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이동 통신 사업자를 위한 Mobile Video Optimization 기술
Mobile Video Optimization for Mobile Operators
February 18, 2012 | By Netmanias (tech@netmanias.com)
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목차

1. 모바일 인터넷 비디오 트래픽의 폭증

인터넷 트래픽

모바일 인터넷 트래픽

2. OTT 비디오 전달기술과 무선망 환경에서 문제점

HTTP Adaptive Streaming

HTTP Adaptive Streaming의 문제

HTTP Progressive Download

HTTP Progressive Download의 문제

3. Mobile Video Optimization 기술

Video Pacing

Online Transrating/Transcoding

Dynamic Bit Rate Adaptation

4. 결 어

 

 

3. Mobile Video Optimization 기술


앞 장에서 설명한 바와 같이 현재 모바일 인터넷 비디오 트래픽들은 HTTP PDL 방식과 HTTP Adaptive Streaming 방식으로 단말로 전달되며 HTTP AS은 이미 단말 환경과 네트워크 환경을 고려하여 비디오 재생되는 비트율이 변화하여 로딩 현상을 없애고, 시청시간 내내 2초마다 청크 (2초 어치 비디오 파일) 요청을 서버로 보내 해당 청크를 다운로드 받게 하여 시청한 비디오 분량만큼만 다운로드하게 함으로써 불필요한 무선 대역폭 낭비를 없애 최적화된 기술이다.

 

반면에 HTTP PDL는 한번의 요청으로 파일 전체를 다운로드 받고 재생 가능한 분량만큼의 비디오 파일이 단말 버퍼에 도착하면 재생을 시작하는 기술이기 때문에 다운로드 속도가 인코딩율(즉 재생율)보다 빠르면 무선 대역폭 낭비가 발생하고 늦으면 로딩 현상이 발생한다.

 

따라서 HTTP PDL 방식을 사용하는 OTT의 경우 다운로드 되는 비디오 파일에 대해 통신 사업자 망내에서의 모바일 비디오 최적화(Video Pacing, Online Transrating/Transcoding, Dynamic Bit Rate Adaptation)가 필요하다. 현재 Cisco, Bytemobile, Openwave, Vantrix, Ortiva, Skyfire 등의 벤더들이 MVO 장비를 출시하고 있으며 본 보고서에서는 Cisco와 Bytemobile사의 솔루션 위주로 설명하겠다.


3.1 Video Pacing
Video Pacing은 HTTP PDL의 단점인 무선 대역폭 낭비를 막아 주기 위한 기술로 그 개념과 효과가 그림 5에 나타나 있다. 모바일 네트워크의 GGSN/PGW 상단에 또는 내장형으로 Video Pacing 기능이 있는 Mobile Video Optimization (MVO) 장비를 도입하여 단말과 OTT 오리진 서버간 구간을 단말과 MVO 장비, MVO 장비와 OTT 오리진 서버의 두 구간으로 스플릿시킨다. MVO 장비는 OTT 오리진 서버로부터 최대한 빠르게 다운로드 받아 큐잉을 해놓고 MVO장비가 단말로 전달해줄 때는 해당 비디오 파일의 원래 인코딩율을 자동으로 계산하여 인코딩율로 비디오 파일의 전송율을 Shaping(패킷레벨 쉐이핑임)하여 전달해주는 것이다. 이로 인해 MVO 장비와 단말사이에서는 인코딩율과 다운로드 속도가 같아져 마치 RTSP나 RTMP와 같은 실시간 스트리밍과 같은 효과를 준다.


이용자가 중간에 시청을 중단하면 MVO 장비는 더 이상 비디오 파일을 전달해주지 않으므로 무선 대역폭과 백홀 대역폭의 낭비는 없어지게 된다. MVO는 비디오 파일의 전송율을 조정하는 것이지 비디오 파일 자체는 수정하지 않는다. 즉 원래 OTT 오리진 서버에 있던 비디오 파일이 파일 사이즈가 100MB, 포맷은 FLV, Codec은 H.264, Frame Rate이 30 f/s, 인코딩율이 1Mbps, 해상도가 480p (853x480), 재생시간 10분인 파일이면 단말은 이와 똑 같은 파일을 MVO 장비로부터 전달받는다.

 

그림 5. Mobile Video Optimization: Video Pacing 개념과 효과

 

그림 6에 Video Pacing 절차가 나타나 있다. 자세한 세부 절차는 넷매니아즈 기술문서[무선 및 백홀 구간 대역폭 절감을 위한 비디오 최적화 기술 - Video Pacing]를 참조하면 된다.

