Влияние помехоустойчивости широкополосных систем беспроводного доступа IEEE 802.16 на качество передачи потокового трафика

Развитие и рост мультимедийных технологий, использующих в качестве транспорта беспроводную среду передачи данных, привлекают внимание все большей аудитории.

За несколько прошедших лет появились и получили бурное развитие беспроводные технологии широкополосного доступа, являющиеся серьезной альтернативой сотовым системам связи 3G. Для организации единой широкополосной беспроводной сети (городские беспроводные сети (WMAN)), работающей на больших расстояниях, был разработан и предложен стандарт IEEE 802.16, названный WiMAX — Worldwide Interoperability for Microwave Access (международное взаимодействие для микроволнового доступа). WiMAX относится к технологии Wireless MAN, которая может соединяться с точками доступа стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi) и является серьезной альтернативой прокладке кабеля или линии DSL при организации последней мили. Благодаря своим преимуществам (возможность обеспечения широкополосной связи в условиях отсутствия прямой видимости, большая зона покрытия, высокое качество предоставляемых услуг, простота построения сети, а следовательно меньшие затраты, технология WiMAX считается наиболее перспективной при переходе к сетям четвертого поколения (4G). Благодаря использованию схемы модуляции OFDM системы WiMAX работают при отсутствии прямой видимости между антеннами базовой станции и абонентского устройства (по переотраженным сигналам). Видеопоток передается через сеть от приложения, установленного на сервере, к пользователю. Беспроводная среда, как правило, используется для передачи данных и видео контента.

При этом из-за ограниченности полосы пропускания приходиться работать с видео с низким разрешением, и потеря одного пакета означает значительное ухудшение качества принятой информации. Кроме того, как правило, пользователи работают с приложением в реальном времени (потоковый трафик), когда невозможно осуществить повторную передачу данных.

Основным недостатком передачи видео по беспроводным сетям является отсутствие достаточной синхронизации между оригинальной последовательностью и декодированной на приемной стороне копией. Из-за агрессивной среды передачи пакеты данных могут претерпевать серьезные искажения или, вообще, теряться. Другим важным параметром характеризующим качество систем беспроводного доступа является степень интеграции услуг, что очень важно для передачи беспроводного видео в условиях ограниченности видео по размеру и по мощности мобильных устройств. На сегодняшний день не существует стандартных подходов к определению комплексных ошибок передачи.

В современных видео системах, как правило, используется кодек H.264/AVC — самый новый кодек, используемый для сжатия изображений, обеспечивающий лучшее качество при использовании меньшей полосы пропускания. В этом и состоит его отличие от кодеков Н.263 и MPEG 4. Эта особенность кодека Н.264 может быть использована в мобильных сетях передачи информации, то есть там, где имеется ограниченная полоса пропускания. Для передачи мультимедийных данных в распределенной окружающей среде необходимо учитывать ограничения, накладываемые на протоколы IP. Именно из-за этого появляются нежелательные эффекты, сказывающиеся на качестве обслуживания, что, в свою очередь, приводит к невозможности передавать высококачественную телевизионную картинку. С другой стороны, существует множество параметров, определяющих качество потокового видео (скорость передачи данных, коэффициент ошибок, дрожание фаз (джиттер)). В работе оценивается качество видео, переданного через мобильную сеть высокоскоростного пакетного доступа, который широко применяется и характеризуется более широкой полосой пропускания и более низкими временными задержками.

Целью диссертационной работы является оценка влияния помехоустойчивости систем широкополосного доступа WiMAX на качество передачи потокового трафика (видео и мультимедийных данных) и разработка рекомендаций по выбору параметров кодирования и системы передачи с целью обеспечения заданного качества восприятия.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1 .Экспериментальные исследования статистических характеристик потокового трафика с помощью разработанного измерительного комплекса с целью разработки математической модели для имитационного моделирования широкополосной системы беспроводного доступа WiMAX с учетом подвижности пользователей.

2. Разработка алгоритмов оценки вероятности пакетирования ошибок в каналах связи широкополосных систем беспроводного доступа с подвижными объектами на основе полученных экспериментально результатов статистических характеристик потоков ошибок.

