Содержание к диссертации
Введение
Предоставления услуг IPTV 13
1.1 Структура построения IPTV 13
1.1.1 Услуги IPTV 14
1.1.2 Архитектура IPTV 19
1.1.2.1 Головная станция и узел кодирования 21
1.1.2.2 Подсистема Видео по требованию 23
1.1.2.3 Сервисная платформа Middleware 27
1.1.2.4 Абонентское устройство 29
1.1.2.5 Подсистема условного доступа 29
1.1.3 Режимы передачи трафика и протоколы в IP-сетях 32
Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2 Анализ методов оценки качества обслуживания в IPTV 40
2.1 Показатели качества обслуживания в NGN 40
2.2 Механизмы обеспечения QoS в NGN 43
2.3 Методы оценки качества передачи видео 47
2.3.1 Субъективные методы 47
2.3.1.1 Mean Opinion Score 46
2.3.1.2 Picture Quality Rating 50
2.3.1.3 Difference Mean Opinion Score 51
2.3.1.4 Subjective Assessment Method for Video Quality evalution 52
2.3.1.5 Quality of Experience 52
2.3.2 Объективные методы 58
2.3.2.1 Media Delivery Index 59
2.3.2.2 Video Quality Measurement 61
2.3.2.3 Moving Picture Quality Metric 62
2.3.2.4 Noise Quality Measure 63
2.3.2.5 Peak Signal to Noise Ratio 63
Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3 Разработка и анализ модели объективной оценки качества передачи видео в IP-сетях 70
3.1 Базовая модель 71
3.2 Моделирование влияния различных кодеков 74
3.3 Оценка разработанной модели 78
3.3.1 Оценка модели с помощью IxChariot 79
3.3.2 Экспериментальная оценка 87
3.3.3 Моделирование влияния различных кодеков в зависимости от уровня потерь 91
3.4 Выводы по результатам моделирования 95
3.5 Относительная метрика оценки качества видео 96
Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4 Анализ влияния самоподобия трафика на оценку качества восприятия 100
4.1 Исследование аномалий трафика 102
4.1.1 Описание иммитационной модели 103
4.1.2 Методы оценки параметра Хёрста 105
4.1.3 Расчёт параметра Хёрста 109
4.1.4 Результаты моделирования 115
4.2 Взаимосвязь коэффициента Хёрста с субъективной оценкой качества передачи видео 120
Выводы по главе 4 127
Заключение 129
Список сокращений и условных обозначений 132
Список литературы
- Подсистема Видео по требованию
- Mean Opinion Score
- Оценка разработанной модели
- Методы оценки параметра Хёрста
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современное общество характеризуется проникновением инфокоммуникаций во все области человеческой жизни. Услуги связи необходимы не только деловым заказчикам, связь всё чаще используется рядовыми пользователями: она становится неотъемлемой частью общения людей, доступом к популярным развлечениям, элементом престижа, средством заработка и т. д. Сегодня услуги на основе передачи видеоизображений, в том числе услуги IPTV (Internet Protocol Television) завоевывают все большую популярность среди пользователей, и большинство операторов уже развернули или разворачивают сети для их внедрения.
Расширение спектра предоставляемых услуг и соответствующее повышение их качества становятся основными факторами для операторов связи в конкурентной борьбе за пользователя.
Концепция сетей связи следующего поколения NGN (Next Generation Network), которая использует технологию TCP/IP как основу для построения мультисервисных сетей, дает оператору большие возможности по организации практически неограниченного количества услуг. В то же время она ставит сложные задачи с точки зрения создания и внедрения методов для оценки качества восприятия QoE (Quality of Experience) вновь создаваемых услуг.
Существует ряд субъективных и объективных методов для оценки качества передаваемого видео, но нет однозначного мнения и как следствие подхода, дающего четкое представление оператору, что же видит на экране телевизора пользователь, поэтому сложно спрогнозировать и предотвратить возникающие проблемы в вещании, предупредить клиента и повысить тем самым его лояльность. Кроме того, объем трафика видеоприложений существенно увеличился за последние годы и влияет на показатели качества обслуживания для других видов трафика, передаваемых в IP-сетях, в том числе, и на качество доставки самого трафика видео.
Таким образом, диссертационная работа, посвященная разработке и исследованию моделей оценки качества передачи видео в IP-сетях, соответствует современной научной проблематике и является актуальной.
