Порядок передачі відео разом з Internet трафіком стандарту DVB в супутникових мережах зв’язку

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Військовий інституту телекомунікацій та інформатизації

Порядок передачі відео разом з Internet трафіком стандарту DVB в супутникових мереж зв'язку

Коротков М.М.

Стрюк О.Ю.

Сидоркін П.Г.

В даний час спостерігається розвиток технології DVB (Digital VideoBroadcast) при організації широкосмугового доступу користувачів до послуг супутникового зв'язку. Стандарт DVB об'єднує Internet і відеотрафіки в загальний цифровий потік [2]. Стандарт DVB прийнятий європейським об'єднаннями радіопередачі EBU (European Broadcast Union), заснований на підтримуючій фрагментацію системі передачі пакетів, визначеної в стандарті ISO/IEC 13818-1. Стандарт МРЕС-2 являє спосіб об'єднання що-скількох типів мультимедіа інформації в один транспортний потік інформації ТS (Transport Stream), який може бути переданий різноманітними засобами зв'язку. Традиційно МРЕС-2 ТS містить пакети стислих відео- і аудіо. Стиснення є причиною змінної швидкості передачі даних кожної телевізійної програми, тому що сцени з великою кількістю руху в зображенні закодовані з більш високою швидкістю передачі, ніж сцени з меншою кількістю руху. Ця пульсуюча характеристика змінної швидкості передачі VBR (Variable Bit Rate) стисненого відеотрафіка вимагає наявності додаткової пропускної здатності, щоб задовольняти вимогам технології DVB за часом затримки і коефіцієнту втрат. Щоб отримати фіксовану швидкість передачі даних, в ТS вставляються набивки пакети. У транспортному потоці ТS МРЕС-2 також можливо передавати контейнери даних на додаток до аудіо- і відеопотоків. Ці контейнери даних можуть використовуватися, щоб реалізовувати нові послуги або нести IР пакети.

У цій статті аналізується, як використовувати розтрачує пропускну здатність каналу, призначену для прирівнюють пакетів, тобто розглядається передача Internet трафіка по невикористаної відеотрафіком пропускної здатності каналу передачі. Особливий інтерес представляє випробування взаємодії між собою двох видів трафіку . Для оцінки впливу Internet трафіка на відеотрафік було проведено імітаційне моделювання в пакеті NS-2 [5]. Відомо, що пропускна здатність каналів супутникового гібридної мережі з фіксованою швидкістю передачі трафіку і коефіцієнтом втрат пакетів погіршується поступово з наближенням трафіку до розподілів з «важким хвостом» [3], в той час як час затримки в буфері і час відповіді погіршуються сильніше. Збільшення ресурсів мережі, таких як пропускна спроможність каналу і ємність буфера, призводить до логарифмічному поліпшенню. Таким чином, оптимальний розподіл ресурсів відіграє важливу роль в отриманні бажаної якості обслуговування QoS (Quality of Service).

Мультімедіа і Internet - додатки характеризуються сильною асиметричністю трафіку, де значно більше даних приймається клієнтом, ніж породжується ім. Такі послуги з топологією, де супутник забезпечує широкосмугову передавальну мережу з наземним каналом Internet підключення, має гарну альтернативу іншим мережам. Такі топології особливо цікаві в місцевостях з низькою щільністю населення і нерозвиненою наземною інфраструктурою мереж. Для нових типів програм та послуг, що вимагають високошвидкісний передачі даних мультимедійного вмісту безпосередньо в будинок, дані мережі мають значний потенціал навіть в щільно заселених районах. Структура моделюється мережі показана на рис. 1.

Клієнт Модем

Рис. 1. Структура моделюється мережі

Рис. 1 пояснює передачу IР трафіку з використанням технології DVB: прямий широкосмуговий зв'язок - це симплексний канал, який працює тільки на прийом, як це видно для клієнта, він служить каналом передачі. Наземний канал може бути односпрямованим каналом або мережевим підключенням, допускає двонаправлені операції. У той час як наземний канал забезпечує з'єднання типу точка-точка, зворотний канал має широкомовні характеристики.

Розглянута конфігурація мережі використовує зворотний канал, забезпечується супутниками безпосереднього мовлення DBS (Direct Broadcast Satellite). Потоки даних доставляються безпосередньо клієнту зі швидкістю передачі до 36 Мбіт/с [1] для транспондерів Кu-смуги. Топологія заснована на асиметричному доступі до мережі, що використовує супутникову та наземну мережі. Наземний канал в цій топології - низькошвидкостний зв'язок з Internet через ISP (Internet service provider). Модемне IР підключення - гарний приклад наземного каналу на сьогодні, доступне через телефонну мережу загального користування або через глобальні мережі мобільного зв'язку. Так як пропускна здатність наземного каналу зазвичай набагато менше мінімальної пропускної здатності супутникового каналу, розглянута асиметрична зв'язок ефективна для додатків, які отримують більше даних, ніж посилають назад.