3. Оценка влияния битовых ошибок и потерь пакетов на качество передачи потокового видео стандарта Н.264 /AVC в широкополосных сетях беспроводного доступа WiMAX с учетом подвижности пользователей и характеристик декодеров.

Методы исследования. Для проведения исследований использовались методы теории вероятности, математической статистики, случайных процессов, теории телетрафика, теории массового обслуживания, а также методы имитационного моделирования. Математические расчеты выполнены в среде NS-2, Matlab 2007.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных измерений трафика, а также статистическим анализом характеристик телекоммуникационного трафика в системах широкополосного доступа, результатами имитационного моделирования, которые не противоречат известным результатам, а также длительностью экспериментальных исследований, повторяемостью и контролируемостью.

Научная новизна.

1. Предложен алгоритм количественной оценки вероятности пакетирования m или большего количества ошибок в блоке данных длиной п бит, которая может быть определена с помощью элементов матрицы переходных вероятностей Марковской модели, найденных из экспериментальных статистических характеристик потока ошибок в каналах широкополосного. Исследования показали, что средняя длина пакетных ошибок составляет от 2 до 4 пакетов для большинства анализируемых расстояний.

2. Впервые разработаны и исследованы алгоритмы объективной оценки качества восприятия потокового видео стандарта H.264/AVC как в условиях одиночных битовых ошибок, так и при пакетировании ошибок в каналах беспроводного широкополосного доступа.

3. Доказано, что при потоковом видео потеря даже очень малого числа пакетов (около 1%) приводит к появлению непреодолимых проблем при декодировании, а увеличение «битрейта» и способа кодирования практически не влияет на качество воспроизведения видео.

Практическая ценность. Предложенный алгоритм оценки помехоустойчивости систем беспроводного доступа WiMAX позволяет впервые одновременно количественно оценивать качество передачи потокового трафика в условиях пакетирования ошибок, возникающих из-за многолучевого распространения.

На основе программной реализации алгоритма в среде Matlab Simulink создана система оценки помехоустойчивости видео и мультимедийной информации на базе комплексного учета основных особенностей стандарта IEEE 802.16. Внедрение разработанных алгоритмов объективной оценки качества восприятия потокового видео стандарта H.264/AVC как в условиях одиночных битовых ошибок, так и при пакетировании ошибок в каналах беспроводного широкополосного доступа позволяет впервые производить количественную оценку эффективности декодирования видео в зависимости от информационных и индивидуальных характеристик кодеров в реальном масштабе времени.

На основе программной реализации алгоритмов создан программно-аппаратный комплекс оценки качества потокового видео с учетом помехоустойчивости среды передачи.

Основные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:

1. Необходимым условием количественной оценки качества передачи потокового трафика в системах беспроводного широкополосного доступа WiMAX является определение вероятности пакетирования ошибок, вызванного в основном подвижностью абонентов. Найденные вероятности позволяют обосновать выбор глубины перемежения показавшего, что с увеличением скорости перемещения эффективность перемежения падает.

2. Необходимым и достаточным условием удовлетворительного качества передачи потокового видео является потеря числа пакетов не более 1%, и битовая ошибка BER < 3*10″ 5. При невыполнении этих условий при декодировании увеличение «битрейта» и способа кодирования практически не влияет на качество воспроизведения видео. Наличие фонового FTP трафика приводит к дополнительному ухудшению объективного качества, увеличивая процент потерянных пакетов.

3. Качество объективных оценок потокового видео зависит от информационных и индивидуальных особенностей характеристик кодера H.264/AVC и приводит к дополнительному группированию ошибок, влияние которых на декодированное видео значительнее битовых ошибок в каналах беспроводного доступа.

Использование результатов работы. Диссертационные исследования являются частью плановых научно-исследовательских работ, проводимых факультетом сервиса. Результаты диссертационной работы реализованы в учебном процессе факультета сервиса Российского государственного университета туризма и сервиса (имеются соответствующие акты о внедрении).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, проводимых различными организациями, в том числе на:

— XI, XII, XIII — й международных научно-практических конференциях и «Наука-Сервису», Москва, 2006; 2008 гг.;

— 2-й межвузовской научно-технической конференции «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем», Москва, 2007;

— 4-й отраслевой научной конференции — форуме «Технологии информационного общества», Москва, 2010.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, одна из них в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 189 наименований. Работа представлена на 152 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 31 таблицу, приложения объемом 38 страниц.

