Qualidade de Serviço de Vídeo em Redes de Dados. Instituto Superior Técnico Novembro de 2004

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1 Qualidade de Serviço de Vídeo em Redes de Dados Mário Serafim Nunes Mário Serafim Nunes Instituto Superior Técnico Novembro de 2004

2 QdS em serviços de Vídeo 1 Conceitos teóricos QdS em Vídeo Streaming Aspectos de Heterogeneidade em Video Streaming Taxonomia de Controlo de Congestão em Vídeo Streaming Mecanismos de QdS para Vídeo Streaming Métricas de QdS para Vídeo streaming 2 Resultados de investigação Arquitectura do projecto OLYMPIC Técnicas de QdS de Vídeo desenvolvidas no projecto OLYMPIC. Apresentação e avaliação das soluções desenvolvidas. 2

3 1 Análise teórica QdS em Vídeo Streaming Largura de Banda: É necessário um mínimo de banda para atingir uma qualidade aceitável de vídeo Atraso: O vídeo de tempo-real requer atraso limitado extremo-a-extremo Perdas: O PLR deve ser mantido abaixo de um limiar para se obter uma qualidade visual aceitável. 3

4 Aspectos de Heterogeneidade em Video Streaming Multicast Heterogeneidade da rede As redes têm diferentes recursos (largura de banda, memória, políticas de gestão). Heterogeneidade dos receptores Os receptores têm diferentes requisitos de qualidade visual (dimensão, cores) e diferentes capacidades de processamento. Em consequência dos dois aspectos combinados, diferentes utilizadores terão diferentes atrasos e perdas de pacotes. 4

5 Métricas de QdS para Vídeo streaming Perspectiva da rede : Camadas Rede/Transporte Parâmetros: Atraso de pacotes, PLR (Packet Loss Ratio) Perspectiva do utilizador: Camada Aplicação (qualidade percepcionada) Parâmetros: Atraso de Trama/VOP; PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) PSNR 255 = 20 log10 MSE MSE (, ) F ( i, j) 2 f i j = 2 N 5

6 Taxonomia de Controlo de Congestão em Vídeo Streaming Multicast Baseado na Rede (R) IntServ DiffServ Baseado no sistema terminal (T, A) Perspectiva de Transporte (T, T/A) Controlo de Ritmo (Rate control) Window-based control (TCP, DCCP- CCID2) Rate-based control - Source-based rate control (RTCP, DCCP-CCID3) - Receiver-based rate control - Hybrid rate control Rate shaping Descarte selectivo de tramas Dynamic rate shaping Perspectiva de Compressão (A) Rate shaping Rate Adaptive encoding Descarte selectivo de tramas, Perspectiva de compressão RTCP, UDP, TCP, DCCP IntServ, DiffServ Aplicação (A) Transporte (T) Rede (R) 6

7 2 Resultados de investigação Arquitectura do projecto OLYMPIC Transmissão de eventos desportivos multimédia (áudio/vídeo) sobre IP em larga escala, com heterogeneidade de redes de acesso e terminais Rede Nuclear Rede de Acesso Codificador/ Servidor Media Server SAS Core Unicast/ Multicast SAS Periférico Unicast/ Multicast Clientes 7

8 Técnicas de QdS de Vídeo desenvolvidas no projecto OLYMPIC A) Descarte Selectivo de Pacotes baseado em DiffServ AF PHB B) Descarte Selectivo de Tramas/VOP baseado em relatórios RTCP C) Descarte Selectivo de Tramas/VOP baseado em TCP D) Descarte Selectivo de Tramas/VOP baseado em relatórios em DCCP 8

9 Técnicas de QdS em Video Streaming Camada de Descarte Protocolo de Transporte Ponto de Descarte Descarte baseado em A B C D Rede (IP) Aplicação Aplicação Transporte UDP UDP TCP DCCP Router DS Servidor Servidor Servidor DSCP/AF RTCP Buffer de Emissão A) Descarte Selectivo de pacotes baseado em DiffServ B) Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP C) Descarte Selectivo de Tramas baseado em TCP D) Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP Buffer de Emissão 9

10 Solução A): Descarte Selectivo de pacotes baseado em DiffServ Camada Aplicação Marcação de pacotes QdS (MPEG4 DSCP) Camada Transporte UDP Camada Rede Descarte selectivo de pacotes (IP DiffServ) 10

11 Arquitectura da solução A) Descarte Selectivo baseado em DiffServ no drop Core Network Access Network drop B Encoder/ Media Server QoS Marker Unicast/ Multicast SAS (QoS Marker) Unicast/ Multicast drop B+P Tipo de Trama/ VOP MPEG4 Classe AF Clientes I AF11 (baixa prioridade de descarte) P AF12 (média prioridade de descarte) B AF13 (alta prioridade de descarte) 11

12 Resultados de PSNR da solução A) Descarte Selectivo baseado em DiffServ Best effort Diffserv AF 30,0 25,0 PSNR [db] 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 PLR [%] PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio AF PHB Assured Forward Per Hop Behaviour 12

13 Conclusões da Solução A) Descarte Selectivo baseado em DiffServ Descarte selectivo de tramas/vop MPEG4 baseada no PHB AF DiffServ funciona bem, é escalável e simples; O mapeamento de tipos de tramas MPEG4 em AF não é uma solução óptima, devido à cadeia de dependências de tramas de MPEG4; DiffServ tem actualmente interesse limitado pois a Internet pública só suporta o serviço de melhor esforço. 13

14 Solução B): Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP Application layer MPEG4 QoS Classifier (MPEG4 QOS-type) Selective Dropping RTCP RR Buffer Transport layer UDP Network layer IP (Best Effort) Congestão detectada pela recepção de RTCP RR 14

