TCPデータ通信との公平性を考慮した 輻輳適応能力を有する MPEG動画像通信のための品質調整機構 Network Architecture Res. Group Dynamic Quality Adaptation Mechanisms for TCP-friendly MPEG Video Transfer 大阪大学 大学院基礎工学研究科 情報数理系専攻 柏原研究室 博士前期課程 2年 宮林 正樹 E-mail: [email protected] Feb 19, 2002 修士論文発表会 1 研究の背景 Network Architecture Res. Group • TCP と UDP の不公平性 – TCP: 非リアルタイム系データ通信 • 輻輳制御 – UDP: リアルタイム系マルチメディア通信 • 制御なし プロトコル間 性能格差拡大 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 UDP TCP Rate [Mbps] マルチメディア アプリケーションの増加 TCP，UDP混在時 0 10 20 30 40 Time [sec] 50 60 研究の目的 Network Architecture Res. Group • 狭帯域なネットワーク上でTCPデータ通信と 公平かつ高品質な動画像通信の実現 – TCP データ通信との公平性 • TFRC (TCP-Friendly Rate Control) – 狭帯域での動画像通信 • MPEG-4 FGS (Fine Granular Scalability) 動画像品質調整手法の提案 Feb 19, 2002 修士論文発表会 3 TCP-friendlyを実現するレート制御 • Network Architecture Res. Group TCP-friendly の定義 – 同一ネットワークパス上における, non-TCP と TCPのスループットが等しいこと • TFRC (TCP-Friendly Rate Control) [2] – ネットワーク状態に応じて、UDPのデータ転送量 を調整 – TCP と公平かつ TCP より安定した通信を実現 [2]: S. Floyd, M. Handley, J. Padhye, and J. Widmer, “Equation-based Congestion Control for Unicast Applications: the Extended Version,” Technical Report TR-00-003, International Computer Science Institute, March 2000. TFRC レート制御手法 Network Architecture Res. Group 1. ネットワークの状態推定 – RTT，パケット棄却率 p 2. TCP コネクションのスループット rTCP 予測 MTU rTCP RTT 2 p 3+ To (3 3 p 8 ) p( 1+ 32 p2 ) 3. データ送出レートの決定 動画像データ Network TFRC sender Feb 19, 2002 フィードバック情報 修士論文発表会 TFRC receiver 5 MPEG-4 FGS 動画像の基本構造 Network Architecture Res. Group VOP (Video Object Plane) Enhancement Layer Embedded DCT Base Layer DCT I P P P GOV (Group of Video Object Plane) • 帯域変動への適応力に優れている • 上位レイヤデータの棄却が他のVOPに波及しない Feb 19, 2002 修士論文発表会 6 TFRC レート制御の 動画像通信への適用 Network Architecture Res. Group • TFRCレート制御コネクション上で 動画像データ転送 • TCPと公平に帯域を分け合う通信を実現 しかし • TFRC: レート制御が上位のアプリケーションに 与える影響を考慮していない – 動画像品質変動が激しくなるなどの問題発生 Feb 19, 2002 修士論文発表会 7 FGSのための動的品質調整手法 データ送出レート Network Architecture Res. Group G-G smooth • GOVを単位とした制御 • TCPデータ通信と公平に 帯域を共有 • 高品質かつ安定した 動画像通信を実現 GOV パケット棄却の発生により 動画像品質に影響が及ぶ Feb 19, 2002 SNR [dB] パケット棄却による画質劣化 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 Network Architecture Res. Group Loss = 0 Loss = 10e-2 0 50 100 150 200 VOP number 250 300 • パケット棄却発生 – 基本レイヤが失われると，低品質な期間が続く – 上位レイヤが失われると，瞬間的な画質劣化が発生 FECによるパケット棄却の影響を抑制 9 FEC (Forward Error Correction) Network Architecture Res. Group Reconstructed packet Video packet k=5 FEC generator n=8 n – k 個以内の棄却までは保護可能 FEC packet • 許容できるパケット棄却率(目標棄却率)を 達成するように冗長度を決定 10 冗長度の影響 Network Architecture Res. Group • 冗長度の割合 – 多い • 動画像データに割り当てられるデータ量が減少する． • 動画像の画質が低下する． – 少ない • 棄却による動画像データへの影響が大きくなる． • 画質変動が激しくなる． 送出レート 観測棄却率 目標棄却率 Feb 19, 2002 冗長度 修士論文発表会 動画像レート制御 （G-G smooth） 11 動的品質調整手法 Network Architecture Res. Group • TFRCからのフィードバック情報よりGOV開始時に データ送出レートを決定 • 平均網内パケット棄却率を算出 • 目標パケット棄却率を達成するための冗長度を決定 • 残余帯域にあわせて動画像データを生成，送出 データ送出レート 冗長レート 平均網内棄却率 目標棄却率 上位レイヤレート 基本レイヤレート GOV SNR [dB] 提案手法の有効性評価 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Network Architecture Res. Group w/o FEC w/ FEC (10e-3) w/ FEC (10e-4) 0 50 packet loss probability 1 100 150 200 VOP number 250 300 • 棄却が発生しない時は画 質が低くなる • 動画像データに対する棄 却率が大きく下がる • 棄却による画質劣化を抑 制でき、緩やかな画質変動 Pave 1e-01 1e-02 1e-03 1e-04 1e-05 1e-06 1e-07 0 50 100 150 200 VOP number 250 300 • 目標棄却率=10e-4に設 定することで、高品質か つ安定した動画像通信 が実現可能 まとめと今後の課題 Network Architecture Res. Group • まとめ – TCP と公平かつ高品質な MPEG-4 動画像 通信を実現するため • パケット棄却の影響に関する検討 • FECを用いた動的品質調整手法の提案と シミュレーションによる評価 • 今後の課題 – 動画像レート制御のスムージング遅延 – さらに効果的な品質調整 Feb 19, 2002 修士論文発表会 14
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