Оцінка параметрів неоднорідного вхідного потоку у телекомунікаційних мережах

Модель трафіку WAP. Модель руху WАР 1.2.1 була розроблена і застосовувалася в [10, 11]. Основні характеристики моделі мають дуже маленькі розміри пакетів (511 байт), апроксимуються логарифмічно нормальним розподілом.

Сеанс WАР складається з декількох  запитів до дека, виконаних користувачем. Діаграма послідовності сесії зображена  на рисунок 2.12.

Рисунок 2.12 - Діаграма послідовності і важливі параметри WAP- сесії

Сеанси WАР описуються запитами числа  дек n, розмірами пакетів висхідних (x) і низхідних (у) з'єднань, часом читання абонента до запиту наступної деки (t_чтения), а також часом відгуку мережі (t_{отклика}). Останній показник не визначений користувачем і повністю залежить від основної мережі.

Кількість дек змодельована геометричним розподілом, час читання — від'ємним експоненціальним розподілом і розмір пакету — усіченим log10-нормальним розподілом. Модель сеансу може розглядатися в якості основної для сеансів WАР, параметри залежать від змісту. Параметри, прийняті тут, типові для WAP-програм. Оскільки додатки зміняться впродовж наступних років, параметри моделі теж мінятимуться разом з майбутніми модернізаціями. Нові WAP-розміри — приблизно 1 кбайт для монохромних дек і 3 кбайт для кольорових дек.

Таким чином, розглянуті статистичні  характеристики найбільш важливих мобільних  застосувань: WWW-трафік, параметри трафіку  електронної пошти SМТР і РОРЗ, а також е-mail повідомлень: FТР і  НТТР. Проведений аналіз характеристик  додатків на основі WAP.

 

2.2 Трафік мобільних потокових програм

Разом з МРЕG найбільш поширеним  нині стандартом кодування відео  є стандарт Н.263. У області програм  потокового аудіо, грунтованих на стандарті  МРЗ, також є потенційні програми. Як очікується в найближчому майбутньому, системи зв'язку з рухливими об'єктами розширять можливості сьогоднішніх рішень потокового Інтернету шляхом впровадження стандартизованих потокових  застосувань [12, 29]. Для передачі кадрів відео по Інтернету широко використовується транспортний протокол реального часу (RТР — Real-time Transmission Protocol) [13].

Потокове відео. Для передачі відеоданих в режимі реального часу потрібні високі швидкості. При перегляді нестислого відеопотоку навіть високопродуктивні дротяні мережі ледве відповідають вимогам такого потоку. Таблиця 2.5 дає уявлення про необхідні бітові швидкості.

 

Таблиця 2.5 – Бітові швидкості загальних нестислих відеоформатів

Відеоформат	Розширення, піксель	Бітовий показник, Мбіт/с
D1, цифровий стандарт студії	720×576	166
Якість VHS (CIF)	352×288	36,5
Відеофон (QCIF)	176×144	3

Без стискування неможливо здійснити  відеопередачу. Усі відеокодеки  працюють за однаковим принципом: вони стискають первинні картини шляхом скорочення надмірної інформації і  видалення непотрібних даних.

Скорочення надмірної інформації без втрат якості залежить від  властивостей сигналу і статистичних характеристик. Тому використовуються алгоритми, подібні до прогнозуючого  кодування, кодування зі змінною  довжиною слова і кодування на рівні відтворення( run-level-coding).

Видалення непотрібної інформації грунтоване на деяких особливостях людського  сприйняття (наприклад, деталі в зображенні можуть бути опущені без видимого спотворення) і виконується з  використанням різних рівнів квантування.

Хоча передача відео із швидкістю 64 кбіт/с була здійснена ще в 1979 р., все ще важко забезпечити достатню якість картинки при бітових швидкостях нижче 64 кбіт/с. Проте в 1996 р. з'явився стандарт, застосовний для передачі відео зі швидкістю нижче 64 кбіт/с. Міжнародний стандарт ITU-T Rec. Н.263 визначає кодоване представлення, яке може використовуватися  як для стискування кінокартин, так  і для аудіовізуальних послуг з низькими бітовими швидкостями.

Інший, добре відомий і поширений  відеостандарт, — стандарт Н.263, який має велику подібність з МРЕG: в нім є присутніми блоки, подібні МРЕG, і макроблоки з компенсацією руху і пророцтвом; зигзагоподібно квантовані коефіцієнти закодовані з ис¬користуванням методів МРЕG.

