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射頻/無線  

如何提高無線視訊串流的端到端QoS品質

上網時間: 2004年11月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線  視訊  無線區域網路  頻寬  優先級 

圖1:802.11a鏈路的理想性能與帶干擾鏈路的實際性能比較。 在802.11無線區域網路(WLAN)上傳送視訊訊號面臨著時延管理方面的艱鉅挑戰,在IP上傳送視訊訊號一直沒有成功達到真正的廣播級QoS品質。本文首先介紹與已有WLAN QoS技術相關的問題,然後詳細解釋緩衝/速率自適應技術如何透過有效的QoS機制支援802.11a WLAN鏈路上視訊串流的傳送。

在802.11無線區域網路(WLAN)上傳送視訊訊號面臨著時延管理方面的艱巨挑戰,因為面臨著諸如時延、可用頻寬、不穩定的無線鏈路品質、高頻寬需求及視訊應用的不斷變化等挑戰,在IP上傳送視訊訊號也一直沒有成功達到真正的廣播級QoS品質。

傳統的優先級與緩衝技術無法提供在802.11鏈路上傳送視訊串流所需的正確QoS機制。實際的802.11網路的可用頻寬常會突然和嚴重的下降,導致視訊訊號的斷續和靜止。也有些解決方案建議使用緩衝技術,但適合高度可變的無線鏈路的緩衝記憶體必須非常大才能支援最壞情形下的QoS品質。這種大緩衝記憶體的成本非常高,不適合消費產品使用,用戶也不願意等待數分鐘去‘切換頻道’。

幸運的是,設計師現在可以採取速率自適應加上緩衝的技術解決QoS問題。本文將詳細描述在標準802.11網路上提供有保證的視訊QoS品質的端到端解決方案。提供真正無線視訊QoS的方案需要將視訊伺服器與無線硬體緊密地聯繫在一起。這樣就能實現對視訊的即時調整,並始終提供最大的可用頻寬。無論鏈路條件如何,確保每秒30訊框的速率是在802.11網路上傳送視訊的硬性指標。

業界也嘗試了多種方案試圖解決這些問題,但少有成功的。像802.11e這樣指定頻寬加優先等級技術曾作為支援視訊分配的解決方案。然而指定頻寬/優先等級技術並不能提供真正的QoS,因為它們不能解決以下關鍵問題:當所需的位元率超過可用頻寬時如何達到並保持廣播級品質或HDTV這種更高的QoS品質。圖2:具有自適應頻寬管理功能的HD訊息通道。

緩衝為設計師提供了另外一種QoS保證機制。但為高度可變的無線鏈路準備的緩衝技術需要巨大的緩衝記憶體才能滿足最壞情形下的QoS品質要求。

最後一種可幫助設計師解決QoS難題的方法是緩衝加速率自適應技術。本文首先介紹與已有WLAN QoS技術相關的問題,然後詳細解釋緩衝/速率自適應技術如何透過有效的QoS機制支援802.11a WLAN鏈路上視訊串流的傳送。

傳統解決方案

首先,對視訊串流的數學研究可以得出下面2個主要函數:

(方程1)=在T時刻數據串流k所需的頻寬

(方程2)=網路的可用頻寬

在音/視訊數據轉發重傳和發送業務中,所有視訊訊息通道都是6MHz頻段。這個6MHz的頻段可以容納一個類比電視訊道。隨著數位音/視訊的出現,每個6MHz類比頻段可以承載QPSK調變的27Mbps或QAM-256調變的36Mbps數位訊號。單個類比頻段內可以整合許多數位訊息通道,調變進單個類比頻段的數位串流被稱為傳送器。在每個傳送器中有效整合多個音/視訊數據串流的問題就是傳統的統計再使用問題。圖3:具有突出問題領域的規則頻寬細節。

在許多傳統的視訊網路中,例如銅軸電纜上的QAM或QPSK的(方程2)是常數,此時可以簡化(方程1)中突出的統計再使用問題,因而可以在數位廣播領域用簡單的方法如?定位元率(CBR)數據串流或先進的速率疏導方法較容易地解決這種統計再使用問題。

