通訊多媒體期末報告

1. 通訊多媒體期末報告 Costs and Benefits of Fading for Streaming Media over Wireless Stark C. Draper, Mitchell D. Trott, IEEE Network．March/April 2006 指導教授：童曉儒 博士 組　　員：林宗聖 M9556002 陳政緯 M9556003 陳俊宏 M9556004 莊英遨 M9556009 蔡珮君 M9556016 蔡碧素 M9556028 許家豪 M9556034

2. 報告大綱 • 簡介 • 研究議題 • Wireless Channel Characteristics • Robustifying Multicasting to Packet Losses • Increasing Throughput • Achieving Path Diversity • 結論

3. 簡介 • 本篇是為了解決多媒體在無線網路傳輸所發生的問題。透過這些解決技術達成，能有效解決多媒體在傳輸時所發生的問題。 • 無線環境問題 • 多媒體傳輸問題

4. 無線網路傳輸問題 • 封包遺失率上，要來的比有線網路高。 • 無線通訊是用廣播的方式，接收者會在頻道中聆聽他們所需的訊息，且他們擁有不同接收品質。 • 資源傳送成本單位不是固定，會隨著時間產生變化。

5. 多媒體傳輸問題 • 多媒體對傳輸延遲很敏感。 • 能容忍多少封包遺失。 • 串流式多媒體是由一連串的影格所組成，因此每個影格都有各自的傳遞結止時間。

6. 研究議題 • 多重路徑干擾問題 解決方法：Diversity、Multiple description • 封包延遲、遺失問題 解決方法：Harmonic broadcasting、fountain code • 如何增加封包產量 解決方法： Opportunistic data scheduling • 增加錯誤更正的可靠性 解決方法： Multiple description、 Diversity

7. 3 2 1 1 2 多重路徑 Multipath Fading • 困擾無線網路的一個主要原因是多重路徑衰落。波與波之間具有疊加性。當多個波聚集於某一點時，所產生的波即是所有組合波的加總 。 波的疊加組合

8. Wireless Channel Characteristics-background（1/2） • 在無線區域網路中，不管是在室內或室外，最嚴重干擾訊號品質的問題即是多重路徑（Multipath）干擾，其主要原因是因為無線電波在傳送時可能經由折射、反射與繞射使得許多不同路徑的訊號先後到達接收端而造成。 • 而在無線通訊的環境中，衰退通道（Fading Channel）主要是由於多重路徑傳播的現象造成的，其對通訊品質會造成相當大的影響。

9. Wireless Channel Characteristics-background（2/2） • 在行動無線通訊的環境中，常會遭受到相加性白高斯雜訊(additive white Gaussian noise, AWGN)和衰落的通道影響，使得完全無誤的訊號傳輸無法達成。 • 分集技術被用來對抗通道的衰退現象，而所謂分集就是將相同的信號重複地傳送在多個獨立的衰退通道上，則信號同時受到嚴重衰減的機率將會大大降低。

10. Wireless Channel Characteristics-Technology （1/6） • 儘管多重路徑影響會引起訊號衰減，不過對於天線分集技術而言，卻是可以發揮其功效的最佳因素。 • 天線分集（Antenna Diversity）是一個典型抵抗通道衰退的技術，傳統上，天線分集的概念是藉由處理來自於多根空間不相關聯的接收天線所接收到之傳送訊號，不同發射訊號經過不同的路徑（path）傳播，再藉由多根天線接收，因此，同時接收到遭受嚴重衰減失真的傳送訊號的機率很小，所以可以有效提升傳輸品質。

11. Wireless Channel Characteristics-Technology （2/6） • 天線分集技術架在傳送與接收端，兩端都使用多天線（multi-antennas）或天線陣列（Antenna array）的架構，亦稱之多重輸入多重輸出系統(MIMO)，通過這些並行的頻道可以實現資料的獨立傳輸，因此提高網路頻寬使用效率。 • MIMO將多重路徑上之無線電波發射與接收視為一個整體進行處理，故可實現相當高的系統容量和頻譜利用效率。當傳輸功率和頻段固定時，MIMO的最大系統容量隨著天線數目而線性增加。

