Melhoria da Qualidade de Experiência em Sistemas IPTV

Aplica¸c˜

ao da Suaviza¸c˜

ao de Tr´

afego para

Melhoria da Qualidade de Experiˆ

encia em

Sistemas IPTV

Daniel Klassen e Carlos Marcelo Pedroso

Departamento de Engenharia El´etrica - Universidade Federal do Paran´a

Formato MPEG

I A codifica¸c˜ao utilizando o formato MPEG introduz variabilidade no tr´afego de v´ıdeo

I Frames s˜ao transmitidos a uma taxa constante, no entanto o tamanho dos frames varia de acordo com o tipo.

Tr´

afego de V´ıdeo

I A variabilidade introduzida pela compacta¸c˜ao leva a um comportamento em rajadas.

I O tr´afego de v´ıdeo streaming ´e sens´ıvel a perdas e ao atraso.

I Estima-se que um pacote com atraso maior que 200ms pode ser considerado perdido.

Problema

I Deseja-se obter um mecanismo de suaviza¸c˜ao de tr´afego para reduzir a probabilidade de congestionamento nos roteadores, reduzindo o jitter e reduzindo a probabilidade de descarte de pacotes.

I O algoritmo utilizado para suaviza¸c˜ao foi o token bucket, devido a sua baixa complexidade computacional e sua grande disponibilidade nos roteadores e servidores.

I A contribui¸c˜ao ser´a a proposta de m´edoto de configura¸c˜ao dos parˆametros do algoritmo do balde de fichas.

Diagrama de Blocos

Video Stream

(pacotes) Token BucketSuavizador

Características

do vídeo Configuração deParâmetros Taxa (r) Tamanho do Balde (b) Video Stream Suavizado Video Stream (pacotes) Transmissão (Rede) Usuário: Melhor Qualidade de Experiência

Configura¸c˜

ao de parˆ

ametros do algoritmo Token Bucket

I Com rela¸c˜ao ao tamanho do balde b, a configura¸c˜ao ´e mais complexa.

I Caso o tamanho do balde seja muito pequeno, as rajadas seriam eliminadas, tornando fluxo praticamente constante e o atraso introduzido pode prejudicar a QoE.

I Caso o tamanho do balde seja muito grande, o tr´afego permaneceria inalterado. Desta forma, o primeiro cuidado a se tomar ´e fazer com que a transmiss˜ao dos quadros tipo I, que possuem o maior tamanho entre os tipos de quadro, seja realizada, na m´edia, antes da transmiss˜ao da pr´oxima imagem, ou seja,

tφI <

1

f (1)

onde tφI denota o tempo m´edio para transmiss˜ao de um

Configura¸c˜

ao do tamanho do balde

I O tempo m´edio para transmiss˜ao de um quadro I, suavizado pelo algoritmo do balde, pode ser dado por:

tφI =

b C +

φI− b

r , r < C (2)

onde b ´e o tamanho do balde, C representa a capacidade do canal, φI ´e o tamanho m´edio do quadro I e r ´e a taxa do

Tamanho do Balde

I Utilizando-se as Equa¸c˜oes 1 e 2, pode-se obter:

b < 1 r /C − 1 hr f − φI i , r < C (3)

I Considerando que os quadros I representam o pior caso em termos de tamanho de pacote e que um tamanho do balde maior que o tamanho do quadro I n˜ao estaria suavizando o tr´afego, uma regra importante para se estabelecer ´e dada por:

b < MAXI (4)

onde MAXI ´e o tamanho do maior quadro I do v´ıdeo em

M´

edodo Proposto

I Propomos a seguinte heur´ıstica para a escolha do tamanho do balde: b = m´ınimo  1 r /C − 1 hr f − φI i , φI  , (5)

I A heur´ıstica proposta se baseia nas seguintes observa¸c˜oes: 1. o valor m´edio para o tamanho do quadro I ´e uma medida

simples para ser obtida na pr´atica;

2. como existe uma varia¸c˜ao no tamanho do quadro I, limitar a rajada para o tamanho m´edio do quadro I deve limitar as maiores rajadas, evitando problemas de congestionamento sem penalizar demasiadamente a transmiss˜ao dos quadros I;

3. o tr´afego resultante ainda permite rajadas com a transmiss˜ao inalterada de quadros I com tamanho menor ou similar `a m´edia e tamb´em dos quadros P e B.

Resultados Simulados

I Foi utilizado o simulador de redes NS-2.

I Topologia de Simula¸c˜ao:

Roteador 1 Roteador 2 C bps Servidor de vídeo Servidor de arquivos (FTP) Cliente FTP Cliente vídeo tráfego de fundo tráfego de vídeo

Resultados Simulados

I Buffers foram mantidos muito grandes para evitar descarte em virtude de falta de espa¸co nos elementos de rede.

I Pacotes com atraso maior que 200m segundos foram considerados perdidos.

I O MOS foi estimado atrav´es da PSNR.

I Sabemos que existem m´etricas melhores do que a PSNR para aproxima¸c˜ao do MOS.

I No entanto, nos interessa capturar a degrada¸cao relativa da qualidade, e o PSNR ´e capaz de capturar a degrada¸c˜ao relativa do MOS.

I Testes realizados com o SSIM apresentam o mesmo padr˜ao de deteriora¸c˜ao da qualidade.

Resultados Simulados

I Caracter´ısticas dos v´ıdeo utilizados nos testes:

Parque dos Highway Football

Dinossauros

Tamanho Total (bits) 88,05M 208,20M 1,60M

Taxa M´edia (bps) 2,84M 3,13M 4,29M No_{de Pacotes 7.789 18.810 1.114} φI (bytes) 38.692 13.012 17.735 MAXI (bytes) 95.846 28.606 35,570 f (fps) 30 30 30 Geometria 720x480 352x288 352x288

Codec MPEG4.10 MPEG4.10 MPEG4.10

Resultados

Compara¸c˜ao entre o MOS resultante da transmiss˜ao do v´ıdeo Parque dos Dinossauros com e sem suaviza¸c˜ao

Resultados

Compara¸c˜ao entre o MOS resultante da transmiss˜ao do v´ıdeo Highwaycom e sem suaviza¸c˜ao

Resultados

Compara¸c˜ao entre o MOS resultante da transmiss˜ao do v´ıdeo Footballcom e sem suaviza¸c˜ao

Conclus˜

oes

I Em todos os casos testados, ´e poss´ıvel observar que o uso do m´etodo suavizador melhorou a qualidade da experiˆencia do usu´ario, principalmente quando o n´ıvel de utiliza¸c˜ao aumenta.

I O benef´ıcio observado foi diferente para cada um dos v´ıdeos, o que pode ter sido causado por diferen¸cas nos padr˜oes de movimento e tipo de compacta¸c˜ao espacial e temporal, onde a perda de uma informa¸c˜ao pode ter diferentes impactos na qualidade.

I Observa-se tamb´em que o uso da suaviza¸c˜ao permitiu em todos os casos uma boa resposta para n´ıveis de utiliza¸c˜ao iguais ou menores que 80%.

I Para a transmiss˜ao sem suaviza¸c˜ao, a degrada¸c˜ao inicia-se em valores menores de utiliza¸c˜ao.