STUDIA IN F O R M A T IC A Volume 22
2001 N u m b er 2 (44)
Arkadiusz S O C H A N
Instytut Inform atyki T eoretycznej i Stosow anej P A N
TRANSMISJE STRUMIENI MPEG-2 Z W YKORZYSTANIEM USŁUGI CBR SIECI ATM
S tre sz c z e n ie . W artykule opisano prace badaw cze dotyczące transm isji strum ieni M PE G -2 p o p rzez kanał o stałej przepływ ności bitow ej w sieci A T M . P race m iały charakter zarów no dośw iadczalno-pom iarow y, ja k i analityczny. W yniki p om iarow e porów nano z w ynikam i otrzym anym i z analitycznego m o d elu stanow iska. O kreślono zależność fu n k cy jn ą p o m ięd zy param etram i ruchu sieci A T M , natęż en iem strum ienia w ideo a ja k o ś c ią transm isji m ultim edialnej.
MPEG-2 STREAMS TRANSMISSION USING CBR CATEGORY OF ATM NETWORK
S u m m a ry . In th e paper, w e p resen t th e results o f research o f M P E G -2 stream s transm ission through C B R channel in A T M netw ork. W e ap p lied not only experim ental and m easu rem en t m ethods b u t analytical ones as w ell. T h e m easurem ent results w ere co m p ared w ith the results o f the analytical statio n m odel. W e proposed a functional descrip tio n o f dependence b etw een A T M traffic param eters, video stream b it rate, and q u ality o f m u ltim ed ia transm ission.
1. Wprowadzenie
Podczas eksploatacji system ów kom unikacyjnych o czekuje się, że b ę d z ie z n ic h korzystać znaczna liczba użytkow ników . Z drugiej strony d u ża liczb a je d n o c z e śn ie korzystających z sieci użytkow ników po w o d u je p ogorszenie ja k o śc i transm isji, czyli ja k o ś c i usług św iad
czonych przez sieć. Z apew nienie określonego pozio m u ja k o śc i n ab iera szczególnej w agi w Przypadku transm isji m u ltim ed ialn y ch w czasie rzeczyw istym . T ran sm isje tego ty p u staw iają przed siecią o w iele w yższe w ym agania niż transm isje d anych w klasycznym rozum ieniu.
O czek u je się, ż e sieć zapew ni dla nich odpow iednio d u ż ą szybkość, n ieza w o d n o ść i płynność przek azu . P o jaw ia się p roblem zn alezien ia pew nego kom prom isu p o m ięd zy tym i przeciw staw nym i w ym aganiam i. K om prom is pom ógłby operatorom sieci efektyw nie gospodarow ać posiadanym i zasobam i, a użytkow nikom p ozw oliłby dokładniej określać sw o je w ym agania.
W L ab o rato riu m K om puterow ych System ów M ultim edialnych OTTiS P A N p row adzone są m ięd zy innym i p race dotyczące doboru param etrów połączeń dla transm isji m ultim edialnych realizow anych z w ykorzystaniem standardu kodow ania M P E G -2 i tech n o lo g ii sieciowej A T M . P ro b lem ten je s t znany z literatury, a je g o rozw iązania poszukiw ano p rz e d e w szystkim m eto d am i sym ulacyjnym i. Prace b adaw cze prow adzone w L K S M m a ją n ato m iast charakter d o św iadczalno-pom iarow y. Z ajm ow ano się m iędzy innym i badaniam i transm isji strumieni M P E G -2 p o p rzez kanał o stałej przepływ ności bitow ej, czyli zestaw ianego w ram ach katego
rii usługi C o nstant Bit R ate o raz p o p rzez kanał o zm iennej przepływ ności bitow ej, czyli ze
staw ianego w ram ach kategorii usługi Variable B it R ate sieci A TM . W nin iejszy m artykule opisano prace zw iązane z transm isjam i p o przez kanał typu CBR.
2. Stanowisko doświadczalne i dane pomiarowe
S tanow isko dośw iadczalne składało się z serw era, na którym uruch o m io n o u słu g ę wideo n a żądanie, trzech stacji roboczych pełniących rolę klientów tej u sługi o raz analizatora proto
k o łó w sieciow ych. E lem enty te by ły połączone ze so b ą p o przez sieć A T M o przepustow ości 155 M b /s z b u d o w a n ą z trzech przełączników . S chem at pogląd o w y stan o w isk a je s t przedsta
w io n y n a rysunku 1.
