Transcript Reaaliaikaisen videon siirto UMTS-verkossa hyödyntäen palvelun laatuluokittelua

VTT ELEKTRONIIKKA
Reaaliaikaisen videon siirto UMTS-verkossa
hyödyntäen palvelun laatuluokittelua
Diplomityöseminaari 28.10.2003
Timo Perämäki
[email protected]
Työn valvoja:
Työn suorituspaikka:
24.7.2016
Professori Raimo Kantola
VTT Elektroniikka, Oulu
1
VTT ELEKTRONIIKKA
Esitelmän sisältö
•
•
•
•
•
•
•
•
Johdanto
Hypoteesi
Metodiikka
Simulaatiot
Johtopäätökset
Parannusehdotukset
Lyhenteet
Esimerkkejä siirretyistä videosekvensseistä
24.7.2016
2
VTT ELEKTRONIIKKA
Johdanto
• Reaaliaikaisen multimedialiikenteen, kuten videon, siirto on haasteellinen
tehtävä, sille tunnusomaista on:
• kapasiteetin tarve
• siirtokanavan bittivirhesuhde alhainen
• tiukat viivevaatimukset
• Tehokkaat videonkoodausjärjestelmät, kuten H.263+, MPEG-4,
helpottavat tarvittavan kapasiteetin kanssa, mutta virheiden sieto kärsii
• Langattomassa kanavassa nämä korostuvat entisestään
• kaista rajoitettu, syntyy virheitä
• virhesuojausta voidaan parantaa käyttämällä kanavakoodausta
• Kanavakoodaus lisää siirrettävän tiedon määrää
24.7.2016
3
VTT ELEKTRONIIKKA
Multimedia-liikenteen erityispiirteitä
• Käytettävä sovellus on usein ääntä tai liikkuvaa kuvaa
• aistinvaraista
• Joissakin tapauksissa sallii virheitä tiedonsiirrossa sen kumminkaan
haittaamatta itse sovellusta ja sen käyttöä
• Kaikki bitit eivät ole siirrettävässä tietovirrassa samanarvoisia
24.7.2016
4
VTT ELEKTRONIIKKA
Hypoteesi
“Jos tiettyjä osia multimedialiikenteestä suojataan paremmin kuin toisia,
palvelun laatua pystytään parantamaan. “
24.7.2016
5
VTT ELEKTRONIIKKA
Mahdollistavat tekniikat
•
•
•
•
•
•
MPEG-4:n virheiltä suojautumisominaisuudet
Uusien puhekoodekkien ,AMR, AMR-WB “eritasoiset bitit”
Adaptiivinen kanavakoodaus
UMTS-verkon eri QoS-luokat
Epätasainen virheiltä suojautuminen, Unequal Error Protection, UEP
Epätasainen virheiden havaitseminen, Unequal Error Detection, UED
24.7.2016
6
VTT ELEKTRONIIKKA
Työn metodiikka
• Tutustuttiin kirjallisuustutkimus-osassa
• Tiedonsiirrossa käytetyt protokollat
• Videokuvan koodaus ja MPEG-4
• Kanavakoodaus
• Epätasainen virheiltä suojautuminen
• Rakennettiin simulaatiojärjestelmä, jolla voidaan vertailla videonsiirrossa
epätasaista virheiltä suojautumista “perinteiseen” tasaisteen virheiltä
suojautumiseen
• Tarkasteltiin simulaatioissa saatuja tuloksia
24.7.2016
7
VTT ELEKTRONIIKKA
Reaaliaikaisen multimedialiikenteen siirtäminen langattomissa IPverkoissa
•
•
•
•
MPEG-4
RTP, Realtime Transport Protocol
UDP, User Datagram Protocol
IP, Internet Protocol
Application using MPEG-4
RTP
UDP (Lite)
IPv6
Data Link Layer
Physical Layer
24.7.2016
8
VTT ELEKTRONIIKKA
IP-pohjainen pakettiliikenne langattomassa verkossa
• Virheiden havaitseminen, mm.
Tarkistussummia lasketaan eri
kerroksilla
• linkkikerros, IP(v4), TCP, UDP...