3.5. Выводы.

Рассмотрены результаты имитационного моделирования системы широкополосного доступа стандарта 802.16 в среде Matlab Simulink при семи режимах работы, определяемых соответствием типа используемой модуляции и общим коэффициентом кодирования. Использование каждого режима модуляции и кодирования объясняется оптимальностью данного режима при определённых качественных параметрах канала.

Имитационное моделирование произведено при следующих параметрах: частота нисходящих передач 2 ГГцпропускная способность канала 20 МГцкоэффициент длины циклического префикса G=l/16- тип модуляции и коэффициент кодирования, соответствующие режиму АМСЗмаксимальная величина сдвига Доплера, одинаковая для всех путей распространения сигнала рэлеевской модели канала, соответствующая определённым скоростям передвижения передатчика.

Показано, что применение нескольких передающих и принимающих антенн ощутимо понижает вероятность возникновения битовой ошибки, при относительном перемещении передающего и принимающего устройств, что следует из факта, что приращение помехоустойчивости системы от применения технологии многоантенной передачи напрямую зависит от частоты смены канальных коэффициентов радиоканала. При увеличении скорости движения канальная матрица меняется с большей частотой, а следовательно системе становится сложнее справиться с возросшей нагрузкой на функциональный блок STC.

Проведенные расчеты показали преимущества применения технологии MIMO при построении системы WiMAX, среди которых увеличенная по сравнению со схемой SISO устойчивость к замираниям в радиоканале вследствие подвижности абонентов, что достигается за счёт одновременной передачи нескольких символов OFDM в один период времени при использовании нескольких передающих радиоантенн.

Применение механизма адаптивных модуляции и кодирования АМС позволяет не полностью убирать вероятность битовых ошибок, а держать коэффициент BER ниже определенного уровня за счёт динамической смены типа модуляции и скорости кодирования. Такой подход позволяет автоматически выбирать более энергетически выгодный режим работы системы, опираясь на данные о помехах в радиоканале. В результате система более рационально использует мощность излучения и пропускную способности радиоканала, жертвуя лишь небольшим снижением помехоустойчивости.

При возрастании скорости движения коэффициент ошибок ощутимо возрастает, что объясняется тем, что при увеличении сдвига Доплера функциональным модулям, обеспечивающим реализацию механизма АМС, необходимо гораздо быстрее переключаться из одного режима работы в другой, вследствие чего задержка обратной связи между передатчиком и приемником становится определяющим фактором качества работы всего механизма в целом.

Замирания сигнала из-за многолучевого распространения являются в системах беспроводного доступа основной причиной искажений принимаемого сигнала, поскольку из-за корреляции или памяти процесса замираний замирания обычно вызывают пакеты ошибок. Показано, что основная проблема помехоустойчивости связана с аналитической оценкой вероятности Р (ш, п) наличия m или большего количества ошибок в блоке данных длиной п бит.

На основании и анализа экспериментальных данных, с помощью предложенной методики определяет величины, необходимые для такого расчета. Найдены значения элементов матрицы переходных вероятностей для используемой модели и значения элементов вектора финальных вероятностей.

Результаты расчетов, представлены в виде матриц и графиков для различных скоростей движения объекта. Показано, что при низкой скорости движения объекта (5 км/час) перемежение практически не оказывает влияния на величину вероятности появления m ошибок в блоке длиной п. Видно также, что вероятность появления неисправленных ошибок может быть оценена на уровне 10'5. При более высоких скоростях движения (до 60 км/час) при увеличении глубины перемежения вероятность появления m ошибок в блоке длиной п уменьшается, причем при более высокой скорости движения этот эффект проявляется в большей степени.

При малой скорости движения вероятность появления определенного числа ошибок в блоке информации меньше, чем при более высокой скорости. Так, при скорости движения 5 км/час вероятность появления 5 ошибок составляет 1,1×10″ 5, а при скорости движения объекта 60 км/час эта величина (без учета перемежения) возрастает до значения 0,1.

