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指導教授：童曉儒 學 生：林祐沁

行動網路中調適性行動串流機制之設計與實作 Design and Implement of adaptive mobile video streaming mechanisms over mobile networks. 指導教授：童曉儒 學 生：林祐沁. Date ： 2009/5/29. 緒論 ( 背景、動機、目的 ) 文獻探討 研究方法 系統實驗與數據分析. Outline. 無線網路技術 無線網路技術主要有 WiFi ( IEEE802.11) 、 GPRS 、 3G(WCDMA) 、 WiMAX(IEEE802.16) 。 視訊編碼技術

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Presentation Transcript

  1. 行動網路中調適性行動串流機制之設計與實作Design and Implement of adaptive mobile video streaming mechanisms over mobile networks 指導教授：童曉儒 學 生：林祐沁 Date：2009/5/29

  2. 緒論(背景、動機、目的) 文獻探討 研究方法 系統實驗與數據分析 Outline

  3. 無線網路技術 無線網路技術主要有WiFi (IEEE802.11)、GPRS、3G(WCDMA)、WiMAX(IEEE802.16)。 視訊編碼技術 視訊壓縮標準主要有MPEG1、MPEG2、MPEG4、H.263及H.264等五種 。 行動設備 MH的裝置多半是手機、PDA、車用電腦、感測器等使用嵌入式作業系統（embedded OS）的簡易裝置 。 研究背景

  4. 無線行動網路環境下的挑戰： 多重路徑(Multi-path) 路徑衰減(Path Loss) 屏蔽效應(Shadowing) 導致：傳輸衰減(Fading)、動態功率及頻寬(Dynamic Power and Bandwidth)、不穩定性、高位元錯誤率（Bit Error Rate）、封包遺失率(Packet Loss Rate)。 TCP與UDP TCP容易將損毀的封包誤判成網路壅塞(congestion)，進而週期性的啟動slow-start的機制，造成傳輸速率降低，與嚴重的traffic jitter。 UDP協定，如果沒有加以有效管制，而一味的強送封包，會對其他traffic造成惡意排擠。 行動用戶(mobile host/MH)資源有限 電源 記憶體 CPU 研究動機

  5. 網路封包傳輸宜以UDP為主 必須考慮到因網路jitter所引發的短暫資料過多或不足的問題。 影片壓縮技術宜以具有scalability的能力 無線網路有效頻寬會隨MH移動有所改變。 Wireless channel訊號好壞與資料傳送差異性處理 資料遺失頻繁與wireless channel的訊號好壞有關。 破碎與無法解碼的frame事先剔除 使MH在解碼時更具效率 ，以避免CUP執行過度的例外運算，以節省電力，保持播放的順暢。 調適過程必須及時反應系統狀態，並避免短期的調整震盪現象 。 研究目的

  6. 視訊串流技術分類(Video streaming categories) 以速率為基礎之串流(Rate-based streaming) 視訊串流傳輸以packet streaming的形式來遞送，通常使用RTP或UDP。 為要達到調變串流速率目的，通常採用以圖層(Layering)為基礎的視訊編碼方式，取捨某些圖層 。 或是對視訊重新轉碼（transcoding）產生較低的速率。 區段為基礎之串流(Segment-based streaming) 串流分割成不同的區段(Segment)，以區段為單位進行傳輸，這種策略的好處是能消弭在Internet傳輸jitter所帶來的困擾。 機會排程(Opportunistic Scheduling) 參考frame type、channel和buffer等因素，給予目前情況好的channel高的優先權，以提升傳輸的有效機率 。 文獻探討

  7. 行動多媒體節能機制(Mobile Multimedia Power Saving) 多媒體串流省電播放過程可以分成以下三個階段 - 接收階段、解碼階段、播放階段 接收階段(Reception Stage) 主要的工作是從網路卡接收資料，然後存放至MH buffer中。 Chandra和Vahdat提出了一種伺服器端的流量整形機制 。 - Server通知Client下一筆資料到達的時間，而在此之前Client轉換成低功率的睡眠狀態。 Janet Adams和Gabriel-Miro Muntean結合IEEE802.11中的省電Beacon機制。 文獻探討

  8. 行動多媒體節能機制(Mobile Multimedia Power Saving) 解碼階段(Decoding Stage) 主要工作是由解碼器將壓縮畫面解出完整畫面。 此階段重在修改解碼器演算法。 Pakdeepaiboonpol和Kittitornkun使解碼過程降對低記憶體(memory和匯流排(bus)的存取次數。 Lu et al提出藉由監控解碼後buffer的量來調整解碼的速度。 播放階段(Playing Stage) 主要工作是將畫面呈現在螢幕上。 Shim, Chang and Pedram根據剩餘的電池能量和周圍的亮度來決定運作時是否需要背光，當有充足的電源剩餘量時補償亮度的損耗；當電源剩餘量很低時補償對比的損耗。 文獻探討

  9. 評估通道品質(Channel Quality) 訊噪比(signal noise ratio, SNR) SNR(dB) =10log10(Psignal/Pnoise) =20log10(Asignal/Anoise) RTCP SR/RR計算網路訊息 Delay Packetloss jitter 文獻探討