12. Wireless Channel Characteristics-Technology （3/6） • 傳統上通訊系統在衰減的環境中利用天線分集或MIMO來改善多重路徑衰減的方式有四種：時間分集（Time diversity）；頻率分集（Frequency diversity）；空間分集（Spatial diversity）；通道分集（Path diversity） 。 • 時間分集：時間分集是在時間選擇性衰減（Time-selective fading）的時候使用，即是利用錯誤控制碼的技巧，根據不同的編碼方式設計出不同更錯能力的字碼，並於傳送資料時加入保護位元，再利用這些保護位元來作錯誤位元的更正。另一方面配合交錯器（Interleaver），藉由錯開傳送資料的順序，配合錯誤更正碼的方法，減少衰減所造成之影響，其對於快速衰減頻道（Fast fading channel）有明顯的效果。

13. Wireless Channel Characteristics-Technology （4/6） • 頻譜分集：頻譜分集則是在頻率選擇性衰減（Frequency-selective fading）的時候選擇使用多種頻率來傳送訊號，也就是利用常見的跳頻技術將資料分成多次不同的頻率傳送資料。其原因為在不同的頻率下所受到的衰減不一樣，即使在某個頻段上受到嚴重的干擾，仍可利用錯誤更正碼的方法，並將少數嚴重破壞的訊號還原。

14. Wireless Channel Characteristics-Technology （5/6） • 空間分集：空間分集是在傳送訊號時，若其中一天線受到嚴重干擾時，使挑選其他受影響較小的之天線訊號做還原，其原理為當多天線在空間中互相獨立時，各個天線所用的通道基本上互不相關，每個通道都有可能遭受到多重路徑或同頻干擾影響，但是每個通道的變異情況完全相同的可能性非常小，因此為了解決各個通道的變異問題，系統採用了一種最優組合波束成型演算法，該演算法可以減少通道中的變異並大幅度提高其效能。

15. Wireless Channel Characteristics-Technology （6/6） • 通道分集：通道分集是受專利保護的信號接收方式，能夠把功率強度不同的多個信號合成一個單一的相關信號。全球衛星用戶終端在頭頂有一顆衛星覆蓋時就可以使用，而一般在用戶的視線範圍內都是有2至4顆衛星。衛星不斷移進移出用戶終端的視線範圍，也不斷無縫隙地淡進和淡出呼叫過程，這種軟切換減少了呼叫受干擾的風險。以上這些先進的數位技術使全球星系統能夠在各種地形環境中提供業務，使信號受到建築、地形和其他自然景物遮擋的可能性更小。

16. Robustifying Multicasting to Packet Losses • Video Streaming的傳播方式 • Harmonic Broadcasting 簡介 • Harmonic Broadcasting 流程 • Harmonic Broadcasting & Reed-Solomon • Harmonic Broadcasting & Reed-Solomon 效益分析

17. Robustifying Multicasting to Packet Losses (1/23) • Video Streaming的傳播方式 • 要建置一個完整的 Video Streaming 環境，在底層的技術方面，除了前面提到的影像編碼技術外，也要配合通訊協定才能實作出 Video Streaming 的應用程式。 • Video 在做 Streaming 時，有三種方式可以應用：Broadcasting、Unicasting、Multicasting。

18. Robustifying Multicasting to Packet Losses (2/23) • Video Streaming的傳播方式 • Broadcasting 的方式比較單純，它是在 LAN 上直接將一個個的影像封包丟到網路上 ，再由 client 的應用程式自網路上取回封包播放。 • Unicasting 與 Multicasting 都是屬於 IP 的傳輸方式。Unicasting 採取 1 對 1 的方向傳影像給遠端，稱為 Video-on-Demand (VoD)，multicasting 則是 1 對多的傳輸方式，稱為 Near-Video-on-Demand (NVoD)。未來 IPv6 將支援 IP Multicasting，因此 Video Streaming 的應用將更為廣泛。

19. Robustifying Multicasting to Packet Losses (3/23) • Harmonic Broadcasting 簡介 • Harmonic Broadcasting術，主要是為了解決同一時間內，有許多的使用者想存取同一個共用的Video Streaming，而伺服器卻無法在同一時間內處理。最早期的解決方案是在封包內存放使用者的位址， 以非同步的傳輸方式，回應同一時間點內的各別需求，以避免大量的延遲時間。

20. Robustifying Multicasting to Packet Losses (4/23) • Harmonic Broadcasting 流程 • 將影片切割成N個片段，Si為影片中的第i個片段。 使整這影片為一連續的片段。S1,S2,S3,…,SN。 Bandwidth Video Length