• IPv6:ssa ei ole tarkastussummaa,
mutta valtuuttaa ylemmän kerroksen
protokollan (TCP/UDP) laskemaan
tarkastussumman
->Bittivirheet paketeissa aiheuttavat
paketin poistamisen tiedonsiirron
aikana
• Täytyy löytää keino sallia virheitä
sopivassa määrin, mutta silti suojata
tiedon herkät osat:
• protokollien otsikot
• kuorman tärkeät osat, esim
MPEG-4-otsikot-, liike ja
muotokomponentit vs. textuuri)
24.7.2016
Application
TCP
UDP
IP
Host-to-network
9
VTT ELEKTRONIIKKA
Käytetty ratkaisu
• Jaetaan multimedia vuo kahdeksi eri tasoiseksi vuoksi, ja
priorisoidaan niitä sisällön mukaan
MPEG-4 virta
Käytetään MPEG-4:n
ominaisuuksia:
Videopaketit, Datan jaoittelu
Tärkeimmät bitit
Otsikkotieto
Myös tärkeät bitit
Vähemmän tärkeä tieto
Liike/muototieto
Tekstuuritieto
Jaetaan tieto eri
voihin ja
paketoidaan se IPpaketteihin
IP+UDP (Lite)+RTP otsikko korkealla
IP+UDP (Lite)+RTP-otsikko
IP QoS-arvolla
matalammalla IP QoS-arvolla
Tärkeimmät bitit
Myös tärkeät bitit
Vähemmän tärkeä tieto
...
Tiedon siirto eri virroissa eri
suojaustasoilla
Tiedon kokoaminen
takaisin yhteen
Tärkeimmät bitit
24.7.2016
Myös tärkeät bitit
Vähemmän tärkeä tieto
10
VTT ELEKTRONIIKKA
Systeemimalli
MPEG-4
MPEG-4 video
lähde
MPEG-4 vuon
jaoittelu
IP-pakettiliikenne IP-verkossa
IP pakettien
"mappays" UMTS
QoS -luokkiin
Paketoinnin purku
tiedon tarkistus
Tiedon
vastaanotto
UE:ssa
Tiefonsiirto UMTS-verkossa QoS-arvojen
edellyttämällä tavalla
SSI
RTP/UDP/IPpaketointi eri
QoS-luokkiin
MPEG-4 video
24.7.2016
Vastaanotettujen
tietovirtojen
yhdistäminen
takaisin yhdeksi
11
VTT ELEKTRONIIKKA
Simulaatiojärjestelmä
• OPNET-simulaattori, UMTS
specialized model-laajennus
• Implementoitiin asiakas-palvelinsovellus, joka sisälsi yksinkertaisen
RTP-protokollan ja siirsi MPEG-4
virtaa joko UEP:a tai perinteistä EEP:a
käyttäen
• Siirretyn videon laadun mittarina
käytettiin huippu-signaali-kohina
suhdetta, joka laskettiin alkuperäisestä
ja siirretystä videosekvenssistä
24.7.2016
12
VTT ELEKTRONIIKKA
Simulaatiot
Tasainen viirheiltä suojautuminen
Kuvanlaatu PSNR/dB
• Käytetty UEP-ratkaisu lisää
protokollien otsikkotiedon määrän
kaksinkertaiseksi
• Implementoitiin RTP/UDP/IPotsikoiden kompressio
• vastaa PDCP (UMTS Rel 99),
RFC 2507
Kompressio käytössä
30
25
20
15
10
5
0
Ei kompressiota
ajo 1
ajo 2
ajo 3
Keskiarvo:
•Otsikoiden kompressoinnin vaikutus
•Simulaatioissa ajettiin 3 ajoa
•Videopaketin maksimipituudeksi
asetettiin 10000 bittiä
•etäisyys tukiasemasta 1000 m
•Siirrettäessä pieniä paketteja
kompressio parantaa laatua
24.7.2016
Kuvanlaatu PSNR/dB
Epätasainenvirheiltä suojautuminen
Kompressio käytössä
30
25
20
15
10
5
0
Ei kompressiota
ajo 1
ajo 2
ajo 3
Keskiarvo:
13
VTT ELEKTRONIIKKA
MPEG-4-kooderin synnyttämien videopakettien koon vaikutus
