Содержание к диссертации
ГЛОССАРИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. Видеосигналы в каналах мобильной связи 14
1.1 .Целесообразность внедрения услуги передачи видео в существующих
сетях GSM 14
1.2.Услуги на основе передачи видео 15
Мультимедиа сервис 15
Видеоконференцсвязь 17
Видеотелефония 18
Потоковое видео (видео по запросу) 19
Специфические применения услуг на основе передачи видео 20
1.3.Передача видео в мобильной связи 21
1.3.1. Возможности существующих систем мобильной связи по передаче
видеосигналов 22
1.3.1.1. Особенности формирования сигнала в технологии EDGE....24
1.3.2. Возможности систем 3G по передаче видео 31
1.4.Принципы сжатия видео на примере MPEG4/simple profile 32
Режим I-VOP 35
Режим P-VOP 40
1.5.Уровни качества видео и методы его оценки 42
Выводы 5
ГЛАВА 2. Оценка степени необходимости использования видеокодека при
передаче видео 53
Возможность передачи видео в существующих сетях GSM 53
Анализ возможности передачи видеоданных без использования видеокодера 57
2.3. Анализ возможности передачи компрессированного видеосигнала 58
Выводы 65
ГЛАВА 3. Реализация видеокодека и исследование его характеристик 67
Тестовые видеопоследовательности 67
Реализация видеокодека в Matlab 7.0 72
Исследование характеристик видеокодека 103
3.3.1. Зависимость качества от скорости передачи. Уровень качества
V0 111
3.3.2. Зависимость качества от скорости передачи. Уровень качества
VI 113
3.3.3. Зависимость качества от скорости передачи. Уровень качества
V2 115
Выводы 118
ГЛАВА 4. Имитационная модель канала передачи сети GSM. Исследование
характеристик канала 120
Общие положения 121
Постановка задачи 124
Имитационная модель канала 126
Имитационная модель канала data E-TCH/F28.8 129
Имитационная модель канала data E-TCH/F32.0 135
Имитационная модель канала EGPRS Packet data block type 9 138
4.4. Результаты имитационного моделирования канала в Matlab 142
Выводы 144
ГЛАВА 5. Исследование влияния характеристик канала передачи на качество
видеоизображения 146
Общие положения 146
Имитационное моделирование процесса передачи видеоданных 147
Влияние характеристик канала передачи на качество видеоизображения 151
Выводы 162
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 163
Литература 166
Приложение 1 173
\
ГЛОССАРИИ
3GPP
3GPP2
8-PSK
BER CBPY
CCIR CCIR601
CDMA CIF
ECSD
EDAP
EDGE
EGPRS ETSI
FLC GMSK
3-Generation - 3-е поколение мобильной связи.
Характеризуется высокими скоростями передачи более
2Мбит/с.
3-rd Generation Partnership Project - Проект партнерства по
системам 3-го поколения
3-rd Generation Partnership Project-2 - Второй проект
партнерства по системам 3-го поколения
8-Phase Shift Keying, 8-ми позиционная фазовая модуляция
Asynchronous transfer mode, асинхронный режим передачи
Bit error ratio, вероятность ошибок на бит Coded block pattern for luminance - таблица из 4-х бит, содержащая информацию о том, в каких блоках данного макроблока закодирован только DC-коэффициент
Consultative Committee on International Radio
Стандарт ITU-R ВТ.601. Включает методы кодирования и
формата телевизионных сигналов
Code division multiple access, кодовое разделение каналов
Common Intermediate Format - формат изображения,
определенный в рекомендации ITU Н.261 для видеотелефонии:
разрешение изображения 352x288 пикселей.
Cyclic redundancy check/code
Coding Scheme, схема кодирования в GPRS.
Коэффициент с координатами (0,0) в блоке ДКП.
EDGE в режиме с коммутацией каналов
Пул (EGPRS Dinamic Abis Pool)
Enhanced Data Rates for Global Evolution — повышение скорости
передачи данных для глобальной эволюции. Технология,
разработанная группой ETSI.