Степень разработанности темы. Основные работы в области стандартизации методов оценки качества передачи видео проводятся Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI, European Telecommunications Standards Institute), Международным союзом электросвязи (ITU, International Telecommunication Union), Группой экспертов по качеству видео (VQEG, Video Quality Experts Group), Альянсом по решениям в области телекоммуникаций (ATIS IIF, Alliance for Telecommunications Industry Solutions IPTV Interoperability Forum).
Результатом работы этих организаций стал ряд Рекомендаций и стандартов. Так, например, ITU-R разработал Рекомендацию ВТ.500-13 «Методика субъективной оценки качества телевизионных изображений», ETSI – «TR 101 290» метрики MPEG2-TS для DVB, VQEG занимается тестированием алгоритмов оценки качества видео.
Вопросы построения сетей NGN и оценки качества предоставляемых услуг исследовались в работах отечественных (Б. С. Гольдштейн, А. Е. Кучерявый, А. Н. Назаров, А. В. Осин, С. М. Смольский, Н. А. Соколов, С. Н. Степанов, О. И. Шелухин, М. А. Шнепс-Шнеппе, Г. Г. Яновский) и зарубежных (U. Black, J. Davidson, S. Fisher, J. M. Garcia, D. McDysan, D. Minoli, F. A. Tobagi и др.) авторов.
Цели и задачи. Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании моделей оценки качества передачи и качества восприятия видео в IP-сетях.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе последовательно решаются следующие задачи:
- анализ архитектуры и возможностей существующих систем на примере предоставления услуг IPTV;
анализ существующих методов оценки качества на примере предоставления услуг IPTV;
разработка комплекса параметров качества обслуживания, оказывающих существенное влияние на оценку качества передачи видео по IP-сетям;
разработка модели оценки качества передачи видео по IP-сетям, учитывающей сетевые характеристики и параметры, специфические для видеоприложений;
проведение имитационного моделирования для проверки корректности допущений, которые были сделаны в модели для упрощения расчета, а также для оценки пригодности использования модели;
анализ трафика различных приложений в IP-ориентированных мультисервисных сетях с учетом свойств самоподобия;
разработка имитационной модели фрагмента IP-сети для оценки влияния свойства самоподобия видеотрафика и трафика различных приложений на качество передачи видео по IP-сетям;
разработка метода объективной оценки качества восприятия видео на основе выявления взаимосвязи между субъективными оценками и значением параметра Хёрста,
проведение натурных экспериментов для определения взаимосвязи между субъективными и объективными методами оценки качества передачи и восприятия видео.
Научная новизна. Основные результаты диссертации, обладающие научной новизной:
разработана модель оценки качества передачи видео в IP- сетях с учетом характеристик сети и видеоприложений;
доказано влияние различной реализации кодеков на качество передаваемого видео в зависимости от разного уровня потерь и размера видеокадра;
выявлено, что количество потерянных пакетов является доминирующим фактором, влияющим на качество видео в каждой конфигурации видеоприложения;
предложено использование коэффициента, который учитывает характеристики видео и отображает искажения видеопоследовательности, для характеристики взаимосвязи между объективными и субъективными оценками качества передачи видео;
предложен метод объективной оценки качества восприятия видео на основе выявленной взаимосвязи между субъективными оценками и значением параметра Хёрста.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в разработке и исследовании модели оценки качества передачи видео в IP-сетях, и исследовании взаимосвязи параметра Хёрста, характеризующего степень самоподобия, и субъективных методов оценки качества восприятия видео. Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для проектирования, планирования и расчета предельных характеристик IP-сетей при предоставлении видеоуслуг. Результаты работы использованы ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт связи» при подготовке вклада Администрации связи Российской Федерации в Международный Союз Электросвязи, ОАО «ГИПРОСВЯЗЬ-СПб» при выполнении проектно-изыскательных работ в области предоставления мультимедийных услуг и услуг IPTV, в том числе в ряде проектов ОАО «Ростелеком» и в системном проекте по развитию СПД ОАО «Ленэнерго», а также в учебном процессе кафедры сетей связи Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича (СПбГУТ). Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами.
Методология и методы исследования. При проведении исследований применялись методы теории телетрафика, теории фракталов, самоподобных процессов и имитационного моделирования. Для численного анализа, проведения
оценки и промежуточных вычислений использовался программный математический пакет Mathcad 13.0. Имитационное моделирование фрагмента IP-сети для оценки степени самоподобия выполнено с помощью открытого пакета моделирования сетей ns-2.
