PROGETTO PRIN. Simulazioni di protocolli di rete wireless per la trasmissione video robusta

Transcript

1 PROGETTO PRIN Simulazioni di protocolli di rete wireless per la trasmissione video robusta

2 Obiettivi Studio dei protocolli IEEE per la trasmissione wireless nelle reti locali Studio del protocollo IEEE e per la gestione della Quality of Service Studio delle tecniche di codifica video H.264/AVC e multiple description coding Implementazione nel simulatore OMNeT++ del sistema di comunicazione capace di supportare la trasmissione di sequenze codificate Confronto le prestazioni delle due tecniche di codifica Analisi dei possibili sviluppi futuri

3 I contenuti multimediali nelle wireless LAN La trasmissione su reti wireless è affetta da una probabilità di perdita dei pacchetti superiore rispetto a quella su reti wired Le applicazioni multimediali impongono delle restrizioni in termini sia di qualità minima in ricezione che di ritardi massimi consentiti L utilizzo di tecniche di codifica video robusta e la garanzia di una qualità minima del servizio di trasmissione dei pacchetti permettono di soddisfare le richieste delle applicazioni multimediali

4 La famiglia di protocolli IEEE Definisce le specifiche di livello fisico e MAC per la connettività wireless di stazioni fisse, portatili e mobili nelle reti locali (WLAN) Architetture di rete wireless Servizi di rete Tecniche di livello fisico (FHSS, DSSS, IR, OFDM) Tecniche di accesso al mezzo (DCF, PCF) Standard principale: IEEE (1997) Evoluzioni a livello fisico: IEEE a-b-g Sicurezza: IEEE i QoS a livello MAC: IEEE e (2005)

5 Il protocollo IEEE e Definisce le procedure di livello MAC che garantiscono il supporto della QoS per applicazioni su IEEE WLAN Si basa sulla suddivisione del traffico in quattro categorie d accesso (AC), ad ognuna delle quali è assegnata una priorità Ad ogni categoria è associata una coda di trasmissione con una diversa capacità di accesso al mezzo, regolata da: Numero massimo di ritrasmissioni Dimensione della contention window Tempo minimo di attesa (AIFS) Tecniche avanzate di accesso al mezzo a contesa (EDCA) e controllato (HCCA) gestiscono la trasmissione dei pacchetti in modo differenziato

6 Le tecniche di codifica video Standard H.264/AVC Separazione tra il livello di codifica video (VCL) e l interfaccia per il trasporto e la memorizzazione (NAL) Specifiche del VCL: Suddivisione dei frame in macroblocchi e slice Predizione intra e inter Quantizzazione e compressione Data Partitioning Definizione delle NAL units Multiple Description Coding (MDC) Es.: generazione delle descrizioni mediante sottocampionamento Scenari applicativi

7 Il simulatore OMNeT++ e i modelli utilizzati OMNeT++: Simulatore open source di eventi discreti basato sul linguaggio C++, che permette di modellare reti di comunicazione Elementi principali implementati nel simulatore: Modello di canale radio affetto da flat fading Modello MAC IEEE802.11e Modelli di video server e video client Gestione cross-layer delle informazioni sui pacchetti video Topologia di rete client-server Gestione differenziata del traffico video (RTP) e best-effort del traffico normale (UDP)

8 Risultati delle simulazioni (1) Confronto tra le tecniche H.264/AVC + data partitioning (DP) e MDC + H.264/AVC (MD2) al variare del BER Foreman.cif Coastguard.cif Inefficienza di codifica della MD2 (a valori di BER molto bassi) Diminuzione del PSNR più rapida per la DP Guadagno della MD2 a valori più elevati di BER

9 Risultati delle simulazioni (2) Diversi difetti di ricostruzione delle due tecniche Tecnica DP Tecnica MD2 DP: intere slice affette da errore vengono ricopiate dai frame precedenti artefatti nella riproduzione del video MD2: interpolazione in caso venga persa una delle due descrizioni minore risoluzione in parti della sequenza Foreman.cif

10 Risultati delle simulazioni (3) Analisi del PSNR dei singoli frame delle sequenze mediante la funzione di distribuzione del PSNR PDF PSNR (x) Foreman.cif Coastguard.cif Alta percentuale di frame della sequenza DP a basso PSNR

11 Risultati delle simulazioni (4) Qualità di ricostruzione tenendo conto dei ritardi di ricezione dei pacchetti Foreman.cif Coastguard.cif Marcato peggioramento delle prestazioni per la tecnica DP

12 Risultati delle simulazioni (5) Influenza dei numero massimo di ritrasmissioni a livello MAC sulla qualità della ricostruzione Diminuzione del PSNR per n di ritrasmissioni sia basso ed elevato Peggioramento delle prestazioni maggiore per la DP considerando i ritardi Diminuzione del valore ottimo di ritrasmissioni Foreman.cif

13 Conclusioni La tecnica di codifica H.264/AVC con data partitioning (DP) fornisce ottime prestazioni in condizioni di basse perdite La tecnica multiple description coding con H.264/AVC (MD2) garantisce una buona qualità minima di ricostruzione in condizioni di elevate perdite La copia di intere slice dai frame precedenti genera artefatti a blocchi nella riproduzione del video codificato mediante DP; l interpolazione prevista dalla MD2 produce una diminuzione della risoluzione La tecnica DP risente maggiormente dei limiti di ritardo di ricezione dei pacchetti La configurazione dei parametri del livello MAC IEEE e influisce sulla congestione del traffico e quindi sulle prestazioni di decodifica

14 Sviluppi futuri Gestione cross-layer delle informazioni sul livello di congestione del traffico Ottimizzazione cross-layer dei parametri di codifica (real-time coding) e di configurazione di livello MAC Ottimizzazione delle prestazioni di trasmissione dei pacchetti in base allo stato delle stazioni riceventi (raggiungibilità, capacità del canale, riproduzione continua del video) Utilizzo del sistema di trasmissione in ambito multicast con l implementazione di protocolli di trasporto avanzati