15 Diagrama de blocos da solução B) Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP Application layer Incoming Stream Selective Discard Algorithm Discarded frames Sent frames Transport Layer RTCP feedback from clients Outgoing Stream Index i GOV I 2 P n P n-1 P i P i-1 P 3 P 2 P 1 I 1 Discarded VOPs Sent VOPs first 15

16 Resultados de PSNR da solução B) Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP Random discard Selective discard 30,0 25,0 PSNR [db] 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 PLR [%] 16

17 Descarte Aleatório vs Selectivo com congestão de 35% Descarte Aleatório Descarte Selectivo 17

18 Conclusões da Solução (B) Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP O Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP apresenta ganhos ganhos de PSNR em comparação com o descarte aleatório Permite ajuste dinâmico do nível de descarte, optimizando a largura de banda disponível; O atraso dos relatórios RTCP de perdas (típico 5s) pode ser um problema no caso de a rede ter frequentes variações do nível de congestão. 18

19 Solução C): Descarte Selectivo de Tramas baseado em TCP Application layer MPEG4 QoS Classifier (MPEG4 QOS-type) Selective Dropping Buffer Transport layer TCP Buffer Network layer IP (Best Effort) Congestão detectada pelo enchimento do Buffer TCP 19

20 Diagrama de blocos da solução C) Descarte Selectivo de Tramas com TCP Application layer Transport Layer Incoming Stream Selective Discard Algorithm + Application Buffer TCP buffer Outgoing Stream Frames sent Frames discarded I 9 Pn P 3 P 2 P 1 I 8 Pn P P 2 P 1 I Pn P 3 P 2 P 1 I Buffer da Aplicação do emissor Discard 20

21 Resultados de PSNR da solução C) Descarte Selectivo de Tramas com TCP Random discard Sel. Discard TCP 30,0 25,0 PSNR [db] 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 PLR [%] Movie average bitrate = 256 Kbps TCP Buffer = 64 Kbyte -> 2 s 21

22 Conclusões da Solução C) Descarte Selectivo de Tramas com TCP O Descarte Selectivo de Tramas com TCP apresenta ganhos significativos de PSNR em comparação com o descarte aleatório; Esta solução pode ser interessante quando a fiabilidade é um requisito (p. ex. Transcoder) Como esta solução é baseada em TCP, pode ter atrasos elevados em caso de congestão, para além do overhead de retransmissão de pacotes. 22

23 Solução D): Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP Application layer Modelo Teórico (simulado) MPEG4 QoS Classifier (MPEG4 QoS-type) Modelo Implementado MPEG4 QoS Classifier (MPEG4 QoS-type) Transport layer Selective Dropping DCCP Buffer Selective Dropping DCCP Buffer Network layer IP (Best Effort) DCCP: Buffer único UDP IP (Best Effort) 23

24 Algoritmos desenvolvidos Solução D): Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP Descarte Selectivo de Bloco Frame/VOP Algoritmos activados por limite de: Número de pacotes na fila DCCP Tempo de permanência do pacote na fila DCCP I 9 P n P 2 P 1 I 8 P n P 2 P 1 I 7 P n P i + 1 P i P 2 P 1 I 6 DCCP buffer Descarte 24

25 Resultados de PSNR de Solução D): Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP PSNR [db] Congestion Rate [%] DCCP, Queue Size=30pkts DCCP+Block Discard, Level Threshold=30pkts DCCP+Block Discard, Delay Threshold=1s DCCP+VOP Discard, Level Threshold=30pkts DCCP+VOP Discard, Delay Threshold=1s Akyio PSNR [db] Congestion Rate [%] DCCP, Queue Size=30pkts DCCP+Block Discard Level Threshold=30pkts DCCP+Block Discard, Delay Threshold=1s DCCP+VOP Discard, Level Threshold=30pkts DCCP+VOP Discard, Delay Threshold=1s Stefan 25

26 Resultados de Atraso da Solução D): Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP Average VOP Delay [s] Average VOP Delay [s] Congestion Rate [%] Congestion Rate [%] DCCP, Queue Size=30pkts DCCP, Queue Size=30pkts DCCP+Block Discard, Level Threshold=30pkts DCCP+Block Discard Level Threshold=30pkts DCCP+Block Discard, Delay Threshold=1s DCCP+Block Discard, Delay Threshold=1s DCCP+VOP Discard, Level Threshold=30pkts DCCP+VOP Discard, Level Threshold=30pkts DCCP+VOP Discard, Delay Threshold=1s DCCP+VOP Discard, Delay Threshold=1s Akyio Stefan 26

27 Conclusões da Solução D) Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP O Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP apresenta elevados ganhos de PSNR em comparação com o descarte aleatório; Esta solução é a que apresenta menores atrasos devido a ter um único buffer no emissor (situado na camada de transporte) Permite maior flexibilidade de descarte por ser possível descartar tramas na camada de transporte. 27

28 Comparação das diferentes solucões de QdS para Vídeo A) Descarte Selectivo de pacotes baseado em DiffServ Simples, resultados satisfatórios, requer DiffServ. B) Descarte Selectivo de Tramas baseado em RTCP Bons resultados, problemas com atraso e periodicidade de relatórios. C) Descarte Selectivo de Tramas baseado em TCP Bons resultados, trabalha melhor com buffers grandes, mas tem atraso elevado extremo-a-extremo. D) Descarte Selectivo de Tramas baseado em DCCP Solução que apresenta melhores resultados devido às optimizações que o protocolo DCCP permite (melhor PSNR, menor atraso). 28