  10. 調適性壓縮技術 編碼過濾(codec filter)、丟棄過濾(dropping filter)、區塊丟棄(block/macroblock-dropping)、頻率過濾(Frequency filter)、量化過濾(Quantization filter)、圖像大小機制(Image Size) 。 H.264/AVC Hierarchical B pictures 文獻探討

  11. 本系統主要為開發與實作以Windows CE為基礎之手持式行動裝置上透過修改H.264解碼器之調適性影音串流服務模組，當中必須考慮的因素主要著重於無線網路行動裝置上之無線訊號問題與嵌入式平台系統資源問題 。 將streaming adaptation的策略依調適機制運作的範圍與反應的快慢分成micro-adaptation與macro-adaptation兩種。 在網路傳輸上，以UDP為基礎，提供具有優先等級的segment-based串流傳輸，採用segment-based 的傳輸策略 。 搭配opportunistic scheduling transmission的觀念，參考通道的訊號品質(channel quality)給予不同frame type的封包不同的傳送優先權。 在送收兩端皆加入了對各類frame-type封包過濾控制達到即時的調適反應，以進行必要之修剪與調整 。 研究方法

  12. 研究方法

  13. Frame trimming/Frame rate adaptation機制 當資源不足時，可採取一些調適措施，捨棄較不重要的frame type，如B frame。 當接收端已確定無法重建I frame時，丟棄已收到但無法重建的封包 。 當接收端已確定無法重建I frame時，告知傳送端所屬遺失的GOP尚未傳送的frame不必傳送 。 Segment-based opportunistic streaming機制 根據無線網路信號品質來訂定frame type的傳送優先等級，藉以獲取最大的傳輸效益。 。 研究方法

  14. Video parser模組 針對即時性或非即時性的視訊影片做不同的frame type解析與GOP boundary。 System status monitor模組 透過Device Monitor取得CPU、Memory、Power使用狀態。 -根據不同資源狀態做不同Frame type封包的調適性動作。 透過Channel Monitor取得SNR值或Packet Loss率。 -利用API取得目前信號強度，並透過公式計算SNR值。 -當SNR值在一段時間St平均值都低於某一Thresholdsnr，我們將判 斷該信號品質強度已變弱。 -計算一段時間Packet Loss求得斜率正相關與負相關。 研究方法

  15. Frame trimmer模組 當設備資源不足時啟動不同frame type封包的調適機制，丟棄較不重要的frame封包。 收到frame封包已不完整，無法重建成一張圖片時，則將該圖片的封包全部捨棄不進入解碼器(Decoder)。 當無法重建的frame是需被其他frame做參考，則捨棄需參考的frame。 Feedback Pkt loss rate/target frame rate給AMSVG。 研究方法

  16. Frame rate controller模組 當被丟棄的frame屬與I frame之比較重要的被參考frame，則將整組須參考到I frame的GOP都丟棄(Drop)而不進入傳送端的Buffer傳送。 當電力已低於某一零界值，為了解省電力的消耗，也會開始啟動frame修剪的機制，捨棄部份不重要的B或P frame。 當緩衝區暫存的frame數不足時，加快傳送端傳送，反之亦然。 研究方法

  17. Segment-based opportunistic streaming controller模組 讓Client端接收到較完整的重要frame type，獲得較好的影音品質。透過從接收端Feedback回來的網率訊號品質來調整並提升重要的frame type被成功傳送的機率。 研究方法

  18. Segment Re-Constructor模組 在Segment-based opportunistic streaming controller模組中對I、B、P frame做不同的切割、排列方式，因此需透過此一模組重新組合成原來的播放順序。 研究方法

  19. 測試環境概述 無線 AP 為實際測試環境 手持行動設備來回走動撥放UDP影音串流 影片為H.264 AVC，大小為 QCIF(176*144) Decoder為修改JM(Joint Model)解碼器 30FPS，GOPpattern 為 IBBBPBBB 測試劇本 探討網路訊號強度與封包遺失關係 探討適合手持行動設備的合適傳輸速率 探討不同Frame封包遺失對播放的影響 實做trimmer機制的觀看與省電效果 系統實驗與數據分析

  20. 系統實驗與數據分析 • 網路訊號強度與封包遺失關係 • 無干擾情況，SNR介於70~30dbm中，遺失率大多為0~2%之間。 • 有干擾情況，遺失率則會提升到2~4%之間。 • SNR介於40dbm~30dbm遺失率開始遞增。 • SNR小於20dbm封包開始嚴重遺失。 • 連續封包遺失的情況大部分出現一次。

  21. 探討適合手持行動設備的合適傳輸速率 根據不同的傳送速率與SNR訊號強度測試中，發現對PDA來說，傳送速率的快慢會影響其loss rate的高低。 系統實驗與數據分析

  22. 探討不同Frame封包遺失對播放的影響 系統實驗與數據分析

  23. 實做trimmer機制的觀看與省電效果 與AP來回移動，在遺失率為3%時，電力可減少消耗161秒 系統實驗與數據分析

  24. 無線網路環境下封包遺失 無干擾環境與干擾環境下遺失率會提高2% SNR20低於則會出現大量的封包遺失 手持行動設備的合適傳輸速率 過快的傳送會導致PDA網卡無法處裡 不同frame type遺失對播放的影響 遺失I frame易使整個畫面無法解回 trimmer機制的觀看與省電效果 剔除無法解回的畫面進入解碼 結論

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