Enhanced GPRS, EDGE в режиме с коммутацией пакетов.
European Telecommunications Standards Institute - Европейский институт телекоммуникационных стандартов
Forward error correction, прямая коррекция ошибок Fixed Length Code, код с фиксированной длиной слова Gaussian Minimum Shift Keying, Гауссовская модуляция с минимальным сдвигом
GPRS
H.261
H.263
HSCSD
HSDPA
IP backbone ITU
ITU-T
I-VOP MAD
MLSE MMS
MOS MPEG-4
MS MSC
PSNR
P-VOP
QCIF
General Packet Radio Service — обобщенные услуги пакетной
радиопередачи
Global system for mobile communications, Глобальная система
мобильной связи
ITU Н.261 стандарт кодирования цифрового видеосигнала для
видеотелефонии
ITU Н.263 стандарт кодирования цифрового видеосигнала
High Speed Circuit Switched Data - высокоскоростная передача
данных с коммутацией каналов.
High Speed Downlink Packet Access - высокосростная передача
пакетных данный на линии вниз в UMTS
Сеть IP в GSM/GPRS сети.
ITU-T International Telecommunication Union, Международный
союз электросвязи
ITU-T International Telecommunication Union -
Telecommunication Standardization Sector — Международный
союз электросвязи, сектор телекоммуникаций
Intra-VOP, план видеообъекта, кодируемый с внутрикадровым
предсказанием
Mean Absolute Difference — отклонение значений-пикселов
макроблока от их средней величины в макроблоке'
Maximum likelihood sequence estimation
Multimedia Messaging Service, сервис передачи
мультимедийных сообщений
Mean Opinion Score, Оценка средних мнений
Стандарт компрессии видеосигнала. ISO/IEC JTC1/SC29/WG11
CODING OF MOVING PICTURES AND AUDIO; MPEG-4
Video Verification Model.
Mobile station, мобильная станция
Mobile services switching center, Центр коммутации мобильной
связи
Peak Signal to Noise Ratio,-Пиковое отношение сигнал/шум.
Объективная оценка качества видео
Predicted VOP, план видеообъекта, кодируемый с межкадровым
предсказанием
Quarter Common Intermediate Format - формат изображения,
определенный в рекомендации ITU Н.261 для видеотелефонии:
разрешение изображения 176x144 пикселей.
Quality of service, качество обслуживания Quantisation parameter, Параметр квантования Radio link control, контроль радиолинии в EDGE
SGSN
SNR TDMA
UMTS
UTRA
UTRA
VAD VHS
VLC VLR
WCDMA
Артефакт
ДИКМ
Пиксел
Serving GPRS support node, узел поддержки GPRS
Short message service, сервис передачи коротких сообщений
Signal-to-noise ratio, отношение сигнал/шум
Time division multiple access, временное разделение каналов
Universal Mobile Telecommunication System - универсальная
система мобильной связи. Стандарт 3G, разработанная для
применения в Европе.
UMTS Terristrial Radio Access, Frequency Division Duplex,
UMTS с частотным разделением каналов
UMTS Terristrial Radio Access, Time Division Duplex, UMTS с
временным разделением каналов
Voice activity detection, детектор активности голоса
Video Home System, Система домашнего видео, используется в
видеомагнитофонах
Variable Length Code, код с переменной длиной слова
Visitor location register, визитный регистр местонахождения
Video Object Plan, план видеообъекта, обычно соответствует
одному кадру
Video quality metric, объективная оценка качества цифрового
видео
Wideband CDMA, широкополосная CDMA, стандарт
радиодоступа UMTS
Color Space Pixel Format, соответствующий рекомендациям
CCIR 601 4:1:1
Ложное изображение, возникающее вследствие компрессии
видео.
Импульсно-Кодовая Модуляция
Дифференциальная Импульсно-Кодовая Модуляция Дискретное косинусное преобразование Пиксел (англ. pixel - минимальный элемент изображения) — минимальная площадка (деталь) изображения, различаемая и воспроизводимая видеосистемой, внутри которой яркость и цвет считаются постоянными, т.е. внутри элемента яркость и цвет воспринимаются глазом равномерными.