S S f staqa kiiendca R ys. 1. S ch em at stanow iska pom iarow ego z zaznaczeniem p rzep ły w u inform acji Fig. 1. T he schem a o f the m easurem ent station and a viewr o f inform ation flow
Transmisje strum ieni M P E G -2 z w ykorzystaniem usługi C B R sieci A TM 115
Rolę serw era pelnil dw uprocesorow y S u n E nterprise 450. F u n k cje k lien tó w p ełn iły stacje Sun Enterprise U ltra 2. P odczas urucham iania oprogram ow ania, a w szczególności je g o czę
ści związanej z sy g n alizacją A TM , oraz p o d czas w stępnego etapu b ad ań w y korzystano A T M Sniffer A nalyzer. D o konfiguracji sieci dośw iadczalnej użyto p rzełączn ik a F o re A S X 2 0 0 -B X oraz dwóch p rzełączn ik ó w F ore R u n n erL E J5 5 . S tacja kodow ania, k tó ra po słu ży ła do przygo
towania strum ieni m ultim edialnych, była w yposażana w k o d er M P E G -2 czasu rzeczyw istego MovieMaker200.
Stanowisko p o m iaro w e zbudow ano n a b azie opro g ram o w an ia O racle Video S e rv e r prze
znaczonego dla usługi „w ideo na żądanie” . N ajw ażn iejszą c e c h ą tego o p ro g ram o w an ia je s t realizacja dostępu do składow anych strum ieni i m ożliw ość ich p rzesłan ia w czasie rzeczyw i
stym. D la potrzeb dośw iadczeń au to r opracow ał oprogram ow anie ro zszerzające m ożliw ości OVS. O pracow ane oprogram ow anie składa się z dw óch części: n adaw czej nazw anej Trans
mitter i odbiorczej nazw anej R eceiver. Z adaniem T ransm ittera je s t o d czy ta n ie strum ienia z dysku serw era (ew entualne rozdzielenie go n a część audio oraz w id eo ) i w ysłanie go do Receivera z zach o w an iem restrykcji czasu rzeczyw istego. Z adaniem R eceivera je s t odbiór przesyłanych do niego inform acji, grom adzenie danych (w szczególności znaczników czasu otrzymywania danych z d o k ład n o ścią 10"6s) dla an alizy statystycznej o raz opracow yw anie statystyk ogólnych. S trukturę program ów o raz przepływ inform acji m ięd zy nim i p rzed sta
wiono na rysunku 2.
Transmitter Receiver
Rys. 2. Struktura program ów Transmitter i Receiver oraz przepływ inform acji z ich udziałem Fig- 2. The structure o f th e Transmitter and Receiver program s and their inform ation flow
Do eksperym entów przygotow ano próbki strum ieni m u ltim ed ialn y ch różnego typu. Z a
proponowana klasyfikacja b y ła p rzep ro w ad zo n a p od kątem ro d zaju in fo rm acji, któ re stru
mienie przenoszą. W yróżniono sied em typów strum ieni:
• teledysk,
• sport (m ecz piłki nożnej),
• film akcji,
• program inform acyjny (w iadom ości),
• film anim ow any,
• w yw iad,
• sek w en cja w olnozm ienna.
Z ało żo n o , ż e ty p y te o d p o w iad ają najczęściej spotykanym ro d zajo m p ro g ram ó w telewi
zyjnych i k an ałó w tem atycznych. W klasyfikacji kierow ano się cecham i, które m a ją w pływ na w yniki ko d o w an ia w standardzie M P E G -2 (często ścią zm ian scen, szy b k o ścią zm ian położe
n ia obiektów n a scenie). Przygotow ano próbki zarów no o stałym n atęż en iu (ang. Constant bitrate), ja k i o zm iennym natężeniu (ang. V ariable bitrate). P aram etry k o d o w an ia (rozdziel
czo ść obrazów , form at kod o w an ia barw , natężenie itp.) ustalono zgodnie z p ro filem i pozio
m em głów nym (M P@ M L ) standardu M PE G -2. K odow anie przep ro w ad zo n o d la następują
cych w artości n atężen ia docelow ego w yrażonego w m egabitach n a sekundę: 2, 3, 4, 6, 8,10, 13 i 15. D o ln y i górny p róg zo stał w yznaczony m ożliw ościam i sprzętow ym i, wynikającymi ze stan d ard u M P E G -2. W przypadku strum ieni o zm iennym natężen iu przy jęto stałe natęże
nie szczy to w e o w artości 15M b/s. M odyfikow ano natom iast w artość śre d n ią n atężen ia doce
low ego - zastosow ano takie sam e w a rto ś c i-ja k w przypadku w artości szczytow ych dla stru
m ieni o stałym natężeniu. Przygotow ano łącznie 112 p róbek strum ieni o ró żn y ch wartościach n atęż en ia docelow ego i o czasie trw ania 10 m in u t każda. P o n iew aż k o dow ano programy p rzekazyw ane w system ie PA L, w którym przekazyw anych je s t w ciągu sek u n d y 25 pełnych o brazów , to k ażd a p ró b k a zaw ierała 15000 ram ek obrazu.