Клієнт з'єднується з сервером через наземний канал. Коли клієнт реєструється сервером, дані поставляються через зворотний супутниковий канал зв'язку. Сервер супутникового зв'язку грає центральну роль, так як він також відповідальний за шифровку /розшифровку, маршрутизацію і управління клієнтським IР трафіком по каналу супутникового зв'язку і наземному каналу. Він пов'язаний з каналом супутникового зв'язку через супутниковий шлюз, де Internet дані розбиваються, формуються в пакети і стискаються з відео/аудіо по-струмами. Мультиплексний потік передачі ТS посилають по лінії супутникового зв'язку клієнтським станціям.

У клієнтської станції сигнал від антени і блоку малошумлячого підсилювача LNB (Low-Noise Amplifier Block) вводиться в модуль приймача/декодера, який є або окремим блоком STB (Set Top Box), або IRD (Integrated Receiver Decoder) картою, яка встановлюється в клієнтський персональний комп'ютер.

У разі якщо клієнт IRD/STB використовує тільки прийом аудіо/відео, потік даних відкидається, як це вимагає ISO/IEC 13818-1. У разі, якщо клієнт є клієнтом IР, то потік даних декодируется як потрібно.

Пакети з даними перетворюються операційною системою і програмним забезпеченням протоколу до стандартного IР увазі і передаються прикладним програмам.

Установка імітації. Конфігурація мережі, що складається з 67 точок розгалуження і 66 каналів зв'язку, зображена на рис. 2. Кожен канал має буфер, пропускну здатність і час затримки. S1-S64 є вузли сервера, С1 - клієнтський вузол; У1 - вузол джерела VBR відеотрафіка; G1 - супутниковий шлюз. Зв'язок між супутниковим шлюзом і клієнтом представляє собою симплексну лінію супутникового зв'язку і наземну зв'язок взаємодії. Хоча тільки С1 пов'язаний з лінією супутникового зв'язку, трафік в каналі є об'єднаний трафік від серверів до клієнтів.

Рис. 2. Імітованого конфігурація мережі

Канали зв'язку характеризується параметрами:

1) пропускна здатність каналу зв'язку між серверами і супутниковим шлюзом становить rp=1 Мбіт/с (дуплекс), а час затримки кожного каналу - фp=15 мс, яке виходить підсумовуванням затримок на передачу, розповсюдження і постановку в чергу;

2) пропускна здатність каналу зв'язку між VBR відео сервісом і супутниковим шлюзом становить rv=20 Мбіт/с (симплекс), а затримка сігнала - фs=280мс;

3) пропускна здатність каналу зв'язку від клієнта до сервера становить г = 28,8 кбіт/с (симплекс), а затримка сигналу- фt =30 мс;

4) пропускна здатність супутникового каналу зв'язку різна в імітації і змінюється від 0,2 до 10 Мбіт/с (симплекс), а затримка сигналу - фs=280 мс.

Internet трафік. Для імітації вузлів Internet серверів використовувалися джерела з розподілом Парето. Параметр MSS (Maximum Segment Size) - максимально розмір сегмента, дорівнює 200 байт у всіх імітаціях. Інтервали часу передачі і очікування становлять фon =160 мс и фoff =100 мс, відповідно. Вибір швидкості генерації пакетів джерел Парето представлений нижче.

Відеотрафік. Згідно [4], швидкість потоку відеотрафіка в стандарті MPEG-2 до DVB-S становить до 36 Мбіт/с, що призводить до тривалих вичисельності. З метою зменшення часу моделювання для імітації VBR відеотрафіка використовувався трейс файл з фільму «Зоряні війни», отриманий М/Гарреттом (Bellcore) в стандарті МРЕG-1 [6]. Середня швидкість передачі відеотрафіка була розрахована як 365 кбіт/с з показником Херста H=0.9989. Кожен запис в оригінальному трейс-файлі містить число бітів в кадрі, частота кадрів кодування становить 24 кадр/с.

Трейс-файл для пакета NS-2 отриманий трансформацією записи в такий спосіб. Спочатку кожен кадр ділиться на пакети по 200 байт. Ці пакети передаються рівномірно, з проміжком близько 20 мс. Джерело потім простоює, що залишився до 1/24 с.