Основна конфігурація алгоритму кодування  відеоджерела Н.263 грунтована на ITUT Rес. Н.261 [1] і гібридному методі кодування, що застосовує міжкадрове припущення, щоб використати тимчасову залежність і перетворювати кодування сигналу, що залишився, для видалення просторової  надмірності. Половина піксельної точності витрачається на компенсацію руху, на відміну від Rес. Н.261, де використовуються повна піксельна точність і циклічний  фільтр. Для символів, які треба  передати, застосовується кодування  змінної довжини.

У основний алгоритм кодування відеоджерела для поліпшення експлуатаційних  показників включені додаткові опції, найбільш важливими з яких є такі:

режим необмеженого руху вектору, що допускає посилання, які виходять за межі зображення; для цих цілей крайові зразки продубльовані, щоб створити відсутні зразки (додаток D);

арифметичне кодування, грунтоване на синтаксисі, який замінює кодування змінної довжини для забезпечення передачі однієї і тієї ж якості картинки меншим числом бітів, необхідних для кодування (додаток Е);

режим поліпшеного прогнозу, який направляє вектор руху для кожного 8x8 блоку для фреймів Р(додаток F);

двонаправлено передбачені  кадри, що дозволяють генерувати В кадри між двома послідовними Р кадрами, використовуючи обоє Р кадру для прогнозу, мінімізуючи, таким чином, відмінності, що залишилися, які мають бути закодовані (додаток G).

Схема кодека Н.263 показана на рисунку 2.13. Відеокодер складається з кодера джерела, мультиплексного відеокодера і кодера передачі. Кодер джерела зменшує просторовий і часовий надлишок вхідного відеосигналу, використовуючи алгоритм DCТ (дискретне косинусне перетворення). Мультиплексний відеокодер визначає ієрархічну структуру закодованих відеоданих, придатних для передачі. Кодер передачі управляє швидкістю передачі для задоволення вимогам по пропускній спроможності каналу. Він об'єднує дані від різних послуг в єдиний закодований потік бітів, який спрямований до каналу передачі.

Рисуннок 2.13 - Схема відеокодека Н.263 : а – відеокодер; б – відеодекодер

 

Моделі трафіку потокового відео. У області моделювання відеоджерел велика увага приділена довготривало залежним або самоподібним моделям потоків трафіку в телекомунікаційних мережах. Безліч таких моделей використовувалася, щоб досліджувати змінну швидкість потоку (VBR) відеоджерел із статистичним аналізом емпіричних послідовностей і оцінкою рівня самоподібності. Відеотрафіки МРЕG і Н.263 складаються з висококорельованих послідовностей зображень внаслідок їх кодування, тому потрібне коректне моделювання кореляційної структури відеопотоків.

Розглянуті нижче моделі трафіку  базувалися на реальних послідовностях відео, закодованих Н.263 кодером.

Модель трафіку потокового відео  грунтована на трьох послідовностях відео в зменшеному вчетверо загальному проміжному форматі (QCIF) з дрозширенням 176×144 пікселів, кожна з послідовностей є специфічною групою відео з різною інтенсивністю руху:

• Claire — це відео з дуже низькою інтенсивністю руху, може використовуватися як характерна відеопослідовність конференц-зв'язку або неактивній візуальній телефонії;
• Carphone включає періоди з досить високою і з низькою інтенсивностями руху, може використовуватися для багатьох видів яскравих або активних відео-конференцій або навіть візуальної телефонії;
• Foreman — це послідовність з постійною високою інтенсивністю руху як актора, так і фону; подібний рух характерний для спортивних подій або уривків кіно.

Кодер H.263 характеризується показником пропуску 2, який означає, що кожну секунду  кадр оригінальної послідовності пропускається  так, щоб частота кадрів закодованих  послідовностей зменшувалася від 25 до 12,5 кадр/с.

Рівень квантування (Q20) був налагоджений для внутрішніх (I) і прогнозуючих (Р) кадрів. Результуюча якість низька, але це прийнятно для мобільних  пристроїв з їх обмеженими візуальними  вихідними можливостями.

Помірне з'єднання послідовностей, що включають 80% Claire,, 10% Carphone і 10% Foreman було відібране для запропонованої моделі трафіку. З'єднання містить відеопотоки  з низькою інтенсивністю руху і тільки декілька потоків з більш  високою інтенсивністю руху.

Із-за незначних розмірів повідомлень  протоколу мовлення, що управляють, в реальному часі і RТР, в порівнянні з розміром даних реального часу, пропонується ними нехтувати. Результуючий середній IР- трафік, навантажений специфічним  з'єднанням послідовностей, — 14,39 кбіт/с (таблиця 2.6).