 

그림 6. Mobile Video Optimization: Video Pacing 절차

 

여기서 이슈는 “MVO 장비가 어떻게 Shaping Rate을 정하느냐”이다. MVO 장비는 Shaping Rate의 결정할 때, OTT 오리진 서버와 연동이 없이 DPI를 통해 스스로 Shaping Rate을 결정한다. Cisco의 경우 MVO 장비가 HTTP Response 메시지와 비디오 메타 데이타를 보고 해당 비디오 컨텐츠의 인코딩율을 산출해 낸다. MVO는 DPI를 통해 해당 비디오 컨텐츠의 총 바이트 수와 재생 시간을 읽어 낸 후 해당 비디오 인코딩율을 계산한다.


Encoding Rate = Video File Size / Total Video Duration
Video File Size: HTTP Response Header의 Content Length [Byte]
Total Video Duration: Video Metafile의 Total Duration [Sec]

 

3.2 Online Transrating/Transcoding
앞에서 기술한 Video Pacing은 원래의 비디오 파일에 수정을 가하지 않고 단지 전달 패턴만 변경해주는 데 반해 Transrating과 Transcoding은 OTT 오리진 서버에 있던 비디오 파일에 수정을 가하여 HTTP Progressive Download 파일의 사이즈를 작게 만들어 백홀망과 무선 구간의 대역폭을 절약하게 해준다.


최귺에 도입되고 있는 Mobile Video Optimization 장비는 Online으로 Transrating/Transcoding을 수행하는 데 OTT 오리진 서버에서 이용자 단말로 전달되는 HTTP PDL 파일을 인터셉트하여 실시간으로 가공하여 대역폭을 줄인 후 단말로 전달해준다.


Video Bitrate을 얼마로 줄여줄 것인가-라는 이슈가 있는 데 이는 MVO 장비가 통신사업자 AAA와 연동하여 현재 단말 타입 (iPhone or iPad, 스크린 해상도, 3G or 4G)을 알아내 단말에 맞는 Video Bitrate을 선정한다.


그림 7에 Online Transrating/Transcoding의 개념과 효과가 나타나 있다. 모바일 단말은 iPhone이고 3G 무선 네트워크에 접속되어 있는 상황에서 OTT 오리진 서버로부터 480p (853x480, 1.25Mbps) 파일을 HTTP PDL로 전달받고 있는 상황이다.

 

이 때 단말과 OTT 오리진 서버간에 가용대역폭이 700Kbps 정도라면 단말은 10분짜리 비디오 파일을 10분내에 다운로드 받지 못한다. 따라서 로딩과 재생이 반복된다. 이 상황에서 MVO 장비가 도입되면 MVO 장비는 이 단말이 iPhone이고 3G임을 알고 480p로 인코딩된 파일을 실시간으로 240p(416x240, 500Kbps)로 변환하여 단말로 전달해주면 단말은 화질은 480p보다 떨어지지만 로딩없이 편안하게 동영상을 시청할 수 있다.

 

그림 7. Mobile Video Optimization: Online Transrating/Transcoding 개념과 효과

 

3.3 Dynamic Bit Rate Adaptation
Dynamic Bit Rate Adaptation (DBRA)은 네트워크의 상황에 따라 단말별로 HTTP PDL 비디오 파일의 비트율을 실시간으로 변경시켜 전달해주는 기술이다. 모든 단말에 동일한 비트율로 트랜스코딩된 비디오 파일을 전달해주는 것이 아니라 단말별로 다른 비트율을 적용하므로, 예를 들어 이동 중에 음영 지역/혼잡지역으로 들어간 단말 또는 4G에서 3G로 Hand-off하는 단말은 저품질 비디오 파일을 전달받고 에어 환경이 좋은 단말은 동일 컨텐츠에 대해 고품질의 비디오 파일을 전달받게 된다. 단말별 비트율의 결정은 Cisco의 경우 TCP connection을 모니터링하여 비디오 재생 중 Acked TCP Payload의 바이트수를 RTT로 나눈 값을 샘플링하여 현재 단말의 가용 네트워크 대역폭을 추론해 낸다.


DBRA는 단말과 MVO간에 가용 대역폭을 측정하여 가용 대역폭이 가변적인 모바일 망에서 실시간으로 화질을 낮추거나 높여 로딩없는 편안한 시청을 가능케 해주는 진일보한 기술로 HTTP Adaptive Streaming과 동일한 효과를 준다.

 

 

그림 8. Mobile Video Optimization: Dynamic Bit Rate Adaptation 개념과 효과

 

그림 9에 Dynamic Bit Rate Adaptation 절차가 나타나 있다.

 

그림 9. Mobile Video Optimization: Dynamic Bit Rate Adaptation 절차

 

DBRA는 HTTP Adaptive Streaming과 비교될 수 있는 데 둘 다 네트워크 상황이 좋지 않은 경우 고정 비트율을 고집하여 버퍼링이 발생하는 것보다 화질을 떨어트려 끊김 없이 지속적인 시청을 가능해 해주는 QoE(Quality of Experience)기술이다.