3. Metoda pomiarowa
W rekom endacjach dotyczących A T M p rzedstaw ione są dw ie m eto d y m ierzen ia czasu transm isji, k tó re s ą stosow ane do w yznaczania o późnienia k o m órek i w ariancji tego opóźnie
nia. P ierw sza m etoda po leg a na pom iarze czasu w dw u punktach: n a w ejściu i n a wyjściu kan ału transm isyjnego objętego badaniem . D latego m eto d a ta je s t o k reślan a ja k o m etoda z po m iarem dw upunktow ym . N a w ejściu je s t rejestrow any czas p o czątk u transmisji, a na w yjściu - czas je j zakończenia. M etoda w ym aga sto so w an ia w sp ó ln eg o zeg ara w obu p u n k tach pom iarow ych. D rugie rozw iązanie po leg a n a p o m iarze czasu w je d n y m punkcie - n a k o ń c u kanału transm isyjnego. R ejestrow ane są czasy zak o ń czen ia k olejnych transmisji, a na po d staw ie ró żn ic m ięd zy nim i s ą w yliczane odstępy p o m ięd zy kolejnym i ram kam i obra
zu. M etoda ta je s t pro stsza w im plem entacji. Jednak w p rzypadku w y stęp o w an ia n a trasie przesyłu p rzeciążeń lub prób naruszenia kontraktu w yniki o trzym yw ane p rz y stosow aniu tej m eto d y m o g ą by ć niepopraw ne. N atom iast, je śli n a trasie przesyłu n ie w y stę p u ją przeciążenia
Transm isje strum ieni M P E G -2 z w ykorzystaniem usługi C B R sieci A T M 117
i kontrakt je s t dotrzym yw any, czyli kanał transm isyjny je s t stabilny, to m eto d y s ą rów n o w aż
ne. Jak w ynika z w cześniejszego opisu przygotow anego i w ykorzystyw anego oprogram ow a
nia, w dośw iadczeniach w ykorzystano d ru g ą m etodę. W ym agało to je d n a k odpow iedniego przygotow ania eksperym entów , tak ab y zachow ać stabilność k a n a łu transm isyjnego. W tym celu w prow adzono „narzut” do rezerw ow anego p asm a po d czas zestaw ian ia połączenia. W ar
tość „narzutu” w y znaczono eksperym entalnie i w yniósł on d la strum ieni w id eo 5% . P rzy w y
znaczaniu „n arzu tu ” w ykorzystano analizator sieciow y, co p o zw o liło ob serw o w ać, czy w y
stępują straty ko m ó rek o raz w artości o późnienia kom órek.
Transmitter ---► R ece ive r Rys. 3. Idea realizacji po m iaró w w stw orzonym oprogram ow aniu Fig. 3. T he concept o f m aking o f the m easurem ents in the created softw are
4. Jakość transmisji multimedialnej
W przekazie m u ltim edialnym m o żn a w y ró ż n ić .d w ie zasadnicze części, które decy d u ją o jego jakości: p ierw szą, n ie z a le ż n ą od system u kom unikacyjnego i d ru g ą - zależną. Do pierwszej części m o ż n a zaliczyć etapy: akw izycji i kodow ania, d ek o d o w an ia i prezentacji oraz procesy przek azu danych w p oszczególnych etapach. N ato m iast d ru g a (k tó rą zajm ow ano się w ram ach o m aw ianych prac) d otyczy transm isji strum ienia m u ltim ed ialn eg o (z zakodo
waną inform acją) z u w zględnieniem relacji czasow ych. N a ja k o ś ć p rzek azu na tym etapie mają wpływ: szybkość transm isji (utrzym anie odpow iedniego tem p a przepływ u inform acji), stopień niezaw odności (ograniczenie strat inform acji) i zm ienność o p ó źn ien ia w p ro w ad zan e
go przez system k o m u n ik acy jn y (płynność przepływ u inform acji).