Разрешение Четкость цифрового видеоизображения. Оценивается в пикселях по горизонтали и вертикали.
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время рынок мобильной связи достигает насыщения: по данным аналитических компаний, проникновение мобильной связи в России превышает 100%. На этом фоне расширение спектра предоставляемых оператором услуг и повышение их качества становятся необходимыми факторами в конкурентной борьбе.
Помимо таких распространенных приложений, как видеотелефония и просмотр видеоклипов, услуги на основе передачи видеоизображений могут найти применение в других сферах деятельности человека, например, в промышленности (мониторинг территорий повышенной опасности, удаленный контроль газовых и нефтедобывающих вышек, трубопроводов) и видеонаблюдении (контроль опасных участков автодорог, охранные системы и т.п.).. Развитие систем мобильной связи направлено на создание передовых технологий, которые позволяют подготовить базу для реализации таких услуг, как передача видео. Важным этапом развития мобильной связи является переход к системам третьего поколения 3G (3-d Generation). Технологии 3G предусматривают внедрение услуг, связанных с передачей видеоданных, но требуют развертывания новой сети связи.
В то же время наиболее распространенным стандартом сотовой связи в мире является GSM. Количество абонентов сетей GSM в мире превышает 80% от общего количества пользователей мобильной связи [1]. Развитием системы GSM является технология высокоскоростного радиодоступа EDGE. Для внедрения EDGE в системе GSM требуются незначительные изменения конфигурации сети по сравнению с 3G. Технология EDGE предоставляет возможности по скорости передачи, сопоставимые с 3G, подходящие для организации услуг на основе передачи видео, что стало отправной точкой исследований, выполненных в данной работе.
Важным условием конкурентоспособности видео-услуг является качество сервиса. Качество приема видеоизображения зависит от многих факторов, в том
9 числе от типа передаваемой видеоинформации, используемого видеокодека, а также от характеристик канала передачи. Для оценки влияния этих факторов в работе используются численные оценки качества видеосигналов.
Ограниченный частотный ресурс, невысокие скорости передачи в мобильной связи вызывают необходимость определения граничных значений требуемой пропускной способности канала для передачи видео нужного качества. Важным фактором, влияющим на качество видеоизображения, является помеховая обстановка в канале мобильной связи; поэтому необходима оценка ее влияния на передаваемый видеосигнал. Рассматриваемые в данной работе объекты исследования, в конечном итоге, позволят установить связь между трафиком передачи видеосигнала, качеством передаваемого видеоизображения и скоростью передаваемой информации, а также влияние отдельных частей сети передачи на указанные характеристики.
Таким образом, диссертационная работа, посвященная исследованию характеристик и показателей качества видеосигналов при передаче по каналам мобильной связи, соответствует современной научной проблематике и является актуальной.
Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в получении различных параметров качества видеоизображения, необходимых для разработки специальных видеосистем дистанционного видеонаблюдения и т.п. через сеть GSM/EDGE, и их зависимости от характеристик канала передачи.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
провести анализ возможностей существующих систем мобильной связи по передаче видеосигналов;
реализовать видеокодек на программном уровне и исследовать его характеристики;
получить характеристики зависимости качества видеоизображения от скорости передачи при различных уровнях качества, определить пороговые
10 значения скорости передачи данных, необходимые для достижения требуемого качества видеоизображения;
разработать и реализовать имитационную модель канала передачи сети GSM/EDGE, исследовать характеристики канала передачи;
исследовать влияние характеристик канала передачи сети GSM/EDGE на качество видеоизображения, определить пороговые значения различных параметров канала, необходимые для достижения нужных показателей качества видеоизображения.
Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных процессов, статистического и имитационного моделирования.
Для численного анализа, проведения оценки и промежуточных вычислений использовался программный комплекс Matlab.
Обработка видеопоследовательностей и имитационное моделирование процессов передачи видеосигналов, а также оценка качества видеоизображений производились автором с помощью самостоятельно разработанных программ.
