일하게 관측되었다(예 Playlist상의 BANDWIDTH=4096000이면 다운로드 받아 본 청크 파일의 인코딩율은 대략 4Mbps이였다). 

 

2) SK Telecom Btv Mobile 스트리밍 구조 (예 KBS2)

 

 

3) 비디오 전달 프로토콜

  • 3 가지 화질 모드 (Full HD, HD, SD)를 제공하며 각 화질별 인코딩율은 각각 대략 4Mbps, 2Mbps, 1Mbps이며 Codec은 모두 H.264이다.
  • 3 가지 화질 모드 모두 스트리밍 프로토콜은 Apple사의 ABR (Adaptive Bit-Rate) 스트리밍 프로토콜인 HLS (HTTP Live Streaming) 방식을 사용한다.
  • 3 가지 화질 모드 모두 Chunk Duration은 4초다. 
  • 화질은 이용자가 Full HD, SD, HD 버튼을 클릭하여 시청중 수동으로 변경한다. 
  • Full HD, SD, HD간에 Bit-Rate 스위칭은 없다.
  • 5개 채널 모두 Full HD와 HD 화질 모드에서는 시청 중 Bit-Rate 스위칭은 제공하지 않으며 선택된 단일 화질로 끝까지 재생된다(Not Adaptive Streaming).
  • KBS1, KBS2, EBS, TvN 채널의 경우 SD 화질 모드에서는 3개의 프로파일(1Mbps, 500Kbps, 64Kbps)이 존재하며 네트워크 혼잡 상황에 따라 시청중 자동으로 Bit-Rate 스위칭이 발생한다(Adaptive Streaming).
  • MLB 채널의 경우 SD 화질모드에서 시청중 Bit-Rate 스위칭이 지원되지 않는다.
  • 화질별로 차등 과금 개념은 없다.

  

1) Playlist Files 분석

  

Full HD와 HD 영상은 KBS1, KBS2, EBS, TvN, MLB 모두 Adaptive Streaming을 지원하지 않으며 SD 영상은 MLB 채널만 제외하고 나머지 4개 채널은 Adaptive Streaming을 지원한다.

 

■ Full HD

아래 그림에 KBS2 채널의 Full HD 화질 영상에 대한 Playlist와 Chunklist를 요청하고 수신하는 과정이 나타나 있다. 

  • Playlist를 보면 Full HD 화질 시청시 프로파일은 BANDWIDTH=4096000으로 단일 프로파일임을 볼 수 있다(즉, Bit-Rate 스위칭은 발생할 수 없다). 
  • Chunklist를 보면 각 청크의 Duration이 4초(#EXT-X-TARGETDURATION: 4)임을 볼 수 있다. Chunklist 요청을 받은 CDN 서버는 현재 가용한 4개의 Chunk 리스트(아래 캡춰예에서 96.ts ~ 99.ts)를 단말로 보내준다.

단말은 Chunklist를 수신한 후 4초 주기로 지속적으로 청크를 요청하여 영상 파일을 받아가게 된다.

 

 

 

■ HD

HD의 경우도 Full HD와 동일하며 부록 A에 첨부하였으니 참고하면 된다.

 

SD

SD의 경우는 KBS1, KBS2, EBS TvN은 3개의 프로파일을 가지며 Adaptive Streaming 방식이 적용되어 있고 MLB 채널의 경우는 단일 프로파일을 가지며 Adaptive Streaming이 적용되어 있지 않다.

 

아래 그림에 KBS2 채널의 SD 화질 영상에 대한 Playlist와 Chunklist를 요청하고 수신하는 과정이 나타나 있다.

  • Playlist를 보면 SD 화질 시청시 프로파일은 BANDWIDTH=1000000, 500000, 64000 (1Mbps, 500Kbps, 64Kbps)의 3개임을 볼 수 있다. 즉 SD 화질은 Adaptive Streaming이 적용되어 있음을 알 수 있다. 
  • Chunklist를 보면 각 청크의 Duration이 4초(#EXT-X-TARGETDURATION: 4)임을 볼 수 있다. Chunklist 요청을 받은 CDN 서버는 현재 가용한 4개의 Chunk 리스트(아래 캡춰예에서 47.ts ~ 50.ts)를 단말로 보내준다.

 

 

 

2) Chunk 요청 및 다운로드 패턴 분석

  

아래 그림은 Full HD 화질의 경우 Chunk를 요청하고 다운로드해가는 과정을 캡춰(Wireshark)한 그림이다.

  • Initial Buffering State:  초기에 3~4개의 Chunk를 Back-to-Back (요청하고 받고 받자마자 다음 Chunk를 요청하고...)으로 수신하여 빠르게 수신 버퍼를 채워놓고
  • Steady State:  이후 4초 마다 1개씩의 정기적으로 Chunk를 요청하여 받아 감을 볼 수 있다. 

* 이(초기에 미리 3~4개 Chunk를 빨리 땡기기)는 통신망을 가지고 있지 않아 네트워크 레이어의 QoS 지원을 받을 수 없는 OTT들의 전형적인 인터넷 비디오 전달 방식과 동일하다. 

 

 

 Full HD 화질의 Chunk 요청 및 다운로드 패턴 (Galaxy S4, SK Telecom LTE-A, SK Telecom Btv Mobile/Live)

 

3) Adaptive Streaming

 

아래 그림은 KBS2 Full HD 영상 시청 중 의도적으로 네트워크 품질을 저하시킨 후 저화질로 자동으로 Bit-Rate 스위칭이 발생하는 지 확인해본 시험 결과이다. 시청 시작부터 끝까지 Full HD 영상의 chunk만 요청하였으며 90초쯤에 의도적으로 네트워크 품질을 저하시켜도 Bit-Rate 스위칭은 발생하지 않고 버퍼링이 발생하였다. Full HD 영상에는 Adaptive Streaming이 적용되지 않았음을 확인할 수 있다(HD 영상도 마찬가지이다).  