При увеличении длины блока вероятность появления определенного числа ошибок в блоке возрастает. При увеличении скорости движения объекта вероятность ошибки растет в меньшей степени, то есть при более низких скоростях движения допустимую длину блока следует определять более тщательно. При применении перемежения эффект от него сильнее проявляется при меньшей длине блоков.

4. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ПОТОКОВОГО ВИДЕО В СИСТЕМАХ.

БЕСПРОВОДНОГО ДОСТУПА.

4.1. Структура программно-аппаратного комплекса для оценки качества потокового видео.

На рис. 4.1 представлена структурная схема разработанного программно-аппаратного комплекса (ПАК) для оценки качества потокового видео при передаче в различных телекоммуникационных сетях. В этой схеме отражено взаимодействие между модулями при передаче цифрового видео от источника через сеть связи к зрителю.

Для проведения оценки качества необходимо иметь данные видеофайла до передачи по сети (на передающей стороне) и после приема из сети (на приемной стороне). На передающей стороне необходимыми данными являются: исходное не кодированное видео в формате YUV, закодированное видео в формате MPEG-4, а также время отправки и тип каждого отправленного в сеть пакета. На приемной стороне необходимо получить следующие данные: время приема и тип каждого принятого из сети пакета, закодированное видео (возможно, искаженное) в формате MPEG-4 и декодированное видео в формате YUV для отображения.

В случае полной потери кадра отсутствует необходимая синхронизация кадров до и после передачи по сети.

На втором этапе обработки эта проблема решается на основе анализа информации о потерях. Синхронизация кадров восстанавливается путем добавления последнего отображенного кадра вместо потерянных. Это позволяет провести дальнейшую покадровую оценку качества.

На третьем этапе для анализа качества декодированного видео используются восстановленный и исходный видеофайл.

Функциональные модули ПАК. На рис. 4.2 представлена функциональная схема ПАК. Рассмотрим назначение основных файлов и модулей, входящих в состав ПАК.

Рис. 4.2 Функциональная схема ПАК.

Представление исходных файлов и формат видео. Цифровое видео представляет собой некоторую последовательность изображений. Независимо от того, как эта последовательность закодирована — с использованием пространственной (как JPEG) или временной (как MPEG или Н.263) избыточности, в конечном итоге каждый видеокодек производит последовательность из «сырых» изображений (пиксель за пикселем), которые можно затем отобразить. Обычно таким изображением является просто двухмерное множество пикселей. Каждый пиксель соответствует одному из трех цветов RGB — красному, синему или зеленому. Однако при кодировании видео пиксели представлены как комбинация яркости (Y) и значений хроматических данных: цвету (U) и насыщенности (V). Соответствие RGB и YXJY представлено следующими уравнениями:

Y= 0,299R + 0,578G + 0,114ДU = 0,565(В — Y) — F=0,713(R-Y) — R = Y+ 1,403 FG = 7−0,344?/-0,714F-? = Y+1,770U.

Известно, что визуальное восприятие человека наиболее чувствительно к яркостному компоненту, чем к компонентам хроматических данных. Именно поэтому при кодировании видео компонент яркости вычисляется для каждого пикселя, а два остальных компонента часто усредняются по более чем четырем пикселям. В качестве исходного (незакодированного) видеоматериала обычно используется формат YUV QCIF (176×144) или YUV CIF (352×288). Такие файлы могут быть получены из различных источников [99, 100, 101].

Кодирование исходного видео производится программой mpeg4encoder. exe следующим образом: mpeg4encoder. exe [example.par] где example. par — файл настроек кодека, в котором можно указать разрешение видео, тип кодирования, число кадров и др.

После кодирования исходного видео получают mpeg-4 файл.

Модуль видеопередатчика. Целью работы модуля ВП является генерация видеотрассы из закодированного видео (mpeg-4 файла). В файле видеотрассы (табл.4.1) содержатся следующие данные: номер кадра, тип кадра, размер и число сегментов при разделении кадра на UDP (от англ. User Data Protocol) пакеты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена важная актуальная научно-техническая задача оценки влияния помехоустойчивости систем широкополосного доступа WiMAX на качество передачи потокового трафика (видео и мультимедийных данных) и разработка рекомендаций по выбору параметров кодирования и системы передачи с целью обеспечения заданного качества восприятия.