두 기술 모두 단말 별로 단말의 상황에 맞는 비디오 품질을 제공받는다는 점은 동일하나 HTTP Adaptive Streaming은 비트율의 변경을 단말이 결정하는 데 반해 Dynamic Bit Rate Adaptation은 네트워크에서 결정한다. 따라서 Microsoft Smooth Streaming을 이용하려면 단말에 Silverlight (Player)이 설치되어 있어야 하고 Adobe의 HTTP Dynamic Streaming을 이용하려면 단말에 Flash Player가 설치되어야 한다. 그런데 iDevice에는 Silverlight과 Flash Player가 지원되지 않으며 Android에도 Silverlight은 설치되지 않아 모든 타입의 단말에서 단일 HTTP Adaptive Streaming 기술을 적용하기가 어렵다. 정 하려면 특정 앱을 누굮가 개발하고 이용자는 이를 별도로 설치해야 한다.


그런데 Dynamic Bit Rate Adaptation은 HTTP PDL 기반이고 모든 타입의 모바일 단말은 HTTP PDL를 지원하고 있기 때문에 특별한 단말에 대한 요구사항이 없다. 따라서 OTT는 다양한 단말 타입 (Labtop/SmartPhone/SmartPad, iDevice/Android)에 대해 서로 다른 기술을 적용할 필요가 없다.

 

또한 Dynamic Bit Rate Adaptation은 하나의 파일에 대해 실시간으로 단말에 맞는 비트율로 실시간으로 트랜스코딩하여 전달하기 때문에 네트워크에서 비디오 품질별로 여러 개의 비디오 파일을 저장하고 있어야 하는 HTTP Adaptive Streaming과 달리 맋은 스토리지가 필요없다는 장점을 갖는다.

 

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이상흔 2012-11-12 16:45:36
안녕하세요. 늘 좋은 자료에 감사드립니다.
질문이 있어서 아래와 같이 남깁니다.
MVO 기술을 제공하는 장비는 OTT Origin Server로부터 전달받은 비디오 파일을 장비 내부적으로 Caching 하나요?
이후, 다른 단말로부터 동일한 비디오 파일에 대한 요청을 받으면 TIC 장비처럼 동작을 하나요?
넷매니아즈 2012-11-15 15:44:18
네. MVO 장비들도 비디오 컨텐츠를 캐싱합니다.

TIC은 OTT의 원본 비디오 파일을 그대로 캐싱하고
MVO 장비는 그대로 캐싱을 하거나 또는 모바일 단말의 화면 사이즈에 맞게
Transcoding/Transrating한 후 저장할 수도 있습니다.
rene 2013-01-29 18:48:05
I am writing to inquire about if your presentation "Mobile Video Optimization for Mobile Operators" is available complete in English. I am a student and at the moment I am working on a seminar paper to which your presentation would be very helpful.

If your paper is available in complete English I would be grateful if its possible to share to me.

Thank you for your help in this matter.
넷매니아즈 2013-01-30 11:14:09
Dear rene,

We have plan to provide English version for all documents in netmanias.com site.
However, I'm sorry there's no English version at this moment.
정동조 2013-02-27 09:21:44
좋은 자료 감사합니다.
Dynamic Bit rate adapation에 대한 질문인데요. MVO에서 실시간 Transrating이나 Transcoding하여 내려줄경우 Client쪽에서 문제없이 재생이 가능한것인지요? 아님 특수한 경우에 한해 DBRA가 동작하는것인지요? 기본적으로 Bit rate이나 frame rate이 바뀌어서 client쪽에 이를 알려줘야 할것 같은데 아님 바뀌어도 client가 재생하는데 문제가 없는 것인지요?
넷매니아즈 2013-02-27 16:52:43
Bit rate이 변하는 경우 client에서 재생시 재생 자체에는 문제가 없으나 화질이 떨어지거나 향상될 수 있습니다.
화질이 떨어지는 대신 끊김없이 시청하게 하려는 것이죠.

감사합니다.
정동조 2013-03-11 16:54:34
추가 질문인데요. 모든 파일 포맷에 대해 DBRA가 동작가능한 것인가요? 아님 일부 파일 (예, avi, flv 등)에서만 동작가능하나요?. Mp4 format에서는 metadata와 다르기 때문에 player에서 error가 날수 있다는 의견도 있는데요.
넷매니아즈 2013-03-12 22:59:40
DBRA가 (다른 비디오 최적화 기술도요..) 표준이 아니다보니 벤더 별로 지원하는 video type이나 단말 종류가 다릅니다.
예를들어 bytemobile의 경우 (이젠 Citrix죠, < https://www.netmanias.com/bbs/view.php?id=cshare&no=209 > Table 1 참조하세요),
Video Pacing (bytemobile 용어: Just-in-Time Delivery)은 flash, MP4, RTMP (laptops, smartphone, tablet)를 지원하고,
DBRA (bytemobile 용어: Dynamic Bandwidth Shaping)는 flash, RTMP (laptop) 만을 지원합니다.

수고스러우시겠지만, 벤더별 사이트를 찾아 확인해보셔야 겠어요..

감사합니다.
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