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

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1 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 Feb 19, 2002 修士論文発表会

2 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

3 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

4 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 , International Computer Science Institute, March 2000.

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 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