Складові трафіку. Пакети від джерела VBR відеотрафіка і Парето джерел об'єднані на вузлі шлюзу. Класова організація черги CBQ (Class Based Queuing) здійснена на шлюзі так, щоб відеотрафік мав пріоритет над Internet трафіком. В цьому випадку пакети Internet передаються на доступній швидкості передачі ABR (Available Bit Rate) або з невизначеною швидкістю передачі UBR (Unspecified Bit Rate), що не впливаючи на VBR відеотрафік. Розмір буфера змінюється в різних імітаціях.

Результати імітацій. Для перевірки того, що Internet трафік не впливав на відеотрафік, була проведена імітація на записи «Зоряні війни» без Internet трафіку, а потім в присутності Internet трафіку. У імітациях були використані Парето джерела з параметром Херста, рівним Н = 0,74. Пропускна здатність, коефіцієнт втрат і час затримки в буфері були зрівняні в двох варіантах.

На рис. 3 показано, що VBR MPEG відео вимагає набагато більшої швидкості передачі, ніж її середнє значення, і що видаткова вільна пропускна здатність може використовуватися для передачі IР послуг.

Аналіз кривих на рис.3 показує, що швидкість передачі відеотрафіка не перевищує vv=365327,6 біт/с при пропускній здатності зворотного каналу, рівній rs=1,4 Мбіт/с і буфері в Bv=300 пакетів, що є середньою швидкістю для фільму «Зоряні війни». Як було сказано вище, канал з пропускною спроможністю, величиною в різницю між пропускною здатністю зворотного каналу і середньою швидкістю передачі відеотрафіка можна використовувати для передачі Internet трафіку. Звідси видно, що загальна середня швидкість Internet трафіку на супутниковому шлюзі повинна становити 1034672,391 біт / с. Шляхом експерименту була підібрана швидкість передачі одного Парето джерела, рівна rp=49992 біт / с при показнику Херста Н = 0,74, яка забезпечує загальну швидкість Internet трафіку, рівну 1034777,912 біт / с і близьку до необхідної.

Пропускна здатність супутникового каналу, г (Мбіт / с)

Рис. 3. Швидкість передачі відеотрафіка в умовах передачі тільки відеотрафіка і об'єднаного трафіку з різними розмірами буфера для супутникового каналу

В результаті, згідно з рис. 4, реальна швидкість передачі Internet трафіку в присутності пріоритетного відеотрафіка доходить до vi=772505 біт/с, що дорівнює ~ 55% всієї пропускної здатності супутникового каналу зв'язку.

Пропускна здатність супутникового каналу, г (Мбіт / с)

Рис. 4. Швидкість передачі трафіку 1п! Ете! трафіку при передачі об'єднаного трафіку з різними розмірами буфера для супутникового каналу

Аналіз рис.3 показує, що при пропускній спроможності rs=1,4 Мбіт/с збільшення буфера на 100% (10 н 20 пакетів) збільшує швидкість передачі відеотрафіка від vv=323919,0244 до vv=350584 біт/c (об'єднаний трафік) та від vv=321292,4878 до vv=347736,9756 біт/c (відеотрафік), що становить приріст в обох випадках 8,23%.

При буфері 50 і більше пакетів розмір буфера слабо впливає на швидкість передачі відеотрафіка, збільшуючи її з vv=368440,5854 до vv=369061,6585 біт / с (об'єднаний трафік) і з vv=364749,6585 до vv=365327,6098 біт / с (відеотрафік), що становить приріст на 0,168% і 0,158%, відповідно. Результат показаний на рис. 5. Далі на рис. 6, 7 результати імітацій показують, що Internet трафік має мінімальний вплив на пріоритетний відеотрафік, все це підтверджують подальші міркування.

Пропускна здатність супутникового каналу, г (Мбіт / с)

Рис. 5. Зростання швидкості передачі відеотрафіка в умовах передачі тільки відеотрафіка і об'єднаного трафіку з різними розмірами буфера для супутникового каналу

На рис. 6 коефіцієнт втрат визначається як відношення втрачених пакетів відеотрафіка до прийнятих і підтверджує в цілому аналіз рис. 3.

Пропускна здатність супутникового каналу, г (Мбіт / с)

Рис. 6. Коефіцієнт втрат при передачі відеотрафіка в умовах передачі тільки відеотрафіка і об'єднаного трафіку з різними розмірами буфера для супутникового каналу

З рис. 7 видно, що затримка в буфері відеотрафіка дуже чутлива до малої пропускної здатності супутникового каналу і наростає при збільшенні буфера. Аналіз рис. 7 показує, що при пропускній здатності rs= 1.4 Мбіт / с і збільшенні буфера на 100% (10 на 20 пакетів) затримка в буфері збільшується від фv=2,46728 мс до фv=4,12249 мс (об'єднаний трафік ) і від фv=2,24287 мс до фv=3,85808 мс (відеотрафік), що становить збільшення затримки в буфері на Дфv=1,65521 мс (67,08%), и Дфv=1,61521 мс (72,01%), відповідно.