Положения, выносимые на защиту.
-
Модель оценки качества передачи видео в IP-сетях.
-
Влияние различной реализации кодеков на качество передаваемого видео в зависимости от разного уровня потерь и размера видеокадра.
-
Количество потерянных пакетов является доминирующим фактором, влияющим на качество передачи видео в каждой конфигурации видеоприложения.
-
Введение коэффициента, учитывающего характеристики видео и отображающего искажения видеопоследовательности, для определения взаимосвязи между объективными и субъективными оценками качества передачи видео.
-
Метод объективной оценки качества восприятия видео путем измерения параметра Хёрста.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным использованием математических методов исследования и результатами имитационного моделирования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международном Семинаре МСЭ для стран – членов Регионального содружества в области связи «Переход с IPv4 на IPv6: регуляторные и технические аспекты» (Кишинев, Республика Молдова, 2012), 69-й, 67-й, 65-й конференциях СПбНТОРЭС им. А. С. Попова. (Санкт-Петербург, 2014, 2012, 2010), II Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2013), 64-й, 63-й, 61-й научно-технической конференции СПб ГУТ им. М.А. Бонч-Бруевича, (Санкт-Петербург, 2012, 2011, 2009), а также на заседаниях кафедры сетей связи СПбГУТ.
Подсистема Видео по требованию
В настоящее время исследованиям, связанным с расширением возможностей интерактивного телевидения, и анализу существующих систем реализации данных услуг посвящено большое количество работ ведущих специалистов [2–10].
В систему IPTV могут входить как обычные каналы, так и каналы расширенного телевидения с интерактивным контентом и различные вариации услуг «видео по запросу» – Video-on-demand (VoD). VoD предоставляет возможность просмотра заказанных программ в определенное время, позволяет заказать фильмы с пульта управления и включает основные функции видеомагнитофона: пуск, паузу и перемотку.
Известные услуги IPTV можно разделить на три большие группы [11]: 1. Телевизионные сервисы и Personal Video Recorder (PVR) сервисы. 2. Услуги VoD. 3. Интерактивные сервисы. К первой группе относятся такие услуги как: Broadcast Television (BTV),
Electronic Program Guide (EPG), Start Over (SO), Network Personal Video Recorder (NPVR), Pause Live TV (PLTV), Instant Personal Video Recorder (IPVR), Time-shift TV (TSTV). Они включают в себя как классические услуги вещания телевизионных каналов, так и реализуемые только в IPTV услуги записи и повторного просмотра понравившейся телепередачи. Рассмотрим данные услуги подробнее.
BTV – Broadcast Television – вещание телевизионных каналов по IP-сети. Классическая услуга телевизионного вещания. Как правило, способом оплаты является абонентская плата за пакет телеканалов или в более широкой версии за канал. Пользователь имеет возможность переподписки на пакеты каналов. В будущем предполагается, что пользователь сам сможет формировать пакеты телеканалов, руководствуясь только своими предпочтениями.
EPG – Electronic Program Guide – электронная программа передач. Предоставляется без оплаты, т. к. является основным инструментом информирования пользователя о будущих программах и для использования PVR сервисов.
NPVR – Network Personal Video Recorder – сетевой видеомагнитофон – заказ «записи» будущих программ через EPG. Заказ каждой программы оплачивается отдельно. Пользователь может просматривать «записанную» программу в течение определенного времени (например, 24 или 72 часа) неограниченное количество раз.
SO – Start Over – перезапуск программ – возможность просмотра текущей телепередачи сначала. Отсутствие возможности прокрутки. Техническая возможность перемотки имеется, но в данный момент эта опция закрыта для пользователя, чтобы при просмотре программы не перематывали рекламу.
PLTV – Pause Live TV – пауза прямого эфира. Абонент в любое время прямой трансляции может нажать кнопку «pause» на пульте дистанционного управления. После паузы, нажав кнопку «play», можно продолжить просмотр с места остановки.
IPVR – Instant Personal Video Recorder – реализация записи не через заказ по EPG, а по нажатию абонентом кнопки «record» на пульте дистанционного управления в режиме полноэкранного просмотра. В результате осуществляется запись временного интервала между нажатиями кнопок «record» и «stop».
