Reaaliaikaisen%20videon%20siirto%20UMTS-verkossa%20hy

1
Reaaliaikaisen videon siirto UMTS-verkossa
hyödyntäen palvelun laatuluokittelua

• Diplomityöseminaari 28.10.2003
• Timo Perämäki
• timo.peramaki_at_hut.fi
• Työn valvoja Professori Raimo Kantola
• Työn suorituspaikka VTT Elektroniikka, Oulu

2
Esitelmän sisältö

• Johdanto
• Hypoteesi
• Metodiikka
• Simulaatiot
• Johtopäätökset
• Parannusehdotukset
• Lyhenteet
• Esimerkkejä siirretyistä videosekvensseistä

3
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

4
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

5
Hypoteesi

• Jos tiettyjä osia multimedialiikenteestä
  suojataan paremmin kuin toisia, palvelun laatua
  pystytään parantamaan.

6
Mahdollistavat tekniikat

• MPEG-4n 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

7
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

8
Reaaliaikaisen multimedialiikenteen siirtäminen
langattomissa IP-verkoissa

• MPEG-4
• RTP, Realtime Transport Protocol
• UDP, User Datagram Protocol
• IP, Internet Protocol

9
IP-pohjainen pakettiliikenne langattomassa
verkossa

• Virheiden havaitseminen, mm. Tarkistussummia
  lasketaan eri kerroksilla
• linkkikerros, IP(v4), TCP, UDP...
• IPv6ssa ei ole tarkastussummaa, mutta valtuuttaa
  ylemmän kerroksen protokollan (TCP/UDP) laskemaan
  tarkastussumman
• -gtBittivirheet 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)

10
Käytetty ratkaisu

• Jaetaan multimedia vuo kahdeksi eri tasoiseksi
  vuoksi, ja priorisoidaan niitä sisällön mukaan

11
Systeemimalli
12
Simulaatiojärjestelmä

• OPNET-simulaattori, UMTS specialized
  model-laajennus
• Implementoitiin asiakas-palvelin-sovellus, joka
  sisälsi yksinkertaisen RTP-protokollan ja siirsi
  MPEG-4 virtaa joko UEPa tai perinteistä EEPa
  käyttäen
• Siirretyn videon laadun mittarina käytettiin
  huippu-signaali-kohina suhdetta, joka laskettiin
  alkuperäisestä ja siirretystä videosekvenssistä

13
Simulaatiot

• Käytetty UEP-ratkaisu lisää protokollien
  otsikkotiedon määrän kaksinkertaiseksi
• Implementoitiin RTP/UDP/IP-otsikoiden kompressio
• vastaa PDCP (UMTS Rel 99), RFC 2507

• Otsikoiden kompressoinnin vaikutus
• Simulaatioissa ajettiin 3 ajoa
• Videopaketin maksimipituudeksi asetettiin 10000
  bittiä
• etäisyys tukiasemasta 1000 m
• Siirrettäessä pieniä paketteja kompressio
  parantaa laatua

14
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
• UEPa 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

15
Etäisyyden vaikutus

• Päätelaitteen etäisyyttä tukiasemaan muutettiin
  välillä 400m -2000 m
• Videopaketin maksimikoko 10000 bittiä
• Kuuluvuus päättyi 1800 metrin jälkeen täysin

16
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

17
Parannusehdotuksia

• Tämänhetkinen OPNETin UMTS-malli hylkäsi
  virheelliset paketit jo alemmilla kerroksilla
• Tulisi tutkia myös virheellisten pakettien
  perille pääsyä
• UDP Liten implementoiminen simulaatioympäristöön
• UDP Lite mahdollistaa kuorman ja otsikoiden
  osittaisen suojaamisen tarkistussummalla
• MPEG-4n intra-kehysten parempi suojaus
• Enkooderin ja dekooderin modifioiminen paremmin
  UEP-siirtoon
• Enemmän simulaatioajoja erilaisilla
  videosekvensseillä

18
Lyhenteet

• AMR Adaptive Multi-Rate Codec
• EEP Equal Error Protection
• IP Internet Protocol
• MPEG Motion Pictures Experts Group
• PDCP Packet Data Convercence Protocol
• PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio
• RTP Realtime Transport Protocol
• QoS Quality of Service
• SSI Source Side Information
• UDP User Datagram Protocol
• UED Unequal Error Detection
• UEP Unequal Error Protection
• UMTS Universal Mobile Telecommunications System

19
Esimerkkejä siirretyistä sekvensseistä
Alkuperäinen koodaamaton videosekvenssi
20
Esimerkkejä siirretyistä sekvensseistä

• Tasainen virheiltä suojautuminen
• Ensimmäinen intra-kehys osittain tuhoutunut
• PSNR 23.9 dB, 1. kehys 7.2dB

• Epätasainen virheiltä suojautuminen
• PSNR 28.4 dB