AL-ARQ algorithm for video streaming IN WLAN

Full Text

Введение Передача потоковых видеоданных по беспроводным локальным сетям в настоящее время занимает все большее место в сфере телекоммуникаций и используется в мультимедийных услугах, таких как просмотр видеотрансляций, организация мультимедийных конференций, управление в реальном времени, сетевые игры и других приложениях. Однако качество передачи в беспроводных сетях подвержено влиянию таких факторов как ослабление сигнала, межканальная интерференция, многолучевое распространение. В результате фрагменты данных могут теряться, задерживаться или менять порядок следования. Таким образом, например, при использовании видеосерверов в таких сетях, на проигрываемом видеофрагменте могут появляться искажения либо воспроизведение становится невозможным [1; 5] - см. рис. 1. Рис. 1. Снижение качества видео из-за низкого качества связи в беспроводной локальной сети Для повышения качества доставки данных могут использоваться такие методы коррекции потерь пакетов как автоматический запрос повторной передачи ARQ (Automatic Repeat ReQuest) и прямое исправление ошибок FEC (Forward Error Correction) на различных уровнях модели взаимодействия открытых систем [2-3]. Однако в беспроводных локальных сетях с применением стандартов семейства 802.11 (Wi-Fi) совершенствование этих методов, реализованных на канальном уровне, привело бы к необходимости изменений в самих стандартах, что осложняет процесс внедрения. Потенциальной возможностью повышения качества доставки видеоданных является совершенствование этих методов путем их реализации на прикладном уровне модели OSI, что не влечет за собой необходимость изменений в стандартах нижележащих уровней и при этом упрощает процесс реализации путем установки программного обеспечения на узлы сети (источник и получатели видеоданных). В статье предлагается алгоритм AL-ARQ (Application Layer ARQ) для коррекции потерь фрагментов потоковых видеоданных на прикладном уровне модели OSI в беспроводной локальной сети и его программная реализация. Качество доставки видеоданных в реальном режиме времени повышается за счет переспроса потерянных фрагментов видеоданных на прикладном уровне модели OSI. Проводится математический анализ и экспериментальные исследования эффективности алгоритма AL-ARQ в условиях потерь фрагментов при передаче по беспроводной локальной сети. Алгоритм AL-ARQ Алгоритм AL-ARQ прикладного уровня модели OSI разработан на основе наиболее эффективной схемы с выборочным повтором (Selective Repeat). В такой схеме потери фрагментов данных определяются по отсутствующим порядковым номерам в буфере получателя. После установления факта потери фрагмента видеоданных (по отсутствующему номеру на стороне получателя) получатель высылает источнику запрос для его повторной передачи (см. рис. 2). Если эта попытка неуспешна, то через таймаут повторной пересылки TRTO высылается следующий запрос на повторную передачу этого фрагмента и т.д. пока не исчерпается таймаут ожидания фрагмента. Рис. 2. Принцип работы AL-ARQ В этой схеме используется два буфера: один - на отправителе для запоминания фрагментов, которые возможно будет необходимо выслать повторно, другой - на получателе для коррекции порядка следования фрагментов, который может нарушиться как вследствие вариации задержек доставки фрагментов, так и из-за ожидания потерянных фрагментов. В предлагаемом алгоритме AL-ARQ уровня таймаут повторной пересылки TRTO вычисляется на основе аппроксимации времени цикла двусторонней передачи (Round Trip Time) TRTT, в несколько этапов [4]. 1. Вычисляется текущее сглаженное время цикла двусторонней передачи (Smouthed Round Trip Time) TSRTT cur, которое учитывает приоритет последних значений: , (1) где TSRTT prev - предыдущее сглаженное время цикла, TRTT cur - текущее время цикла. 2. Определяется текущее отклонение (девиация) TDEV сur: . (2) 3. Вычисляется текущее сглаженное значение отклонения TSDEV cur: , (3) где TSDEV prev - предыдущее значение сглаженного отклонения. 4. Тайм аут повторной пересылки вычисляется по следующей формуле: . (4) На рис. 3 приведены форматы сообщений прикладного уровня модели OSI, используемые в рассматриваемом алгоритме. Поля в сообщениях имеют следующие обозначения: ID - идентификатор сообщения; NR - номер ретрансляции; SN - порядковый номер фрагмента; N - количество пачек потерянных фрагментов; BL - размер пачки. Цифрами над полями указан размер соответствующего поля в битах. В случае потери пачки фрагментов размером L (L > 1) высылается только одна квитанция с запросом повторной передачи. Фрагменты этой пачки составляют группу ожидаемых фрагментов. а) б) Рис. 3. Форматы сообщений AL-ARQ: а) для передачи данных; б) для отправки отрицательных квитанций запроса повторной передачи и сообщений отмены запроса повторной передачи Так как фрагменты могут теряться и при повторной