Na podstaw ie grom adzonych danych, p rzez przygotow ane opro g ram o w an ie, je s t estym o- wany średni odstęp p o m ięd zy ram kam i obrazu, w arian cja tego o d stęp u o raz je g o odchylenie standardowe. W p ro w ad zen ie narzutu p o zw o liło przyjąć ja k o m ia rę ja k o ś c i transm isji m u lti
medialnej odchylenie stan d ard o w e op ó źn ien ia ram ek obrazu, k tó re je s t ró w n o w ażn e estym o- wanemu odchyleniu standardow em u odstępu ram ek obrazu.
5. Model stanowiska pomiarowego
W zw iązk u z prow adzonym i dośw iadczeniam i stw orzono prosty, alg eb raiczn y model działan ia stanow iska, w celu um ożliw ienia zaw ężenia zakresu w arto ści p aram etró w badanego procesu o raz o szaco w an ia „n arzutu” w prow adzanego p rzez m ech a n izm y system ow e i kom u
nikacyjne.
O pracow any m odel stanow iska działa następująco:
• o bliczana je s t liczba pakietów potrzebnych do transm isji ram ki obrazu,
• o bliczana je s t liczba bajtów inform acji dodatkow ej (nagłów ki p ak ietó w i kom órek, ro zm iar p o la uzupełniającego, inform acje sterujące z A A L ), któ re m a ją być przesłane razem z ram ką,
• co 40 m s je s t w ysyłana seria pakietów zaw ierających ram k ę obrazu (lub je s t kontynu
ow an a p o p rzed n ia seria, je śli nie została je s z c z e przesłana),
• ob liczan e i grom adzone są czasy transm isji ram ek obrazu o raz ro zm iary „w ybuchów ” z uw zględnieniem zadanej przepustow ości,
• ob liczan e je s t standardow e odchylenie odstępu p o m ięd zy k o lejn y m i ram k am i obrazu oraz w artość oczek iw an a i odchylenie standardow e ro zm iaró w „w y b u ch ó w ” .
S chem at blokow y ogólnego algorytm u działan ia m o d elu algebraicznego je s t przedstaw io
n y na rysunku 4. Z m ienna tR p rzechow uje in fo rm ację o globalnym o p ó źn ien iu ram ek. Jeśli po zakończeniu sym ulacji w artość Łr je s t w ięk sza od 0.04, o zn acza to, że określonego strum ienia n ie udało się p rz e sła ć w ciągu 10 m inut kanałem o zadanej przepustow ości. Innym i słow y, dla takiej przepustow ości n a pew no n ie udało się dotrzym ać w arunków transm isji w ideo w czasie rzeczyw istym . W drugim przypadku należy poddać analizie p o zo stałe dane, zeb ran e podczas sym ulacji. W w ektorze X są grom adzone czasy transm isji ram ek, a dokładniej - grup kom ó
rek zaw ierających ram ki. N ato m iast w w ektorze B s ą zapam iętyw ane ro zm iary „w ybuchów ”.
D o estym acji w artości oczekiw anej i odchylenia standardow ego dla d anych z tego w ektora b rane s ą po d uw agę tylko pozycje „n iep u ste” .