常數(方程2)=K的優點還在於可以達到這種系統中網路容許的最小時延,因而使時延不再成為問題。

在WLAN領域令人感興趣的是,在802.11a/b/g這種可變環境中,許多客戶會不斷地移動,因此(方程2)不可能是個常數。事實上,可用頻寬不僅很容易下降90%或到平均值的10%以下,甚至可能在較短或較長時間內維持較低的水準。

正因為如此,我們需要認真考慮完全不受干擾的802.11a環境下的最大總吞吐量和旁邊有微波爐在爆玉米花或存在關門、移動等其它環境變化和基本干擾條件時的最大總吞吐量的比較結果(圖1)。

在無干擾環境中添加單個HDTV數據可以形成理想的視訊傳輸,因為有足夠的頻寬用來處理視訊。然而,在現實環境中,干擾點會造成視訊的中斷。

有兩種常見的解決方案可以避免這個問題。第一種方案是由系統測試並分析通常的安裝情況,並得到最小可用網路頻寬值。這種方法相對比較少用,因為設計師必須保證視訊頻寬要求不會超過這一最小值。

第二種方法就是緩衝。系統測試並分析通常的安裝情況,並得到接收側的緩衝記憶體大小。當干擾出現時,視訊頻寬要求將超過可用頻寬。圖4:802.11a鏈路中的干擾圖。

第一種方案感興趣的人不多,因為它的故障率高,視訊位元率一直處於較低的水準,以致於視訊品質本身就不能取悅最終用戶。第二種方案在以下條件成立時結果會比較理想:(a)避免使用全部的可用頻寬(方程2),(b)接收側有足夠的緩衝記憶體,此時能夠解決許多種數據串流問題。然而,當環境中有微波爐或無線電話在使用時第二種解決方案也無法正常工作。

如果要用數學方法表達出來,解決上述問題所需的最小時延可以被表示為:

Δt時間的視訊所需緩衝記憶體為:

(方程3)

假設時延為α,那麼在任何Δt時間內的總速率為:

(方程4)

,如果沒有時延,等式等效於:

(方程5)

同時,可用頻寬可以滿足以下表達式:

(方程7)

這裡需要注意的是,由於輸入視訊是即時視訊訊號,F*A不能超過FD。這就意味著我們真正關心的是:

(方程8)

假設α=要求時延,那麼為了避免緩衝記憶體溢出,必須滿足:

(方程9)圖5:帶RA(左)和不帶RA(右)的緩衝記憶體測量。

由於網路中隨時會出現干擾或破壞,因此我們需要知道的是,是否有足夠的頻寬保證不發生下溢。在下溢發生的特殊情況下,我們可以認為F*A=0,這時α=Δt。

從這些等式中我們可以發現,我們需要緩衝記憶體足夠的視訊來對付可能出現的干擾破壞,才能實現具有強韌性的緩衝技術實現。但為了使緩衝記憶體能夠處理所有可能的干擾情況,這種時延可能持續數秒或數分。

然而現實的問題是:緩衝技術是否能夠應付大多數干擾破壞情況?真正的答案來自消費性電子(CE)領域。消費性電子產品製造商非常理解視訊的要求,其中低時延就是很重要的一條。頻道轉換必須具有即時性,一般在秒以下。緩慢的響應時間雖然對數位視訊的破壞是短暫的,但經常會招致最終用戶的抱怨。

緩衝技術在一定條件下是成功的,但它會導入時延。時延最終會影響(延遲)諸如頻道轉換、快進和快退等用戶的作業,因而使緩衝成為WLAN鏈路上成功傳送串流式視訊的障礙。

尋找好的解決方案

現在我們知道,上述方法也不能很好地解決IP鏈路上傳送視訊訊號所遇到的問題。方案的好壞在於它能否高效地使用可用頻寬,同時最小化緩衝記憶體需求。事實上已經有這樣的方法,它不僅具有網路監示功能,而且能夠實現對輸入視訊串流的速率控制。表1:自適應速率實驗結果。

由於這種方法能夠檢測網路擁塞,並能將視訊位元率壓縮到可用頻寬範圍內,因此人們利用這種方法可以方便地擴展視訊串流的功能環境,同時盡可能多地使用可用頻寬。我們把這種技術稱為自適應頻寬形狀管理(ABFM)。

ABFM能夠自動修改環境中多工所有視訊串流所需的頻寬,而這種環境中的總可用頻寬是不斷波動的。ABFM有以下三部份組成:

1. 檢測頻寬波動,並預測瞬時可用頻寬。

2. 選擇受頻寬影響的數據串流,準備自適應位元率調整。

3. 適應性修改受影響數據串流的位元率,確保結果頻寬值不會瞬間充滿整個網路。

時延恢復實驗

做實驗的工具可以透過製作HDTV解碼器設備實現,該解碼器會統計緩衝記憶體的健康狀況和實際接收到的視訊位元率。實驗工具如圖2所示,圖3更詳細,給出了802.11a現成產品中無線資訊丟失的極端情況。

現在讓我們研究一下使用802.11a現成產品做的實驗結果。透過結合使用多種方法(快速移動和關門),我們可以向鏈路導入干擾。對緩衝記憶體水準的影響如圖4所示。

在上述系統中,802.11a現貨產品在15英呎的距離內(沒有牆)可以提供22Mbps的頻寬。向該鏈路導入干擾使其吞吐量下降50%是很容易的。獲得的視訊串流速率大約是19.2Mps,為了分析方便,我們假設它的填充位元組很少,淨容量幾乎就是19.2Mb。實際的填充一般都小於2%,沒有間隔填充會超過5%。表2:緩衝記憶體恢復時間的區別。

在緩衝方案中,需要指示一條水印線。在正常情況下,可用緩衝記憶體剛好在水印線,這條水印線應該是基於時間而不是基於大小的,因為即使採用緩衝記憶體技術時延仍非常重要。當緩衝記憶體不在正常水印線指示的正常狀態時,就會發生潛在的問題,因為緩衝記憶體不滿時時任何點出現的進一步干擾極易導致緩衝記憶體下溢。因此我們認為緩衝記憶體恢復時間是衡量系統對待干擾有多大強韌性的一個重要指標。

接著我們來看一下隨著可用網路頻寬下降能夠自動減少視訊位元率(RA)的速率自適應系統。與非速率適應性系統相較,速率自適應系統(圖5左邊)的客戶端緩衝記憶體的緩衝記憶體恢復時間要比正常情況(圖5右邊)短得多。

讓我們從理解被觀察數據現象的角度作一分析。從數值項看,表1總結了速率自適應實驗的觀察結果。在干擾過程中生成的總數據量大約為149.92Mbits。在不用RA方法時,固定19.2Mbps視訊串流產生的實際數據大約為11s*19.2或211Mbps。

為了簡化分析,假設頻寬下降了約一半(11Mbps),持續時間為7秒,隨即完全恢復到20Mbps,從表2給出的緩衝記憶體恢復時間就可以看出區別來。

實際上我們可以發現,第一種RA方法的實際恢復時間遠比非RA快。當干擾過去後,正常的RA方法需要48秒的時間恢復到完全正常的緩衝記憶體,而簡單RA方法的恢復時間只需26秒。表3:從圖5的圖表中得到的結果。

同時可以非常明顯地看到,位元速率下降的越多(達50%和75%而不是33%和50%)恢復時間就越短,因此決定減少的實際速率似乎是個關鍵。更快更精確地預測可用訊息通道頻寬可以幫助改善基本的速率自適應方案。

RA方法仍在發展。第二版設計中的快速響應RA系統能夠更精確地預測可用訊息通道頻寬,並最小化RA。這一方案要求更緊密地整合無線子系統。同時它要求降低位元率(方程1)以匹配(方程2)。根據圖5中的圖表仔細研究一下(方程1)在干擾期間的行為,我們就能得出表3所示的結論。

在1秒的干擾期間,我們可以看到(方程5)大約等於(方程7)。這就意味著,如果串流伺服器能夠更早地得到干擾反饋,並比簡單RA法執行得更好,只要實現細節允許(系統中存在其它時延,如數位調諧),恢復時間將接近於零。將MAC層的訊號長度和誤包率這些統計值做到應用層是很容易實現的,因而可以決定每個音/視訊串流的位元率。

作者:Indra Laksono


ViXS系統公司

作者簡介:Indra Laksono是ViXS系統公司創始人、研發副總裁。Indra擁有多倫多大學的電腦科學和數學學士學位以及電腦科學碩士學位。他的email地址是indra@visx.com。





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