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 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: miyabays@ics.es.osaka-u.ac.jp Feb 19, 2002 修士論文発表会

研究の背景 TCP と UDP の不公平性 プロトコル間 性能格差拡大 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 TCP，UDP混在時 マルチメディア アプリケーションの増加 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 Rate [Mbps] Time [sec] UDP TCP プロトコル間 性能格差拡大

研究の目的 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 狭帯域での動画像通信 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

TCP-friendlyを実現するレート制御 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 ) 32 1 ( 8 3 2 p T RTT MTU r + » ネットワークの状態推定 RTT，パケット棄却率 p TCP コネクションのスループット 予測 データ送出レートの決定 TCP r ) 32 1 ( 8 3 2 p T RTT MTU r o TCP + » 動画像データ Network TFRC sender TFRC receiver フィードバック情報 Feb 19, 2002 修士論文発表会

VOP (Video Object Plane) GOV (Group of Video Object Plane) MPEG-4 FGS 動画像の基本構造 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

TFRC レート制御の 動画像通信への適用 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 動画像品質変動が激しくなるなどの問題発生 しかし Feb 19, 2002 修士論文発表会

FGSのための動的品質調整手法 パケット棄却の発生により 動画像品質に影響が及ぶ データ送出レート 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 データ送出レート 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

パケット棄却による画質劣化 パケット棄却発生 FECによるパケット棄却の影響を抑制 基本レイヤが失われると，低品質な期間が続く 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 50 100 150 200 250 300 SNR [dB] VOP number Loss = 0 Loss = 10e-2 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

FEC (Forward Error Correction) 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

冗長度の影響 冗長度の割合 多い 少ない 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． 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 動画像レート制御 （G-G smooth） 冗長度 観測棄却率 目標棄却率 Feb 19, 2002 修士論文発表会

動的品質調整手法 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

提案手法の有効性評価 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 棄却が発生しない時は画質が低くなる 5 10 15 20 25 30 35 40 50 100 150 200 250 300 SNR [dB] VOP number w/o FEC w/ FEC (10e-3) w/ FEC (10e-4) 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 1 Pave 1e-01 1e-02 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 packet loss probability 1e-03 1e-04 1e-05 1e-06 1e-07 50 100 150 200 250 300 VOP number

まとめと今後の課題 まとめ 今後の課題 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