Transmisje strum ieni M P E G -2 z w ykorzystaniem u sługi C B R sieci A T M 119
Rys. 4. O gó ln y algorytm d ziałan ia m o d elu stan o w isk a po m iaro w eg o Fig. 4. G eneric algorithm o f w orking o f the m easurem ent station m odel
6. Badania i analiza transmisji strumieni MPEG-2 poprzez kanał o stałej przepływności bitowej
D ośw iadczenia dotyczące p ołączeń typu C B R m iały na celu zn ale zien ie w m iarę prostej zależności p o m ięd zy p aram etram i ruchu, natężeniem docelow ym stru m ien ia w ideo a odchyleniem standardow ym op ó źn ien ia ram ek. W p rzypadku tego typu p o łącz eń dotyczyło to jednego param etru ruchu: przepływ ności szczytow ej (a ng. P e a k C eli R a te). P race w ykona
no w dwóch etapach. W pierw szym etapie posłużono się opracow anym m odelem , natom iast drugi dotyczył eksperym entów praktycznych. W obu p rzypadkach eksp ery m en ty dotyczyły transmisji tych sam ych strum ieni m ultim edialnych. W ykorzystano sied em typów strum ieni o stałym natężeniu docelow ym (C B R ) oraz zm iennym (V B R ) o w arto ściach 2, 3, 4, 6 i 8 Mb/s. W tran sm isjach zastosow ano 376-bajtow y ro zm iar pakietu. P rzep u sto w o ści kanału, czyli w artości szczytow e szybkości (PC R ), w yrażone w m eg ab itach n a sekundę, dla których przeprowadzano d o św iad czen ia, zaw iera tabela 1. W artości zo stały o b liczo n e z uw zględnie
niem inform acji dodatkow ej, przesyłanej ze strum ieniem w ideo (odp o w ied n io d la strum ieni:
2 .3 ,4 , 6, 8 ,1 0 ,1 3 i 15 M b/s), a n astępnie zostały p o w ięk szo n e o 5% .
T abela 1 S to so w an e przepustow ości kanału transm isyjnego [M b/s] d la w arstw y A A L i A TM
A A L 2,50 3,50 4 ,50 6,50 8,50 10,50 13,50 15,50 20,00 30,00
A TM 2,90 4,06 5,22 7,54 9,85 12,17 15,65 17,97 23,19 34,78
N a rysu n k ach 5 i 6 przedstaw iono w yniki przykładow ych eksperym entów - zależność od
chylenia standardow ego opóźnienia ram ek obrazu od przep u sto w o ści k an ału . R y su n ek 5 ilu
struje w yniki dla strum ieni w iadom ości o różnym natężeniu. N ato m iast n a rysu n k u 6 zapre
zentow ano w yniki d la różnych typów strum ieni o natężen iu docelow ym 2 M b/s. Przepusto
w o ść p o d an o dla w arstw y adaptacyjnej. K ażd y z rysunków sk ład a się z czterech wykresów składow ych. W ykresy składow e po lew ej stronie o b razu ją w yniki o trzym ane n a podstawie m o d elu stanow iska, po praw ej - poch o d zące z pom iarów . W ykresy sk ład o w e z góm ej części do ty czą strum ieni w ideo o stałym natężeniu docelow ym , a z dolnej części - o natężeniu zm iennym .
- CBB iW>i - CBB ■I**»'!
CBB }**>*
- CBB 2'•«*'>
- VBB ei*.-.
- ve* ufc-«
- V8B
Przepustowość kanału [Mb/s]
R ys. 5. O dchylenie standardow e opóźnienia ram ek na po d staw ie m o d elu i po m iaró w dla strum ieni C B R i V B R typu W iadom ości
Fig. 5. T he standard deviation o f frames delay from the m odel and from m easurem ents for C B R and V B R N ews streams
P rzyglądając się w ykresom m o żn a zauw ażyć, że w arto ść od ch y len ia ro śn ie w raz ze wzro
stem n atęż en ia strum ieni w ideo. N ajw ięk sze różnice w y stęp u ją dla stru m ien i o n isk im natę
Transmisje strum ieni M P E G -2 z w ykorzystaniem usługi C B R sieci A T M 121
żeniu (2 i 3 M b/s). D la w iększych natężeń w yniki s ą zbliżone. M o żn a zaobserw ow ać, że zwiększanie przep u sto w o ści od pew nego progu przestaje w pływ ać n a zm n iejszan ie się od
chylenia. W b adanym środow isku z a w artość p ro g o w ą m o ż n a uzn ać 17.97 M b/s. W idoczne jest rów nież, że w badanym środow isku „zap as” w przepustow ości dla strum ieni o dużym natężeniu (6 i 8 M b/s) m o że być n ieduży i je g o po w ięk szan ie n ie m a dużego w pływ u na otrzymywane w yniki. Inaczej je s t w przypadku strum ieni o n iższy m n atężen iu , d la których wpływ przepustow ości kanału transm isyjnego na odchylenie je s t zauw ażalny.