• Säädettiin MPEG-4-enkooderin
muodostamien videopakettien
maksimikokoa välillä 2000-16000 bittiä
• Etäisyys tukiasemasta 1000 m
• Kuvaajassa esitetty kolmen ajon
keskiarvo
24.7.2016
25
20
PSNR/dB
• UEP:a käytettäessä pienet
videopaketit muodostavat paljon pieniä
IP-paketteja, mikä näkyy verkon
ruuhkautumisena ja videokuvan
laadun huononemisena
• Yli 10000 bitin maksimikoolla
videopakettien koot eivät merkittävästi
vaihdelleet käytetyllä sekvenssillä
30
EEP1/2
15
EEP1/3
UEP
10
5
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Paketinkoko/bittiä
14
12000
14000
16000
18000
VTT ELEKTRONIIKKA
Etäisyyden vaikutus
• Päätelaitteen etäisyyttä tukiasemaan
muutettiin välillä 400m -2000 m
• Videopaketin maksimikoko 10000 bittiä
35
30
• Kuuluvuus päättyi 1800 metrin jälkeen
täysin
PSNR7dB
25
20
15
EEP 1/2
EEP 1/3
10
UEP
5
0
0
500
1000
1500
Etäisyys/m
24.7.2016
15
2000
VTT ELEKTRONIIKKA
Johtopäätökset
• Käytetyllä UEP-mallilla saavutetaan parannusta siirretyn videon laatuun
• Käytettyjen parametrien valinta tärkeää
• Otsikoiden kompressointi kannattaa
• Tulee käyttää suurta videopaketin kokoa MPEG-4 enkoodauksessa
• Käytetty enkooderi/dekooderi vaikuttavat paljon lopputulokseen
• Optimointi
• PSNR ei aina paras laadun mittari
• Subjektiivisesti arvioituna tulokset saattavat vaihdella
• Virheet intra-kehyksissä vaikuttavat paljon kuvanlaatuun
• parempi suojaus parantaisi laatua
• Virheet näkyvät selvästi ja usein myös pitkään
24.7.2016
16
VTT ELEKTRONIIKKA
Parannusehdotuksia
• Tämänhetkinen OPNET:in UMTS-malli hylkäsi virheelliset paketit jo
alemmilla kerroksilla
• Tulisi tutkia myös virheellisten pakettien perille pääsyä
• UDP Lite:n implementoiminen simulaatioympäristöön
• UDP Lite mahdollistaa kuorman ja otsikoiden osittaisen
suojaamisen tarkistussummalla
• MPEG-4:n intra-kehysten parempi suojaus
• Enkooderin ja dekooderin modifioiminen paremmin UEP-siirtoon
• Enemmän simulaatioajoja erilaisilla videosekvensseillä
24.7.2016
17
VTT ELEKTRONIIKKA
Lyhenteet
AMR
EEP
IP
MPEG
PDCP
PSNR
RTP
QoS
SSI
UDP
UED
UEP
UMTS
Adaptive Multi-Rate Codec
Equal Error Protection
Internet Protocol
Motion Pictures Experts Group
Packet Data Convercence Protocol
Peak Signal-to-Noise Ratio
Realtime Transport Protocol
Quality of Service
Source Side Information
User Datagram Protocol
Unequal Error Detection
Unequal Error Protection
Universal Mobile Telecommunications System
24.7.2016
18
VTT ELEKTRONIIKKA
Esimerkkejä siirretyistä sekvensseistä
Alkuperäinen koodaamaton videosekvenssi
24.7.2016
19
VTT ELEKTRONIIKKA
Esimerkkejä siirretyistä sekvensseistä
•Tasainen virheiltä suojautuminen
•Ensimmäinen intra-kehys osittain tuhoutunut
•PSNR 23.9 dB, 1. kehys 7.2dB
24.7.2016
•Epätasainen virheiltä suojautuminen
•PSNR 28.4 dB
20