Научная новизна. Большинство исследований зависимости качества видеосигналов от характеристик канала передачи в мобильной связи ориентированы на передачу видео в сетях 3-го поколения, например, UMTS. Однако в настоящее время сети UMTS обслуживают 10% абонентов существующих сетей GSM/UMTS. В работе выполнены исследования, которые отражают зависимость качества видеосигналов от характеристик канала передачи в действующих сетях GSM, а также приводятся параметры качества видеоизображения, которые могут быть достигнуты при разных уровнях помех в канале.
Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:
Предложена реализация специализированных видео-услуг в существующих сетях GSM/EDGE.
Выполнена программная реализация видеокодека MPEG-4 в Matlab.
Создана имитационная модель канала передачи сети GSM с технологией EDGE и модуляцией 8-PSK.
Определена зависимость показателей качества видеоизображения от характеристик канала передачи сети GSM/EDGE.
Получены значения граничных скоростей передачи в канале, необходимые для передачи видеоизображения с разными уровнями качества видео.
Определены пороговые значения коэффициента ошибок в канале передачи и соответствующие численные показатели ухудшения качества видеоизображения.
Показано, что с увеличением уровня качества видео влияние ошибок передачи на ухудшение качества становится более заметным. Получены соответствующие значения величины ухудшения качества.
Определено требуемое отношение сигнал/шум в канале, которое необходимо обеспечивать при передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE.
Практическая ценность. Выполненные исследования зависимости качества' видео от характеристик канала передачи могут быть использованы операторами связи при проектировании и эксплуатации различных видео-услуг. Результаты работы также могут быть использованы в образовательном процессе высших учебных заведений связи, при написании учебников и учебных пособий, при разработке компьютерных систем моделирования процессов передачи видеосигналов в мобильной связи. Полученные характеристики могут быть использованы разработчиками аппаратуры при разработке и проектировании специальных систем видеосвязи.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов подтверждена большим объемом компьютерных экспериментов с реальными видеосигналами и имеющимися экспериментальными данными для некоторых приложений. Результаты работы были доложены на международном научном симпозиуме, где получили положительную оценку.
Личный вклад автора. Теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в диссертации, получены автором самостоятельно.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практическую эксплуатационно-техническую деятельность ОАО «Гипросвязь», «Электропроект» и в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, используются в научных разработках пакетов учебных программ и при постановке лабораторно-практических курсов, что подтверждено соответствующими актами внедрения.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты работы докладывались на международном телекоммуникационном симпозиуме «Мобильная связь». . Материалы, отражающие основное содержание и результаты диссертационной работы, опубликованы в материалах научно-технических конференций и отраслевых журналах — всего в пяти работах, в том числе в трех изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Основные положения, выносимые на защиту. Основные научные результаты, которые получены лично автором, включены в диссертацию, и выносятся на защиту:
Для передачи видеоизображения с уровнем качества V0 (малоподвижная видеотелефония) необходимо обеспечить граничное значение скорости передачи в канале 32 кбит/с, для уровня качества VI (видеотелефония) - 128 кбит/с, для уровня качества V2 (видеоконференция) - 256 кбит/с.
При коэффициенте ошибок в канале BER более 103 значение оценки качества видеоизображения PSNR снижается до нуля. При BER в канале 10 , значение оценки качества PSNR снижается на 3...12 дБ по сравнению с исходным, оценка ухудшения качества VQM составляет от 30 до 70%. При BER в канале 10"5 и менее значение оценки PSNR снижается не более чем на 1...2 дБ.
С повышением пространственного разрешения и подвижности видеоизображения увеличивается чувствительность качества к ошибкам передачи в канале GSM/EDGE. При коэффициенте ошибок 10"4 ухудшение
13 оценки качества PSNR при уровне качества V0 составляет 3 дБ, а при уровне качества V2 - 12 дБ.
4. При передаче видеосигналов в сети GSM/EDGE необходимо обеспечивать отношение сигнал/шум в канале не менее 15 дБ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований, и приложений. Работа содержит 172 страницы текста, 60 рисунков и 38 таблиц.