TSTV – Time-shift TV – телевидение со сдвигом во времени. Это наиболее широкая реализация всех сервисов, основанных на PVR. TSTV позволяет в любой момент времени нажать на «прямой трансляции» кнопку «rewind» и перемотать телеканал на любое время назад (10 минут, час, день, и т. д.). К услугам «Видео по требованию» можно отнести: Video on Demand (VoD), Subscription Video on Demand (SVoD), Near Video on Demand (NVoD).
Базовой услугой является VoD – Video on Demand – видео по запросу. Пользователь может выбрать любой фильм, имеющийся в видеотеке и купить его на определенный период времени. Возможна вариация цены в зависимости от срока аренды (например, 6/12/24 часа), также на стоимость фильма влияет категория, в которой он находится. Например, новинки стоят дороже, чем фильмы из раздела «классика». Пользователь перед покупкой может бесплатно просмотреть трейлер к понравившемуся фильму при его наличии, также фильм снабжен подробным описанием и, как правило, постером.
SVoD – Subscription Video on Demand – видео по запросу по подписке. Позволяет оплатить абоненту неограниченный доступ к определенной категории VoD контента. При покупке фильмы из этой категории будут обходиться дешевле, чем фильмы из других категорий. Форма оплата также, как и для VоD осуществляется за заказ с вариацией цены в зависимости от срока аренды (например, 6/12/24 часа). Бесплатный просмотр трейлеров.
NVoD – Near Video on Demand – виртуальный кинозал, трансляция видеоконтента по расписанию в режиме групповой рассылки (multicast). Эта услуга больше интересна оператору, нежели пользователю, т. к. позволяет экономить ресурс сети, за счет использования режима multicast и не загружать ядро сети большим количество видеопотоков, передающих один и тот же фильм примерно в одно и тоже время. Так, например, при выходе нового разрекламированного фильма высока вероятность, что люди захотят его посмотреть. Вечером после работы, например, около 20:00 на сервер поступит поток заявок на данный фильм с разницей в несколько минут и оператору придется в режиме unicast проигрывать каждому пользователю этот фильм. Тем самым ресурс сети может быть быстро исчерпан.
Mean Opinion Score
Все перечисленные выше компоненты должны взаимодействовать друг с другом, несмотря на то, что имеют различных производителей и даже могут принадлежать разным операторам и провайдерам. Так, например, при запросе просмотра фильма пользователем происходят следующие действия: 1. Запрос от STB пользователя на проигрывание фильма, т. е. пользователь выбрал фильм для просмотра и подтвердил свой выбор. 2. Сервер доступа, который стоит на входе в сеть оператора, обращается к пользовательскому серверу, в который занесены все пользователи, подключенные к услуге IPTV. Физически сервер доступа и пользовательский сервер могут быть реализованы на одном устройстве. 3. Пользовательский сервер обращается к базе данных, в которой хранится вся информация о пользователях, состоянии их счетов, купленных фильмах, доступных услуг, возрастных ограничениях, т. н. «родительский контроль» и т. д. 4. Если пользователь имеет право на просмотр запрашиваемого фильма, то ему отправляется ссылка на сервер, который входит в состав системы видеосерверов (VoD) и отвечает за обработку пользовательских запросов от STB на контент и выдачу списка видеосерверов, где этот контент находится. 5. STB отправляет запрос на указанный сервер и в ответ получает ссылку на видеосервер, на котором хранится файл с запрашиваемым фильмом, и, который территориально располагается максимально близко к пользователю. 6. STB отправляет запрос на видеосервер на проигрывание фильма. 7. Видеосервер начинает проигрывать фильм в режиме unicast.
Весь выше перечисленный обмен информацией должен осуществляться максимально быстро, т. к. всё это время пользователь готов и ждет начала просмотра. Поэтому особое внимание следует уделять разработке Middleware, т. к. именно через него происходит взаимодействия между всеми компонентами комплекса. И если правила взаимодействия и последовательность обращений заданы некорректно, будут возникать вынужденные задержки при обработке запросов пользователя.
Рассмотренный типовой комплекс для предоставления услуг IPTV подходит для крупных операторов, которые могут себе позволить его приобрести и потом эксплуатировать. Для более мелких операторов или провайдеров существует альтернативный способ предоставления своим пользователям услуг IPTV, без закупки дорогостоящего оборудования и затрат на содержание квалифицированного обслуживающего персонала. Такой способ получил название «агентская схема». Суть заключается в том, что часть функций Middleware перемещается на клиентские приставки. С одной стороны, это удорожает STB, с другой стороны, оператор экономит на разработке и внедрении сложной системы Middleware. Контент поступает уже зашифрованный и упакованный в нужный формат. Подготовленный контент поступает от контент-агрегатора, это новый игрок на рынке предоставления услуг IPTV. Он является посредником между мелкими провайдерами и поставщиками контента, представляя интересы нескольких провайдеров, что даёт возможность заявить большую клиентскую базу и по меньшей стоимости купить контент.