21. Robustifying Multicasting to Packet Losses (4/23) • Harmonic Broadcasting 流程 • 將影片切割成N個片段，Si為影片中的第i個片段。 使整這影片為一連續的片段。S1,S2,S3,…,SN。 S2 S3 S1 S4 Bandwidth Video Length

22. Robustifying Multicasting to Packet Losses (5/23) • 再將Si片段細部切割成i個子片段{ Si,1， Si,2， Si,3， Si,i }。然後將每個Si片段分配一個頻道Ci，如圖3-1。而每個頻道的頻寬大小為b/i。

23. Robustifying Multicasting to Packet Losses (5/23) • 再將Si片段細部切割成i個子片段{ Si,1， Si,2， Si,3， Si,i }。然後將每個Si片段分配一個頻道Ci，如圖3-1。而每個頻道的頻寬大小為b/i。

24. Robustifying Multicasting to Packet Losses (5/23) • 再將Si片段細部切割成i個子片段{ Si,1， Si,2， Si,3， Si,i }。然後將每個Si片段分配一個頻道Ci，如圖3-1。而每個頻道的頻寬大小為b/i。

25. Robustifying Multicasting to Packet Losses (6/23) • 使用者開始從C1頻道讀取第S1個片段。接續著讀 取其它關聯的片段S2,….,Si。

26. Robustifying Multicasting to Packet Losses (7/23) • 收到最後一個Si子片段時，即開始播放Si片段。例如：S2片段包涵{S2,1 , S2,2}，S2,1子片段收到後，會先存入Buffer之中。當最後一個片段S2,2收到時即開始播放S2片段， 並停止讀取Ci頻道。

27. Robustifying Multicasting to Packet Losses (8/23) • 一時間點被分配到的總頻寬大小為： + + +

28. Robustifying Multicasting to Packet Losses (9/23) • 一般影片的長度為120分鐘，若Harmonic Broadcasting以4個頻道進行傳播，而影則是以30鐘為單位進行切割。切割完後，會使得延遲時間為120 / 30 = 4。

29. Robustifying Multicasting to Packet Losses (10/23) • 如果資源有6個頻道來進行Harmonic Broadcasting傳播，則延遲時間僅需不到1分鐘即可傳送180分鐘的影片。

30. Robustifying Multicasting to Packet Losses (11/23) • 作者主張一個2階層式的方法。 • 首先是使用適當的消除更正碼就像是里德所羅門碼(Reed-Solomon)，應用在對每個frame的information bits做編碼，如此我可以對封包的遺失建立一個強健的機制。

31. Robustifying Multicasting to Packet Losses (12/23) • 決定每個frame重覆、多餘(redundancy)的數量在這消除編碼中的需求下，要能符合重送延遲(playback stall)中某個特定機率在可能是封包遺失的模型之下。

32. Robustifying Multicasting to Packet Losses (13/23) • 在無線網路環境裡，一個遺失的封包，或是封包消除的機率為p相當於因訊號衰退而造成的遺失機率 • 因此對於第i個frame的重送期限(playback deadline)，作者期望收到(1－p)(i＋Δ)封包。

33. Robustifying Multicasting to Packet Losses (14/23) • 將增加配置Pi以一個常數因子1/(1－p)。而在其他的諧波結果配置下Pi*＝B/(1－p) (i＋Δ)。 • 但是會有很高的機率去收到比(1－p)(i＋Δ)還少的封包在第(i＋Δ)封包傳送時，因此如果這個配給已經被使用的話將會miss第i個重送期限。

34. Robustifying Multicasting to Packet Losses (15/23) • 什麼樣的配置是需要去符合特定的機率ε，在錯過每一個frame重送期限下。 • ε愈小，重送延遲的機率就愈低且使用者也會感到比較高的品質。

35. Robustifying Multicasting to Packet Losses (16/23) • 在每一個封包裡，讓Pp,i, ε為適當的bits數量在第i個frame中，在收到最小封包數k被要求去重建這frame i即 • 可以注意到，收到封包Nt是在t通道使用是一個二項隨機變數其平均數為(1－p)t。錯過第i個frame重送的機率就是收到比k個封包還少的情況下，即Ni+Δ＜k。

