TCPデータ通信との公平性を考慮した
輻輳適応能力を有する
MPEG動画像通信のための品質調整機構
Network
Architecture
Res. Group
Dynamic Quality Adaptation Mechanisms
for TCP-friendly MPEG Video Transfer
大阪大学 大学院基礎工学研究科 情報数理系専攻
柏原研究室 博士前期課程 2年
宮林 正樹
E-mail: [email protected]
Feb 19, 2002
修士論文発表会
1
研究の背景
Network
Architecture
Res. Group
• TCP と UDP の不公平性
– TCP: 非リアルタイム系データ通信
• 輻輳制御
– UDP: リアルタイム系マルチメディア通信
• 制御なし
プロトコル間
性能格差拡大
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
UDP
TCP
Rate [Mbps]
マルチメディア
アプリケーションの増加
TCP,UDP混在時
0
10
20 30 40
Time [sec]
50
60
研究の目的
Network
Architecture
Res. Group
• 狭帯域なネットワーク上でTCPデータ通信と
公平かつ高品質な動画像通信の実現
– TCP データ通信との公平性
• TFRC (TCP-Friendly Rate Control)
– 狭帯域での動画像通信
• MPEG-4 FGS (Fine Granular Scalability)
動画像品質調整手法の提案
Feb 19, 2002
修士論文発表会
3
TCP-friendlyを実現するレート制御
•
Network
Architecture
Res. Group
TCP-friendly の定義
– 同一ネットワークパス上における, non-TCP と
TCPのスループットが等しいこと
•
TFRC (TCP-Friendly Rate Control) [2]
– ネットワーク状態に応じて、UDPのデータ転送量
を調整
– TCP と公平かつ TCP より安定した通信を実現
[2]: S. Floyd, M. Handley, J. Padhye, and J. Widmer, “Equation-based Congestion
Control for Unicast Applications: the Extended Version,” Technical Report TR-00-003,
International Computer Science Institute, March 2000.
TFRC レート制御手法
Network
Architecture
Res. Group
1. ネットワークの状態推定
– RTT,パケット棄却率 p
2. TCP コネクションのスループット rTCP 予測
MTU
rTCP 
RTT 2 p 3+ To (3 3 p 8 ) p( 1+ 32 p2 )
3. データ送出レートの決定
動画像データ
Network
TFRC
sender
Feb 19, 2002
フィードバック情報
修士論文発表会
TFRC
receiver
5
MPEG-4 FGS 動画像の基本構造
Network
Architecture
Res. Group
VOP (Video Object Plane)
Enhancement
Layer
Embedded DCT
Base Layer
DCT
I
P
P
P
GOV (Group of Video Object Plane)
• 帯域変動への適応力に優れている
• 上位レイヤデータの棄却が他のVOPに波及しない
Feb 19, 2002
修士論文発表会
6
TFRC レート制御の
動画像通信への適用
Network
Architecture
Res. Group
• TFRCレート制御コネクション上で
動画像データ転送
• TCPと公平に帯域を分け合う通信を実現
しかし
• TFRC: レート制御が上位のアプリケーションに
与える影響を考慮していない
– 動画像品質変動が激しくなるなどの問題発生
Feb 19, 2002
修士論文発表会
7
FGSのための動的品質調整手法
データ送出レート
Network
Architecture
Res. Group
G-G smooth
• GOVを単位とした制御
• TCPデータ通信と公平に
帯域を共有
• 高品質かつ安定した
動画像通信を実現
GOV
パケット棄却の発生により
動画像品質に影響が及ぶ
Feb 19, 2002
SNR [dB]
パケット棄却による画質劣化
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
Network
Architecture
Res. Group
Loss = 0
Loss = 10e-2
0
50
100
150
200
VOP number
250
300
• パケット棄却発生
– 基本レイヤが失われると,低品質な期間が続く
– 上位レイヤが失われると,瞬間的な画質劣化が発生
FECによるパケット棄却の影響を抑制
9
FEC (Forward Error Correction)
Network
Architecture
Res. Group
Reconstructed
packet
Video packet
k=5
FEC generator
n=8
n – k 個以内の棄却までは保護可能
FEC packet
• 許容できるパケット棄却率(目標棄却率)を
達成するように冗長度を決定
10
冗長度の影響
Network
Architecture
Res. Group
• 冗長度の割合
– 多い
• 動画像データに割り当てられるデータ量が減少する.
• 動画像の画質が低下する.
– 少ない
• 棄却による動画像データへの影響が大きくなる.
• 画質変動が激しくなる.
送出レート
観測棄却率
目標棄却率
Feb 19, 2002
冗長度
修士論文発表会
動画像レート制御
(G-G smooth)
11
動的品質調整手法
Network
Architecture
Res. Group
• TFRCからのフィードバック情報よりGOV開始時に
データ送出レートを決定
• 平均網内パケット棄却率を算出
• 目標パケット棄却率を達成するための冗長度を決定
• 残余帯域にあわせて動画像データを生成,送出
データ送出レート
冗長レート
平均網内棄却率
目標棄却率
上位レイヤレート
基本レイヤレート
GOV
SNR [dB]
提案手法の有効性評価
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Network
Architecture
Res. Group
w/o FEC
w/ FEC (10e-3)
w/ FEC (10e-4)
0
50
packet loss probability
1
100 150 200
VOP number
250
300
• 棄却が発生しない時は画
質が低くなる
• 動画像データに対する棄
却率が大きく下がる
• 棄却による画質劣化を抑
制でき、緩やかな画質変動
Pave
1e-01
1e-02
1e-03
1e-04
1e-05
1e-06
1e-07
0
50
100 150 200
VOP number
250
300
• 目標棄却率=10e-4に設
定することで、高品質か
つ安定した動画像通信
が実現可能
まとめと今後の課題
Network
Architecture
Res. Group
• まとめ
– TCP と公平かつ高品質な MPEG-4 動画像
通信を実現するため
• パケット棄却の影響に関する検討
• FECを用いた動的品質調整手法の提案と
シミュレーションによる評価
• 今後の課題
– 動画像レート制御のスムージング遅延
– さらに効果的な品質調整
Feb 19, 2002
修士論文発表会
14
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