Режимы передачи трафика и протоколы в IP-сетях Сеть передачи можно построить разными способами, базовые требования можно сформулировать следующим образом: достаточная полоса пропускания - от 4 Mbps для MPEG2 и от 2,5 Mbps для MPEG4 для получения приемлемого качества изображения на среднестатистическом телевизоре; поддержка Multicast во всей сети, обязательное условие для реализации услуг IPTV; сквозная поддержка механизмов QoS для расчета ресурсов полосы пропускания. Если используется достаточная полоса пропускания, услуга работает, но необходимо учитывать приоритетный трафик.
Для предоставления услуг IPTV используют следующие режимы передачи трафика: multicast - при трансляции телевизионных каналов, и unicast - при предоставлении услуги VoD.
Рассмотрим указанные режимы более подробно.
Multicast [28] - это многоадресная передача, которая подразумевает пересылку пакетов только тем устройствам, которые выполнили соответствующий запрос, тем самым присоединившись к группе.
Одним из удобств режима «multicast» является простота процесса подключения и отключения для абонента в любой момент времени. Данная функция целиком возложена на сетевые устройства, и от источника видеопотока не требуется никаких действий при добавлении/удалении нового получателя мультикастового потока. В мультикастовых системах все получатели могут смотреть одновременно один и тот же видеопоток.
Преимущества мультикаста: только одна копия видеопотока вещается в сети, что уменьшает требования к полосе пропускания; процесс создания копий пакетов видеопотока возложен на сетевые устройства, что разгружает источник видеопотока; простота развертывания системы вещания по IP-сетям; при мультикасте возможно использование видеосигнала более высокого качества за счет меньшего сжатия.
К недостаткам мультикаста можно отнести то, что в конкретный момент времени абоненту можно смотреть только то, что вещается источником видеосигнала, и на это процесс повлиять нельзя. Сетевое оборудование должно поддерживать мультикастинг и должно быть сконфигурировано соответствующим образом. Мультикаст увеличивает нагрузку на маршрутизаторы сети.
Unicast – это одноадресная рассылка, т. е. каждый пакет доставляется только одному получателю. Каждый видеопоток предназначен только для одного получателя, если несколько абонентов хотят смотреть одну и ту же программу (фильм), то источнику сигнала необходимо создать соответствующее число юникастовых потоков от источника до каждого получателя.
Основным преимуществом юникастового вещания является то, что абонент может посмотреть именно то, что он хочет в конкретный момент времени. Обычно системы юникастового вещания дополняются функциями, обеспечивающими остановку, паузу и перемотку при просмотре. Системы юникастового вещания не требуют специального оборудования, используемого для мультикастовых приложений.
Оценка разработанной модели
Цель данного эксперимента доказать способность модели учитывать влияние специфических характеристик видео. Для этого необходимо сравнить оценки качества передачи видео, полученные моделью с субъективным методом оценки. В качестве субъективного метода был выбран метод Double-Stimulus Continuous Quality-Scale (DSCQS) – метод с двумя источниками воздействия и непрерывной шкалой качества и с использованием шкалы искажений – описанный в рекомендации ITU-R BT.500-13.
Метод DSCQS может быть применён для оценки новой системы, либо влияний трактов передачи на качество [87]. Метод DSCQS используется в тех случаях, когда ограничены возможности источников воздействия и сложно обеспечить условия испытания, охватывающие полный диапазон качественных оценок. Метод является циклическим, при котором экспертов просят рассмотреть пару изображений, полученных от одного и того же источника, но одно из них при этом подверглось процессу обработки (например, ухудшающим воздействиям), а второе получено непосредственно от источника.
Наблюдателям предлагают просто оценить общее качество каждого представленного изображения, проставив отметку на вертикальной шкале. Такие вертикальные шкалы печатаются попарно для сдвоенного представления каждого тестируемого изображения. Эти шкалы представляют собой систему непрерывной оценки во избежание ошибок квантования, но они разделены на 5 отрезков равной длины, соответствующих обычной пятибалльной шкале качества ITU [42].