Пропускна здатність супутникового каналу, г (Мбіт / с)

Рис. 7. Час затримки в буфері відеотрафіка пакетів в умовах передачі тільки відеотрафіка і об'єднаного трафіку з різними розмірами буфера для супутникового каналу

При буфері 50 і більше пакетів затримка в буфері збільшується від фv= 5,84735 мс до фv= 6,10809 мс (об'єднаний трафік) та від фv = 5,54838 мс до фv= 5,74928 мс (відеотрафік), що становить збільшення затримки на Дфv=0,26074 мс (4,459%) и Дфv=0,2009 мс (3,62%), відповідно.

На рис. 7 також спостерігається компроміс між розміром буфера і часом затримки в буфері. Знайдемо мінімальну пропускну здатність супутникового каналу, що задовольняє вимогам QoS за часом затримки і коефіцієнту втрат з рис. 6 і 7. Для мовлення відео в реальному масштабі часу ці межі визначені як 100 мс затримка за часом і варіації затримки і коефіцієнту втрат в 10-5 [2, 4]. Вищезазначені результати означають, що відеотрафік фільму «Зоряні війни» вимагає або великих розмірів буфера, або високої пропускної здатності каналу передачі, щоб задовольняти вимогам стандарту МРЕG-1 по втратах. Криві на рис. 3, 6, 7 і 8 показують, що ці вимоги виконуються, коли розмір буфера складає 300 пакетів, і використовується пропускна здатність супутникового каналу г = 1,4 Мбіт / с. При цьому коефіцієнт втрат дорівнює нулю, і час затримки в буфері становить 5,74928 мс, а варіація часу затримки дорівнює 0,106273 мс, що показано на рис. 8. Як видно з кривих на рис. 3, 6, 7 і 8, ці вимоги виконуються і для більш високих значень пропускної здатності супутникового каналу. Використана відеозапісь, тобто «Зоряні війни», передаючись по мережі як відеотрафік, викликає дуже несприятливі стани, що в реальних мережах трапляється не завжди. Деякі відеопрограми, наприклад новини, викликають набагато менше переданих пакетів. У цих випадках Internet трафік по каналах DVB передається набагато краще.

Пропускна здатність супутникового каналу, (Мбіт / с)

Рис. 8. Варіація часу затримки в буфері відеопакетів в умовах передачі тільки відеотрафіка і об'єднаного трафіку з різними розмірами буфера для супутникового каналу

Висновки

1. Відеотрафік іноді вимагає великої пропускної здатності каналу зв'язку, яка більше, ніж середнє значення швидкості передачі відеотрафіка і складає vv=365327,6 біт/с, тоді вільна пропускна здатність супутникового каналу може використовуватися для передачі Internet трафіку.

2. Реальна швидкість передачі Internet трафіку в присутності пріорітетного відеотрафіка доходить до ~ 55% всієї пропускної здатності супутникового каналу зв'язку.

3. Зі збільшенням розміру буфера затримка в буфері відеотрафіка збільшується, а коефіцієнт втрат зменшується по нелінійному закону.

4. Internet трафік має мінімальний вплив на пріоритетний відеотрафік.

5. Відеотрафік вимагає великих розмірів буфера або високої пропускної здатності супутникового каналу, щоб задовольняти вимогам QoS.

Література

1. Севальнев Л.А. Передача цифровых телевизионных программ с информационным сжатием данных по спутниковым каналам связи / Л.А. Севальнев // Теле-Спутник. 1997. № 7. С. 64 - 69.

2. Сети спутниковой связи VSAT: учеб. пособие для вузов / О.И. Шелухин, Д.А. Лукьянцев, А.С. Пастухов, С.В. Голованов; под ред. О.И. Шелухина. - М.:МГУЛ, 2004. - 281 с.

3. Шелухин О.И. Фрактальные процессы в телекоммуникациях: монография / О.И. Шелухин, А.М. Тенякшев, А.В. Осин; под ред. О.И. Шелухина. - М.: Радиотехника, 2003. - 480 с. трафік канал сервер

4. Chen Y. QoS Requirements of Network Applications on the Internet / Y. Chen, T. and Ye N. Farle. Information Knowledge Systems Management. Tempe: Department of Industrial Engineering, Arizona State University. 2004. April. P. 55-76.

Размещено на Allbest.ru