Porów nanie w yników z m o d elu oraz po m iaró w d o b rze ilu stru je w pływ m echanizm ów systemu operacyjnego i m echanizm ów kom unikacyjnych n a odchylenie stan d ard o w e o p ó ź
nienia ram ek. Z je d n e j strony w p ły w ają one n a w ygładzenie krzyw ych, co o z n acza o granicze
nie w pływu cech indyw idualnych stm m ien ia n a estym ow ane odchylenie. Z drugiej strony powodują zw iększenie w artości odchylenia.
Przepustowość kanału (Mb/s)
Rys. 6. O dchylenie standardow e opóźnienia ram ek na po d staw ie m o d elu i p om iarów dla strum ieni C B R i V B R o natężeniu 2 M b/s
Fig- 6. The standard deviation o f frames delay from the m odel and from m easurem ents for CBR and V B R 2 M b/s bitrate streams
0.04«
0.044 0.040 0.0M
«HL e.ojj
"© °m* E 0,824
* - 0020
•—
f00.01«
® 00.2
•N0 a
® 0.000
© o S
•§ o**
03 0.044
•Oc 0040 3 -
© 0.0 J2
1
>% «024
" o 0.020
TJO 0.0'ł
W ram ach drugiego etapu b adań starano się określić zale żn o ść p o m ięd zy w arto ścią p ara
metru PCR, n atężeniem docelow ym strum ienia w ideo a o d chyleniem stan d ard o w y m opóź
nienia ramek. N a p o d staw ie obserw acji serii próbnych przyjęto hipotezę, że zależność tę
m o żn a p rzed staw ić ja k o lin io w ą kom binację funkcji zależnych o d p o szczególnych, modyfi
kow anych w trak cie eksperym entów param etrów . fcBR^.X>y) = f n s i X) + fpCR^y) >
gdzie:
fcsR - odchylenie standardow e opóźnienia ram ek w ideo [s], x - n atężen ie strum ienia w ideo [M b/s],
y - przep u sto w o ść kanału transm isyjnego [M b/s],
D alsze p race m iały w ięc n a celu m iędzy innym i w eryfikację tej hipotezy. Z ależność stara
no się o k reślić korzystając z m etod regresji nieliniow ej. B adano m o ż liw o ść wykorzystania m ięd zy innym i następujących funkcji o postaciach zgodnych z p o sta w io n ą hipotezą:
f t ( x , y ) = a ]a r c tg (a 2 ln x + a 3) + blarctg(b2 l n y + ó, ) +c , (2)
f i ( x >y) = a ,a r c tg (a 2 l nx + a 3) 2 + btarctg(b2 ln y + b}f + c , (3) A (*> y ) = ai ‘g h (a 2x + a }) + b,tgh(b2y + b3) + c , (4)
A ( x , y ) = +■:■■ 1[, + c .
a , + a 2x bt + b 2y
f $ ( x > y ) =---.a ‘ ■+ t — 7 = = — + c , (fi)
a 2 + ^ a }x + a t b2 + 3Jb3y + bA
f . M - a 2 + e b2 + e ^ - ®
f 2( x , y ) = ---— r + r + c > ®
7 a 2 +e°>” “ ' b2 + e ^ gdzie:
a i, 02, a j, a 4, b /, ¿r?, b j, b4 i c - param etry funkcji.
P rzy ocenie w yników aproksym acji kierow ano się w a rto śc ią w sp ó łczy n n ik a R-kwadrat, nazyw anego ró w n ież w spółczynnikiem determ inacji oraz w a rto śc ią p ro p o rcji wyjaśnionej w ariancji zm iennej zależnej obliczanej ze w zoru:
P m v = ^ E z m , (9)
CSK gdzie:
P W W —p ro p o rcja w yjaśnionej w ariancji,
C S K - całk o w ita sum a kw adratów (w ariancja zm iennej zależnej), S K R - reszto w a sum a kw adratów (w ariancja spow odow ana resztam i).