36. Robustifying Multicasting to Packet Losses (17/23)

37. Robustifying Multicasting to Packet Losses (18/23) • 里德所羅門 (Reed Solomon, RS) 碼是一種通道編碼技術，在錯誤更正與維護資料正確性上扮演著重要的角色。 • RS編碼器主要功用是用來糾正隨機雜訊(random noise)所造成的錯誤，這種錯誤的發生通常是零零散散的。然而，在傳送過程中，有些時候會有一連串錯誤(burst error)發生，這種錯誤很可能會超過RS編碼的錯誤糾正能力。其解決方法是：在資料傳送之前，先把原來同一封包的資料打散到數個不同的封包去。

38. Robustifying Multicasting to Packet Losses (19/23) • RS碼一直被廣泛地使用在各種不同的應用上。對於要求高資料傳輸率的系統，大部分的RS解碼器設計，都採用平行式資料處理架構來實現高速ASIC晶片。而對於某些較低速的應用，例如DVB-T等，則有人使用fine-grained 有限場處理單元 (processing element, PE) 搭配DSP core作為控制核心，可藉由改變處理單元的使用量來變換資料處理速率與動態功率消耗。

39. Robustifying Multicasting to Packet Losses (20/23) • 下圖畫出目標playback stall 誤差機率ε的bit配置百分比增加圖，也繪出所要求增加的Packet量和在第2及第40 frames的個別分配中所需要增加的量。

40. Robustifying Multicasting to Packet Losses (21/23) • 如圖所示，我們所要求的配置不具有合諧的相關性，反而為frames的不等比例增加，這是由於不同時間點上frames的差異變動量所造成的結果。 • 早期的frames的playback deadline比較短，所以產生偏離平均頻寬的誤差會更大，因此我們需要重複更多次的frames。

41. Robustifying Multicasting to Packet Losses (22/23) • 100 [Pp,ε,i – Pi * ]/ Pi * • All increases are plotted for startup delay Δ= 10, • erasure probability p = 0.3, • video length N = 128.

42. Robustifying Multicasting to Packet Losses (23/23) • 為了產生較低的誤差、較高的packet損失及較短的生產延遲日數，我們會增加Pp,ε,i的配置；而較長的生產延遲日數、較小的packet數量Pp、ε則可用來增加其他應用程式的頻寬。

43. Increasing Throughput via Opportunistic Scheduling(1/5) • Opportunistic Scheduling是一種為了透過強弱不定的無線網路傳輸整體數據，和潛在成本增加的情況下提升數據傳送量所設計的技術。 • 當在探討無線頻寬的基本技術時，我們看見在無線連結的品質變動率導致有較高的封包遺失率，甚至比傳統有線系統還要高。 • 在傳統上一個會變化的資料率被系統設計者當作一個麻煩事。但是，在幾個無線系統的類型上，他卻又可以改善效能。

44. Increasing Throughput via Opportunistic Scheduling-Opportunistic Scheduling (2/5) • I、P、B frame：將封包中的I frame優先權設為最高，P frame的優先權就設為次高，B frame優先權設為最低。 • channel狀況：給予目前情況好的channel高的優先權。 • buffer狀況：如果留有更大的buffer空間，就給予較高的優先權。 • start or no start：已經開始傳輸的優先權設為高。

45. Increasing Throughput via Opportunistic Scheduling-Opportunistic Scheduling Algorithm (3/5) • 初始化：初始使用者的 。 • 挑選優勝者：計算每一個使用者的，挑優勝的使用者 j。 • 更新： • 如果有需要的話，更新 。 • 。 • 更新 。 • 更新 。 • 更新遺失的frame直到下一個I frame。 • 回到2)。

46. Increasing Throughput via Opportunistic Scheduling-Opportunistic Scheduling-Fig. (4/5)

47. Increasing Throughput via Opportunistic Scheduling-Opportunistic Scheduling-Fig. (4/5)

48. Increasing Throughput via Opportunistic Scheduling-Increasing Throughput (5/5)

49. Achieving Path Diversity through MultipleDescription Video Coding (1/3) • Multiple Description Coding, MDC • 基本概念 • 視訊信號在發送端會被壓縮並利用冗餘編碼(Redundancy Coding)成為許多條可以獨立解碼的位元流 • 利用封包網路上不同的路徑傳送至接收端，而根據傳送到的各個位元流的錯誤情形，解碼器將可重建出不同品質的影像 • 優點 • 有效抵抗資料經由網路傳輸過程中產生的封包遺失，並具有優秀的錯誤更正能力。

50. Achieving Path Diversity through MultipleDescription Video Coding (2/3) • 發送端