Для повышения точности исследований рекомендуется экспертов сначала протестировать на способность цветовосприятия, остроту зрения и т. д. Для этого используют таблицы Ишихара (для проверки цветовосприятия), Ландольта и Снеллена (для определения остроты зрения).
Тестирование проводилось в лабораторных условиях, в качестве экспертов выступали студенты. Перед проведением экспериментов было проведены тесты на проверку зрения, чтобы отсеять завышенные/заниженные оценки на более раннем этапе. В тестировании исследовались три видеопоследовательности: 1) «Go Pro» содержит нарезку видеозаписей с экстремальными видами спорта; 2) «Hip Hop» – демонстрация танца; 3) изображение жизнедеятельности опарышей. Все видеопоследовательности были представлены в трёх форматах: 1) CIF (Common Intermediate Format, общий промежуточный стандарт) – разрешение 352288; 2) QCIF (Quarter CIF, четверть от стандартного разрешения CIF) – разрешение 176144; 3) формат 4:2:0 с разрешением 720576, что соответствует профилю «Main» стандарта Moving Picture Experts Group (MPEG-2) [88].
В ходе проведения экспериментальной оценки использовалась та же установка, что и в предыдущем пункте, она показана на рисунке 3.9. Экспериментальная установка состоит из источника видео, передающего пакетизированное видео на приёмник через сеть, состоящую из трёх коммутаторов, где пакеты подвергаются влиянию, имитирующему прохождение по реальному пути с соответствующими характеристиками. Также как и в предыдущем исследовании, в качестве источника реального видео в IP-сети использовался медиаплеер VLC player, позволяющий проигрывать видео в режиме multicast и отправлять его в сеть, а также принимать на другом компьютере и проигрывать. В ходе эксперимента проводилась оценка качества передачи видео с помощью субъективного метода DSCQS и метода Рисунок 3.10 – Оцениваемое видео на источнике
Оцениваемое видео на приемнике предложенного в модели и основанного на вычислении значения PSNR с учётом специфических характеристик видеопотока. Методика расчёта значений PSNR описана выше. На рисунках 3.10 и 3.11 представлены стоп-кадры оцениваемого видео со стороны источника и получателя для последовательности «Go Pro».
Представленное видео на рисунке 3.11 было оценено по значениям DSCQS на 2, PSNR – 18,716 дБ. Видео оценивалось для разных кодеков и скорости передачи. Сводные данные представлены в таблице 3.3. Взаимосвязь субъективного метода оценки DSCQS и объективного PSNR представлена на рисунке 3.12.
В результате проведения эксперимента показано, что оценки модели и субъективного метода имеют высокую степень корреляции, что доказывает способность модели учитывать специфические характеристики видео и пригодность модели для оценки качества передачи видеоМоделирование влияния различных кодеков в зависимости от уровня потерь
Целью проведения моделирования является оценить чувствительность модели к специфическим характеристикам видеоприложений, таким как размер кадра, формат, тип кодека (схема маскировки ошибок).
В ходе моделирования ставилась задача определить среднее искажение для различных типов кодеков (MPEG-2, H.264) и форматов (CIF, QCIF) в зависимости от уровня потерь и уровня пачечности для разных периодов времени оценки 60 и 180 с. Под уровнем пачечности понимается количество подряд потерянных пакетов. При моделировании пачечного случая рассматривалось 2 состояния с вероятностью потерь 0,001 и вероятностью потерь 0,9. В случае «Бернулли» вероятность потерь распределялась в диапазоне 0,020,04. Численные результаты представлены в таблицах 3.4 и 3.5.
Методы оценки параметра Хёрста
Как видно из рисунка 4.6, потери существенно не влияют на показатель Хёрста при поступлении в сеть потоков VBR. При достижении уровня потерь в 95 % степень самоподобия немного меньше, чем при 5 %, но результаты моделирования не показали глобальных изменений.
Таким образом, по результатам моделирования доказано, что добавление к потокам видеотрафика с переменной скоростью (Variable Bit Rate – VBR) не влияет на значение параметра Хёрста вплоть до аномально высокого уровня потерь в 95 %. В то же время установлено, что добавление к потокам видеотрафика трафика с постоянной скоростью (Constant Bit Rate – CBR) уже при достаточно небольших скоростях приводит к значимому изменению параметра Хёрста. Последнее является основанием для возможного использования значений параметра Хёрста для выявления аномальных изменений при передаче трафика.