Transmisje strum ieni M P E G -2 z w ykorzystaniem usługi C B R sieci A T M 123
T abela 2 W yniki aproksym acji w ykorzystyw ane do je j oceny uzyskane dla funkcji f i
Strumień Końcowa strata PWW R-kwadrat
Teledyski 10,15-lC* 92,59% 0,962
Sport 9,399-10-6 93,79% 0,968
Film akcji 19,28-10'6 88,06% 0,938
Wiadomości 1,883-10'6 93,16% 0,965
O Kreskówka 9,000-10'6 94,15% 0,970
Wywiad 13,38-10'6 90,86% 0,953
Wolnozmiermy 9,041-10* 96,97% 0,985
Uśredniony 9,753-10'6 93,71% 0,968
Teledyski 3,111-10'6 99,01% 0,995
Sport 2,537- 10'* 98,82% 0,994
Film akcji 4,780-10'* 97,15% 0,986
Qa Wiadomości 1,501 • 10"6 99,14% 0,996
> Kreskówka 1,148-10'* 99,41% 0,997
Wywiad 2,540-10'* 98,56% 0,993
Wolnozmienny 3,100-10'* 99,41% 0,997
Uśredniony 1,736-10* 99,11% 0,996
Uśrcdn ony - . 5,063-10“' £ 9658% 0.983 “1
Rys. 7. Odchylenie stan d ard o w e op ó źn ien ia ram ek w zale żn o ści o d n atęż en ia strum ienia wideo i przepustow ości kan ału dla strum ieni C B R
1 ■ The standard deviation o f flam es delay according to video stream bitrate and channel capacity for CB R streams
® 0,009
n o,oi2
0,015 S i 0,017 CD 0,02
□ 0,023 ES3 0,025 SB 0,028 M 0,031
■10,033
B i ponad
P rzy o cen ie b ran o pod uw agę nie tylko sam ą w artość w spółczynnika d eterm in acji i PWW, ale ró w n ież to, b y była o n a rów nie w ysoka dla w szystkich b adanych strum ieni aproksymowanych d a n ą funkcją. S pośród badanych funkcji najlepsze dopasow ania uzyskano d la funkcji fo opi
sanej w zo rem (7). W tabeli 2 przedstaw iono w yniki aproksym acji p o zw alające ocenić jej ja
kość dla tej funkcji.
^ 0,017 E 5 0,02 EU! 0.023 C D 0,026 tlKl 0,029 BSi 0,032
^ o!o38
1 2 3 p o n a d
Rys. 8. O dchylenie standardow e opóźnienia ram ek w zależności od n atęż en ia strum ienia w ideo i przepustow ości kanału dla strum ieni V B R
Fig. 8. The standard deviation o f frames delay according to video stream bitrate and channel capacity for V BR streams
W w yniku aproksym acji d la strum ieni o stałym natężeniu uzyskano funkcję:
1 1
f c ( x >y) - ■
- 4 1 ,7 5 - 1 0 ,12e° - 4 5 ,3 4 + 55,94e0,185^ + 16,21 - 1 0 '3
a je j postać g raficzn ą przedstaw iono na rysunku 7. P ojedyncze p u n k ty n a w y k resie reprezen
tu ją w yestym ow ane w artości odchylenia. W lew ym , górnym naro żn ik u ry sunku znajduje się h istogram reszt z aproksym acji. H istogram ten obrazuje ja k o ść d o p aso w an ia - najliczniejsze są reszty o w artościach bliskich 0.
W przypadku aproksym acji przeprow adzonych dla strum ieni o zm iennym natężeniu uzy
skano n astęp u jącą funkcję:
Transmisje stru m ien i M P E G -2 z w ykorzystaniem usługi C B R sieci A T M 125
fv ( * > y )
_
55]08 1 4 4 e 0.778x+ _ 59>g7 +
60 35g0,17!^ + 1 6 ’6 1 '10 (H)
Powierzchnia o p isan a tą fu n k cją zo stała przed staw io n a n a rysunku 8.
N ależy je s z c z e raz zaznaczyć, że aproksym acje zo stały przep ro w ad zo n e d la strum ieni w i
deo o natężeniu o d 2 do 8 M b /s i dla przep u sto w o ści kan ału tran sm isy jn eg o o d 2.9 0 do 34.78 M b/s. U zy sk an e funkcje m o żn a w ykorzystać do interpolacji, czyli ich w ykorzystanie ma sens d la x (n atężen ie stru m ien ia w ideo) z przed ziału [2,8] i y (p rzep u sto w o ść kanału transmisyjnego) z p rzed ziału [2.9, 34.8], W szystkie uzyskane fun k cje s ą o k reślo n e w tych przedziałach.
