4G LTE‑Advanced 기반 영상 전송 성능 평가: 품질 저하 요인과 HARQ 효과 분석

본 논문에서는 채널 환경과 LTE‑A 설정값을 다양하게 변화시켰을 때, 물리 계층(physical layer) 에서 전송되는 비디오의 품질을 기준으로 LTE‑A 물리 계층의 성능을 정량적으로 규명한다. 구체적으로, 채널 품질이 변동함에 따라 달성되는 성능을 측정하고, 물리 계층에서 HARQ(Hybrid Automatic Repeat reQuest) 기능을 활성화했을 때의 영향을 평가한다. 영상 품질을 정량화하기 위해 차단(blocking) 현상과 흐림(blurring) 현상을 나타내는 두 가지 메트릭(metric) 을 사용하였다. 차단 메트릭은 블록 경계에서 발생하는 인공적인 경계선이나 색상 불연속성을 정량화하고, 흐림 메트릭은 영상의 세부 디테일이 손실되어 부드러워지는 정도를 측정한다.

이러한 메트릭을 통해 다양한 채널 조건(예: 신호 대 잡음비(SNR), 다중 경로 페이딩, 이동성에 따른 도플러 효과 등)과 LTE‑A 파라미터(예: 변조 방식, 코딩 레이트, 전송 대역폭, MIMO 안테나 구성 등)의 조합이 비디오 품질에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다.

시뮬레이션 환경은 3GPP 표준에 정의된 LTE‑A 시스템 레벨 시뮬레이터를 기반으로 구축되었으며, 테스트 비디오는 **다양한 해상도(720p, 1080p, 4K)**와 **프레임 레이트(30 fps, 60 fps)**를 포함한다. 각 비디오 시퀀스는 동일한 인코딩 파라미터(H.264/AVC 또는 HEVC)로 압축된 뒤, 채널 모델에 따라 전송된다. 채널 모델은 **AWGN(가우시안 잡음)**뿐만 아니라, ITU‑R P.1401에 정의된 도시 마이크로셀 환경을 모사한 다중 경로 페이딩 모델을 포함한다. 전송 과정에서 발생하는 **패킷 손실률(packet loss rate)**과 **지연(latency)**도 함께 기록되었으며, 이러한 네트워크 지표와 영상 품질 메트릭 간의 상관 관계를 분석하였다.

실험 결과는 채널 품질이 낮을수록 차단 현상이 심화되고 흐림 현상이 증가함을 보여주며, HARQ 기능을 적용하면 재전송을 통해 오류를 보정함으로써 전반적인 영상 품질이 향상되는 경향을 확인하였다. 또한, 하향 링크에서 최대 1 Gbps의 전송 속도를 달성할 경우, 고해상도 영상(예: 4K UHD)의 실시간 스트리밍이 가능함을 시뮬레이션을 통해 입증하였다. 반면, 상향 링크가 100 Mbps 수준에 머무를 경우, 사용자 단말이 업로드하는 영상 데이터(예: 실시간 방송, 클라우드 기반 영상 편집 등)의 품질은 제한적일 수 있음을 논의하였다.

또한, HARQ 재전송 횟수가 증가할수록 지연이 늘어나는 반면, 차단 및 흐림 메트릭 값은 현저히 감소하는 경향을 보였다. 이는 실시간 서비스에서 지연과 품질 사이의 트레이드오프(trade‑off)를 고려한 최적의 HARQ 설정값을 도출하는 것이 중요함을 시사한다.

최종적으로, 본 연구는 LTE‑A 물리 계층의 설계 및 최적화 과정에서 비디오 품질을 핵심 성능 지표로 활용할 필요성을 강조하고, 차단 및 흐림 메트릭을 기반으로 한 품질 평가 프레임워크가 실제 네트워크 운영 및 서비스 품질 관리에 유용하게 적용될 수 있음을 제시한다.

향후 연구에서는 5G NR(New Radio) 및 차세대 무선 접속 기술과의 비교를 통해 LTE‑A와의 성능 격차를 정량화하고, 머신러닝 기반의 적응형 비디오 전송 제어 알고리즘을 개발하여 동적인 채널 환경에서도 지속적인 고품질 영상 서비스를 제공할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.