 

 

 

 

아래 그림은 KBS2 SD 영상 시청 중 Bit-Rate 스위칭이 발생한 상황이다. 최초 시청시 profile 1(1Mbps)의 비디오가 전달되다가 네트워크 품질이 저하되면 profile 2 (500Kbps)로 자동으로 화질이 변경되는 것을 볼 수 있고 Adaptive Streaming이 적용된 것을 확인 할 수 있다.  

 

 

 

4) Chunk File 분석

  

아래의 표는 KBS2 채널에 대해 각 화질별 다운로드 받는 Chunk 파일(*.ts)을  캡춰하여 분석툴(MediaInfo)로 분석한 결과이다. 각 화질별 청크에 대한 정보는 블로그 글 마지막에 있는 부록 B에 첨부하였다.

 

비디오와 오디오는 하나의 파일(media-chunk#.ts)로 전달되며 Chunk Duration은 4초로 모두 동일하며, 인코딩률은 화질별로 1Mbps, 2Mbps, 4Mbps, 해상도는 480P, 720P, 1080P이다.

  

 실측된 화질 별 청크 정보

 

실제로 측정해보니 Playlist(Manifest) 파일상의 프로파일과 청크의 실제 인코딩율이 동일하게 관측되었다(예 Playlist상의 BANDWIDTH=4096000이면 다운로드 받아 본 청크의 인코딩율은 대략 4Mbps이였다). 

 

 

마치며 

  

SK Telecom Btv Mobile 서비스는 3개의 화질(Full HD, HD, SD)을 제공하고 있으며 특히 Full HD 영상은 인상적이였다.

 

"과연 어디까지 진화할 까"라는 생각이 들었다.

 

다만 염려되는 점은... 

 

Full HD와 HD의 경우 시청 중 이용자가 다른 화질로 수동으로 변경하지 않으면 시청 기간내내 처음 선택된 화질로 시청한다. 이로 인해 이번 테스트시 Full HD 화질로 시청할 때 간혹 버퍼링이 발생하곤 했다. 

 

향후 LTE-A 가입자가 증가하여 데이타 트래픽량이 현재보다 더욱 증가하고 또한 Btv Mobile 가입자수가 증가하여 Full HD 영상의 동시 시청자수가 증가했을 때 4Mbps가 넘는 Full HD 급 영상을 버퍼링없이 편안하게 볼 수 있을 지는 의문이다. 

 

SK Telecom의 Btv Mobile 서비스는 월정액 3천원의 유료 서비스이다. 이용자는 무료가 아니고 돈을 내고 비디오를 보는 이상, TV급의 편안하고 안정적인 품질을 기대한다. 

 

통신사업자가 끊김없는 비디오 서비스를 제공할 수 있는 방법은 

 

i) 돈을 쏟아 부어 지속적으로 도로(대역폭: 주파수, 백홀망 용량, SAE-GW 용량 등)을 넓히거나 

ii) 현재 도로 사정에 맞게 비디오 영상의 Bit-Rate을 단말이 자동으로 변경시키거나(Adaptive Streaming)

iii) 4Mbps로 인코딩되어 전달되는 비디오 파일을 MVO(Mobile Video Optimization) 장비가 실시간으로 네트워크 품질 상황에 따라 트랜스코딩하여 단말로 전달해주는 방안(Dynamic Bit-Rate Adaptation: DBRA)

 

을 생각할 수 있는 데, 

 

i)은 네트워크 비용이 너무 크고, iii)은 통신사업자가 자사의 비디오가 아닌 OTT의 비디오 파일을 가공하여 전달하는 기술로 비디오 파일 인코딩 및 전달 프로토콜에 대한 제어 권한이 없을 때 사용되는 기술이다. Btv Mobile 서비스는 SK Telecom의 서비스이고 또한 이미 한 컨텐츠를 3개의 화질로 인코딩하고 있으므로 ii)의 Adaptive Streaming 방식으로 진화하는 것이 가장 자연스럽다고 판단된다. 

 

향후 SK Telecom도 Full HD와 HD 영상에 대해 Adaptive Streaming 방식을 취할 것이라 예상해 본다(근데 왜 현재는 안하고 있지? 뭔가 애로가 있나?).

 

 

부록 A. Playlist and Chunklist (via Wireshark) 

 

KBS2 HD 영상Playlist와 Chunklist

 

 

부록 B. Chunk File Analysis (via MediaInfo)

 

KBS2 Full HD 영상 청크 파일 정보

 

 

KBS2 HD 영상 청크 파일

 

 

KBS2 SD 영상 청크 파일 (SD Profile 1: 1Mbps)

 

 

KBS2 SD 영상 청크 파일 (SD Profile 2: 500Kbps)

 

김반장 2014-11-02 13:28:26

좋은 공부가 되었습니다. 분석&작성에 고생많으셨겠네요. 수고에 감사드립니다!

윤광재 2015-10-02 19:00:06

정말 좋은 자료 감사 드립니다. Full HD와 HD 영상에 대해 Adaptive Streaming 방식을 사용하고 있지 않는 이유를 한번 알아 봐야 겠습니다.

장영우 2016-02-10 11:32:40

좋은 자료 감사합니다.

chunk list 당 몇개의 ts 파일을 받을지 정해져있을텐데, 어떻게 확인할 수있나요? (wireshark에서 확인가능한가요?chunklist가 내려오고 해당 ts를 다 받기도 전에 새로운 chunklist가 내려와서 문제가 되는 경우도 있나요?
있다면, 왜 chunklist가 새로 만들어졌는지 궁금합니다. 

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