7. P o d su m o w a n ie
W opisanej części p rac prow adzono do św iad czen ia zw iązan e z tra n sm isją strum ieni MPEG-2 p o p rzez k an ał o stałej przepływ ności bitow ej. E k sp ery m en ty p rzep ro w ad zo n o dla strumieni m u ltim ed ialn y ch różnego typu, o różnym n atęż en iu d o celo w y m i ró żn y m rodzaju kodowania. P o ró w n an o w yniki o trzym ane p rzy w ykorzystaniu m o d elu stan o w isk a z w ynika
mi otrzymanym i z pom iarów . Spraw dzono w pływ w ielkości n atęż en ia stru m ien ia w ideo oraz przepustowości k an ału transm isyjnego na „płynność” transm isji w ideo, scharakteryzow anej odchyleniem stan d ard o w y m o p ó źn ien ia ram ek. O kreślono p o w y ż sz ą zale żn o ść w postaci funkcyjnej o stosunkow o prostej postaci.
Zależność m o że być w y k o rzy stan a na p rzykład p rzy tw o rzen iu system ów w ideokonferen- cyjnych lub „w ideo na żąd an ie” do efektyw nej g ospodarki zasobam i sieci.
literatura
1. Sochan A.: Z arządzanie połączeniam i w sieciach A T M dla potrzeb kom puterow ych transmisji m ultim edialnych. R ozpraw a doktorska w IITiS P A N , G liw ice 2000.
2- Sochan A .: B iblioteka sygnalizacyjna d la program ow ego zestaw iania p ołączeń w hetero
genicznym środow isku sieci A TM . Studia Inform ática, N um ber 1, G liw ice 2000.
L ISO/IEC 13818-2 / ITU -T H .262: Inform ation technology - G eneric coding o f m oving pictures and associated audio inform ation: V ideo. G enew a 1995.
4- ISO/IEC 13818-2 / IT U -T H .262 / A m d. 2: Inform ation technology - G eneric coding o f moving pictures and associated audio inform ation: V ideo. A m en d m en t 2 4:2:2 Profile.
Genewa 1996.
5. ISO /IEC 13818-2 / ITU -T H .262 / A m d. 3: Inform ation technology - G eneric coding of m oving pictures and associated audio inform ation: V ideo. A m endm ent 3. G enew a 1998.
6. ISO/EEC 13818-3: Inform ation technology - G eneric coding o f m oving pictures and asso
ciated audio inform ation - Part 3: A udio. G enew a 1998.
7. Furbush G. Stone D.: O racle V ideo Server D eveloper’s G uide 3.0. O racle Corporation 1998.
8. B obrow ski D.: Probabilistyka w zastosow aniach technicznych. W ydaw nictw a Naukowo- T echniczne, W arszaw a 1986.
9. B randt S.: M etody statystyczne i obliczeniow e analizy danych. P aństw ow e W ydawnictwo N aukow e, W arszaw a 1974.
10. G ajek L., K aluszka M .: W nioskow anie statystyczne W ydaw nictw a Naukowo-Techniczne, W arszaw a 2000.
11. Podręcznik: STA TISTIC A PL dla W indow s (T om I). StatSoft Polska, K raków 1997.
12. Podręcznik: STA TISTICA PL dla W indow s (T om 13). StatSoft Polska, K raków 1997.
13. Podręcznik: STA TISTIC A PL dla W indow s (Tom HI). StatSoft P olska, K raków 1997.
14. Podręcznik: STA TISTIC A PL dla W indow s (T om V). StatSoft Polska, K raków 1997.
R ecenzent: D r inż. K atarzy n a Stąpor
W płynęło do R edakcji 31 m arca 2001 r.
A b s tr a c t
hr the paper, w e present the results o f research o f M P E G -2 stream s tran sm issio n through C B R channel in A TM netw ork. W e applied not on ly experim ental an d m easu rem en t methods but analytical ones as w ell.
A descrip tio n o f the p roposed m easurem ent station (Fig. 1) includes: in stalled hardware, created softw are (Fig. 2) and prepared experim ental data. N ex t, w e presen t th e applied meas
urem en t m eth o d (Fig. 3). In th e follow ing section, w e d efine a term o f th e q u ality o f multi- m ed ia transm ission. T he m easurem ent results w ere com pared w ith th e re su lts o f th e analytical station m odel (Fig. 4, 5, 6). W e proposed a functional descrip tio n o f d ep en d en ce between A T M traffic param eters, video stream b it rate, and quality o f m ultim ed ia transm ission. The obtained functions are illustrated in Figures 7 an d 8.