пересылке, то в ответ на запрос повторной передачи пачки фрагментов может прийти только часть ожидаемых фрагментов. Таким образом, одна группа ожидаемых фрагментов может распасться на N пачек фрагментов с соответствующими размерами BL1; BL2 … BLN. Количество фрагментов, находящихся в буфере отправителя, определяется в соответствии с таймаутом ожидания фрагмента. Если в момент получения отрицательной квитанции в буфере источника отсутствуют запрашиваемые фрагменты, то получателю посылается сообщение отмены запроса повторной передачи. На стороне получателя, после приема этого сообщения, фрагменты, указанные в этом сообщении, удаляются из списка ожидаемых пакетов. В момент определения потери одного или нескольких фрагментов получатель высылает источнику отрицательную квитанцию и номера этих фрагментов заносятся в базу данных получателя для ожидания (см. рис. 4). В случае получения ожидаемых фрагментов соответствующие порядковые номера удаляются из этой базы данных, при этом отсчитывается оставшееся время до следующего запроса повторной передачи. По его истечении на основе группы ожидаемых фрагментов, находящихся в базе данных, высылается отрицательная квитанция. Эта процедура повторяется до тех пор, пока все требуемые фрагменты не восстановлены или до тех пор, пока они являются актуальными для приложения. Рис. 4. Блок-схема алгоритма AL-ARQ Экспериментальное исследование алгоритма AL-ARQ для WLAN Потери фрагментов при передаче потоковых видеоданных по беспроводной локальной сети (WLAN) могут быть смоделированы с помощью модели Гильберта (рисунок 5). Эта модель задает среднюю вероятность потерь фрагментов P и средний размер пачки L, которые определяют вероятности переходов p и q между состояниями без ошибок G или с ошибками B в соответствии со следующими формулами [6]: , . (5) При запуске приложения в командной строке операционной системы семейства Windows задаются IP адрес и порт серверного приложения, объем выборки измерения потерь фрагментов и время ожидания потерянного фрагмента в мс. Рис. 5. Модель Гильберта [6] Для экспериментального исследования эффективности функционирования алгоритма AL-ARQ на его выходе был реализован программный измеритель коэффициента потерь фрагментов (CLR - Chunk Loss Ratio). В ходе эксперимента в качестве видео, которое транслировалось по сети WLAN, использовалась тестовая последовательность видеокадров «highway» [8]. Передача видео осуществлялась со стационарного компьютера через точку беспроводного доступа, реализованной в Wi-Fi роутере Linksys WRT54GL, на клиентский ноутбук. Результаты эксперимента в виде зависимости CLR от вероятности потери фрагмента (P) при различных значениях среднего размера пачки потерянных фрагментов (L) иллюстрируются на рис. 6. Из графика видно, при увеличении среднего размера пачки потерянных фрагментов увеличивается количество потерянных фрагментов после коррекции. Рис. 6. Зависимости CLR от P при различных L Согласно [7] коэффициент потерь фрагментов CLR для трансляции видеопотока необходимо обеспечивать на уровне не более 0,001. Предложенный алгоритм удовлетворяет этому требованию при следующих условиях: при L = 15, P < 0,42; при L = 25, P < 0,26; при L = 35, P < 0,06. На рисунке 7а в качестве наглядного примера, иллюстрирующего разницу в качестве воспроизведения видео, для случая P = 0,1 и L = 35 приведен один из кадров с экрана видеоплеера при приеме без коррекции и на рис. 7б - при приеме с коррекцией потерянных фрагментов по алгоритму AL-ARQ. Результаты эксперимента показывают, что даже при высоких значениях L алгоритм AL-ARQ позволяет существенно уменьшить коэффициент потерь фрагментов, что сказывается на улучшении качество видео. Выводы В работе предложен и програмно реализован алгоритм коррекции потерь фрагментов AL-ARQ прикладного уровня модели OSI. Разработаны форматы сообщений, исползуемых как для передачи фрагментов видеоданных, так и для сообщений запроса повторной передачи. а) б) Рис. 7. Кадр с экрана видеоплеера при приеме видео: а) без AL-ARQ; б) с AL-ARQ Экспериментальное исследование алгоритма AL-ARQ для потоковой передачи видео в сети WLAN подтверждает его эффективность. В качестве критерия эффективности предложенного алгоритма используется коэффициент потреь фрагментов CLR. Выявлена зависимость CLR не только от заданной вероятности потерь фрагментов P, но и от среднего размера пачки потерянных фрагментов L. При P = 0,1 и L = 35, например, коэффициент потерь фрагментов уменьшается в 91 раз.

About the authors

Andrey Vyacheslavovich Chunaev

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Email: andrew.chunaev@mail.ru

Albert Vinerovich Abilov

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Email: albert.abilov@istu.ru

Maria Mikhailovna Pavlova

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Email: mariya.m.pavlova@mail.ru

References

Supplementary files