1. Анализ статистических характеристик потокового трафика, полученных с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса, показал, что вероятность пакетирования ошибок в системах беспроводного доступа WiMax удваивается при каждом увеличении размера пакета на 300 байт, и является экспоненциальной функцией расстояния. Показано, что из-за подвижности пользователя вероятность ошибки пакетов примерно на 30% выше средней. Средняя длина ошибки составляет от 2 до 4 пакетов для большинства анализируемых расстояний. Средние. длины безошибочных интервалов для различных расстояний изменяются в пределах двух порядков по величине и имеют большую стандартную дисперсию.

2. Получены на основании и анализа экспериментальных данных, с помощью предложенной методики аналитические соотношения для оценки вероятности наличия m или большего количества ошибок в блоке данных длиной п бит Р (ш, п), найдены значения элементов матрицы переходных вероятностей для используемой модели и значения элементов вектора финальных вероятностей. Показано, что при низкой скорости движения объекта (5 км/час) перемежение практически не оказывает влияния на величину вероятности появления m ошибок в блоке длиной п. Видно также, что вероятность появления неисправленных ошибок может быть оценена на уровне 10″ 5. При более высоких скоростях движения (до 60 км/час) при увеличении глубины перемежения вероятность появления m ошибок в блоке длиной п уменьшается, причем при более высокой скорости движения этот эффект проявляется в большей степени.

3. Показано, что при BER < 3*10″ 5 битовые ошибки не влияют на качество принимаемого видео и легко устраняются известными, реализованными в WiMAX способами защиты от ошибок. При BER > 4*10″ потери пакетов в сети достигают максимального значения и приводят е неприемлемому качеству принимаемого видео. Гарантировать объективное превосходное качество видеопотока при передаче по каналу можно при величине вероятности битовой ошибки не более 1*10″, хорошее качество в диапазоне т.

1*10″ 4. 4*10″ 4, удовлетворительное качество в диапазоне 4*10″ 4. 8*10″ 4, плохое качество в диапазоне 8* 10″ 4. 1 * 10″ 3 и очень плохое при BER> 1 * 10″ 3.

4. Использование в системах беспроводного доступа стандарта кодирования видео H.264/AVC с кодами переменной длины VLC (от англ. Variable-Length Coding), приводит к рассинхронизации декодированных видеопоследовательностей и возникновению дополнительного группирования ошибок, влияние которых на декодированное видео значительнее битовых ошибок, поскольку приводит к потере больших сегментов информации.

5. Установлено, что суммарная задержка не оказывает сильного влияния на объективное качество воспроизведения видео, однако является критическим фактором для служб реального времени, и влияет на субъективное восприятие качества. Установлен факт идентичности использования фиксированного беспроводного клиента и мобильного, а таюке их несущественного отличие от проводного аналога. В сценариях с участием двух беспроводных клиентов (оба мобильные либо один из них стационарный) качество видео (на стороне мобильно клиента) ниже по отношению к сценариям, где один клиент проводной. Во втором случае (мобильный + проводной) качество со стороны мобильного клиента заметно выше, но слабее, чем в сценариях с одиночным беспроводным клиентом.

6. При потоковым видео потеря очень малого числа пакетов (более 1%) приводит к появлению непреодолимых проблем при декодировании и увеличение битрейт и способа кодирования практически не влияет на качество воспроизведения. Увеличение «битрейта» улучшает QoS в пересчете на критерии субъективного и объективного качества, причем стационарный беспроводной пользователь имеет несколько более высокий уровень качества чем мобильный пользователь. Наличие фонового FTP трафика приводит к дополнительному ухудшению объективного качества видео поскольку увеличивает процент потерянных пакетов.

7. При файловом воспроизведении из-за способности TCP/IP корректировать ошибки передачи наблюдаются существенное улучшение качества воспроизведения, поскольку чувствительность к потерям пакетов при воспроизведении файлов через TCP/IP, оказывается меньше, чем с протоколом UDP и «битрейт» и способ кодирования оказывают влияние на восприимчивость к ошибкам передачи.