Существенную зависимость значений параметра Хёрста удалось найти при добавлении в сеть трафика иной природы, а именно: речевого трафика CBR. При добавлении трафика CBR, например, со скоростью 128 кбит/с, степень самоподобия суммарного потока заметно увеличивается, о чем свидетельствуют
Итак, при появлении в сети даже одного потока CBR, который даже не требует существенных ресурсов сети, степень самоподобия суммарного потока увеличивается. Заметим, что «торрент» трафик в фазе устойчивой трансляции также может быть отнесен к трафику CBR. Таким образом, оценка параметра Хёрста может быть использована для выявления аномалий трафика, в том числе и различных вторжений в сети.
На рисунке 4.8 представлены результаты моделирования для шести видео потоков VBR и двух речевых потоков CBR. В данном эксперименте у двух потоков видео был задан закон распределения Парето, у оставшихся четырех экспоненциальный. Оценивалось изменение параметра Хёрста в зависимости от увеличения скорости одного CBR потока в диапазоне от 5 до 95 Мбит/сек. Оценка параметра Хёрста производилась разными методами: метод анализа
Как видно из рисунка 4.8 при наличии в сети нескольких потоков видеотрафика, при увеличении скорости речевого потока значение параметра Хёрста суммарного потока растёт не значительно. Существенное увеличение параметра Хёрста наблюдается при достижении максимальной пропускной способности исследуемой сети, что скорее обусловлено изменением состояния сети в связи с перегрузкой её элементов.
В ходе моделирования проводился ряд экспериментов с различными начальными данными, в том числе исследовалось влияние размера пакета на значение параметра Хёрста. При размере пакетов в 1 000 байт значение параметра Хёрста в среднем располагается в диапазоне 0,724 (метод «Анализа графика изменения дисперсии») – 0,684 (метод Хигучи).
Рассматривалась зависимость от шага увеличения скорости потока, выключили 1 VBR поток, тем самым снизили нагрузку на сеть, в сети присутствовало 5 VBR потоков и 2 CBR потока, скорость меняется кратно 10 000 кБит/с. Значения параметра Хёрста лежат в среднем от 0,456 (метод «Анализа графика изменения дисперсии») до 0,442 (метод Хигучи).
При уменьшении шага моделирования скорости потока от 10 000 кБит/с до 1 000 кБит/с. Значения параметра Хёрста лежат в среднем от 0,496 до 0,520.
При эксперименте, в котором не учитывался размер пакета для трафика CBR, значения параметра Хёрста в среднем находились в диапазоне 0,6060,709. Наблюдался всплеск на скорости 60 Мбит/с, оценка параметра Хёрста составила 0,7 (метод «Анализа графика изменения дисперсии») – 0,9 (метод Хигучи). Результаты данного эксперимента представлены на рисунке 4.9. Также можно отметить нестабильность оценок параметра Хёрста разными методами при данных условиях.
В настоящее время услуги IPTV не ограничиваются стандартными пакетами, предлагаемыми крупными операторами связи. Стремительно меняется ситуация как в части увеличения числа производителей видеоконтента, так и в части способов его доставки. Если для предоставления услуг IPTV с надлежащим качеством, операторы связи применяли комплекс алгоритмов, методов и технологий, которые позволяли при ограниченном объёме ресурсов сети (в частности пропускной способности на абонентском участке и уровне агрегации) максимально эффективно использовать возможности сети для обеспечения хорошего качества интерактивных услуг, то в последнее время, технологии и протоколы, распространенные в Интернете, позволяют осуществлять трансляцию телевизионных каналов и передачу видеоконтента в реальном режиме времени с приемлемым QoE. Большую популярность получают трансляции видеоконтента самими его производителями, например, многие телерадиокомпании (ТРК) имеют сайты в Интернете, с которых в режиме «онлайн» идет вещание программ телеканалов, принадлежащих такой ТРК. Таким образом, в сети большую долю трафика начинает составлять трафик видео в режиме «онлайн», тем самым оказывая влияние на характеристики Интернет-трафика. В целях поддержания качества передачи видео и других видов трафика на существующем уровне и его улучшения в дальнейшем большой интерес вызывает вопрос исследования особенностей трафика, возникающего в сети при обращении пользователей к услугам вещания телеканалов в режиме «онлайн» через Интернет, а также возможности для своевременного учёта увеличения трафика в сети.