 

 

Таблиця 2.6 – Навантаження IP-трафіку для відеопослідовностей

Послідовність	Навантаження IP-трафіку, кбіт/с
	Q20	80-10-10 Mix
Claire Carphone Foreman	10,9 26,7 31,7	14,39 14,39 14,39

Передбачається, що усі знову виникаючі  застосування мають бути відносно короткими  за тривалістю. Так звані "важкі  користувачі", що генерують довгі  потоки з великою кількістю даних, не беруться до уваги. Тривалість сеансів  змодельована негативним експоненціальним розподілом, середня величина — 120 с.

На рисунках 2.14-2.16 представлені траси довжини пакету RТР і гістограми відеопослідовностей Claire, Carphone і Foreman.

Рисунок 2.14 - Відеопослідовність Claire (Q10): а – розгортка відео; б – ПРВ

довжини пакету RTP

Рисунок 2.15 - Відеопослідовність Carphone (Q10): а – розгортка відео;

б – ПРВ довжини пакету RTP

 

Рисунок 2.16 - Відеопослідовність Foreman (Q10): а – розгортка відео;

б – ПРВ довжини пакету RTP

Аудіопотік. Для цифрового аудіосигналу з компакт-диска (СD) бітова швидкість дорівнює 1 411,2 кбіт/с. У разі МРЗ-стискування якість звуку, порівнянна з СD, досягається при 128 кбіт/с. Якість звуку УКВ-радіо для стереосигналів може бути досягнута при 64 кбіт/с, а для моносигналу при 32 кбіт/с. Для використання кодування звуку з низькою бітовою швидкістю в широкомовних застосуваннях при бітових швидкостях 60 кбіт/з на аудіоканал Міжнародний союз електрозв'язку (ITU-R) рекомендує стандарт МРЕG рівня 3.

Найвища ефективність кодування досягається  алгоритмами, що використовують надмірність  звукового сигналу.

Усі кодуючі пристрої мають одну і ту ж основну структуру (рисунок 2.17). Схема кодування може бути описана як формування перцепції (психоакустичне) шуму або кодування перцепції підсмуги перетворення. Кодуючий пристрій аналізує спектральні компоненти звукового сигналу у блоці аналізуючих фільтрів і застосовує модель психоакустики, щоб оцінити тільки значимий рівень шуму. У стадії квантування і кодування кодуючий пристрій намагається розподілити доступне число бітів даних так, щоб забезпечити виконання вимог до бітової швидкості і до маскування. Цей пристрій складається з наступних блоків.

Рисунок 2.17 - Структура психоакустичного кодування/декодування

 

Блок аналізуючих фільтрів, який використовується, щоб розділити  вхідний сигнал на спектральні компоненти (область часу/ частоти). Разом з  відповідним блоком фільтрів в декодері він формує систему аналізу/синтезу.

Распознавательная (перцепційна) модель: використовуючи вхідний сигнал тимчасової області і (чи) вихідний сигнал блоку  аналізуючих фільтрів, а також  правила, відомі в психоакустиці, обчислюється оцінка фактичного (тимчасова і частотна залежність) порогу маскування.

Квантування і кодування: спектральні  компоненти квантуються і кодуються  з метою збереження шуму, введеного  квантуванням і нижче порогу маскування. Цей крок здійснюється різними способами і залежить від алгоритму.

Кодування потоку бітів: формувач бітового потоку використовується для збору  бітового потоку, який складається  з квантованих і закодироваииых спектральних коефіцієнтів і деякої сторонньої інформації, наприклад інформації про розподіл бітів.

Модель трафіку потокового аудіо. На відміну від відеопотоку потоки МРЗ мають постійну бітову швидкість (СВR). В принципі, звук МРЕG не працює при фіксованому коефіцієнті стискування. Право вибору бітової швидкості стислого звуку (у деяких межах) повністю передається конструктору або операторові МРЕG аудіокодера. Стандарт визначає діапазон бітових швидкостей від 32 (у разі МРЕG - 1) або 8 кбіт/с (у разі низьких частот дискретизації МРЕG - 2 (LSF)) до 320 (МРЕG - 1) або 160 кбіт/с (LSF). У разі МРЕG-1/2 рівні-3 перемикання бітової швидкості від аудіокадру до аудіокадру повинне підтримуватися декодерами. Це, в сукупності з технологією бітового зберігання, дозволяє здійснювати кодування як зі змінною, так і з будь-якою постійною швидкістю передачі в діапазоні, встановленому стандартом. Так, наприклад, Real - Audio (від компанії RealNetworks) використовує адаптивний потік для смуги пропускання, що чергується. Більшістю операторів вибране СВR. Наприклад, потоки QuickTime (від компанії Apple) і потоки МРЗ (використовувані багатьма радіостанціями) реалізовані за допомогою транспортного протоколу реального часу (RТР).