دانلود رایگان مقاله تسریع تلاش مجدد برای تطبیق حد جهت کنترل تأخیر اعوجاج ویدئو

چکیده

            این مقاله روشی جدید را برای تسریع تلاش مجدد برای تطبیق حد به منظور کنترل تأخیر/اعوجاج در شبکه‌های توزیع‌شده IEEE 802.11 e ارائه می‌دهد. این روش هر منبعی را در مخابره مرتبط باهر ویدئو سازگار کرده و تأخیر موجود در این زمینه را بدون در نظر گرفتن اطلاعات تأخیر/اعوجاج به حداقل می‌رساند. چارچوب پیشنهادی ساده است، اما ارزیابی دقیقی در اطلاعات آماری شبکه و اعوجاج به وجود آمده در اثر گم شده بسته‌ها دارد. علاوه بر این، با توجه به اغلب راه‌حل‌های موجود، استراتژی پیشنهادی در برابر سایر راه‌کارها، در بهبود قابلیت اطمینان سازگاری سریع محدودیت رتبه‌ی بالاتری در مقایسه با رقیبان دارد. راه‌کار ارائه‌شده توسط یک پلتفرم شبیه‌سازی شامل زنجیره ارتباطات فیزیکی و لایه کنترل دسترسی متوسط 802.11e ارزیابی شده است و کارایی آن با سایر راه‌کارهای موجود و نظریه‌های مطلوب بهینه مقایسه شده است.

1. مقدمه

            امکان مدیریت ترافیک ویدئو در شبکه‌های بی‌سیم 802.11 به دلیل غیرقابل‌اطمینان بودن شبکه‌های بی‌سیم و مکانیزم آن که مبتنی بر محتوا است، به چالشی بزرگ در این زمینه تبدیل شده است [1]. این جنبه‌ها برای کاربردهای جریان داده که نیازمند تضمین کیفیت سرویس برای دریافت رضایت کاربر هستند، استفاده می‌گردد [2،3]. بنابراین برای کنترل کیفیت سرویس (QoS) در لایه کنترل دسترسی (MAC) شبکه‌های 802.11، TG e اصلاحاتی را روی 802.11 ارائه کرده‌اند که توابع هماهنگی توزیع‌شده را به وسیله سازگار کردن توزیع کانال دسترسی (EDCA) گسترش می‎دهند [4]. EDCA اولویت ترافیک را در طول دوره مشاجره با چهار دسته کلید دسترسی (ACs) تعریف می‌کند: صدا (VO)، ویدئو (VI)، بهترین تلاش (BE)، و پس زمینه (BK) که این موارد در 4 مورد باهم متفاوت هستند: فرصت انتقال، فضای بین فریم ها (AIFS)، حداقل و حداکثر پنجره رقابت. 802.11 مقادیری را برای این پارامترها مطابق با لایه کنترل و لایه دسترسی موجود بین اصلاحات 802.11 ارائه می‌دهد.

           حتی اگر تنظیمات EDCA برای تهیه اولویت بالای VI و VO اختصاصی شوند، برخورد یا collision بین بسته‌های صدا/تصویر ممکن است رخ دهد. بنابراین لازم است که یک سیاست مناسب برای مدیریت در نظر گرفته شود. بر این اساس، مطالعاتی این مورد را بررسی کرده‌اند که روش‌های قابل استفاده‌ای را برای بهینه‌سازی بازیابی محدودیت در هر بسته ویدئو ارائه کرده‌اند [15،16]. هدف اصلی این روش‌ها سازگار کردن تعدادی از انتقالات با تأخیر قابل‌قبول و اعوجاج مناسب است. این امر منجر به ارائه‌ی استراتژی بهینه با عملکرد قابل‌توجه و دست‌یافتنی با استفاده از تغییر تنظیمات 802.11 می‌گردد. به هر حال، دو جنبه مرتبط در این طرح نادیده گرفته‌شده است.

           اول، حضور اولویت‌های بالای VO AC که می‌تواند شانس دستیابی به بسته‌های ویدئو را کاهش دهد. دوم، پیچیدگی راه‌حل‌های تصور شده که ممکن است برای پیاده‌سازی تجاری کارت‌های شبکه 802.11 با منابع محاسباتی پایین مشکل باشد. بنابراین یک روش جایگزین با حرکت از یک نمونه واقعی که در آن هر دو VO و VI فعال هستند و بررسی نیازمندی‌های کیفیت سرویس همراه با به حداقل رساندن محاسبات لازم، ممکن است. 

           روش سازگاری سریع که در این مقاله ارائه‌شده است، با این مسائل برخورد می‌کند. روشی که با جایگزین کردن احتمال توزیع ویدئو و تأخیر بسته‌ها همراه است، در ارزیابی انتقال ویدئو در رتبه‌های بالاتر قرار می‌گیرد. علاوه بر آن، هر دو الگوریتم تخمین توزیع و استراتژی انتقال باهدف محدود کردن هزینه محاسبات و عدم نیاز به اطلاعات مقصد توسعه‌یافته‌اند. یک ارزیابی بر روی روش پیشنهادی و روش‌های بهینه‌ی موجود به عنوان ابزار محک به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادی انجام‌شده است که در یک شبیه‌ساز شبکه شامل زنجیره ارتباطات فیزیکی و EDCA 802.11 پیاده‌سازی شده است.

             مقاله به صورت زیر سازمان‌دهی شده است. بخش 2 کارهای پیشین را ارائه می‌کند. بخش 3 سیستم آنالیز را توصیف می‌کند. بخش 4 نمونه نظریه و الگوریتم سازگاری پیشنهادی را توضیح می‌دهد. بخش 5 به ارزیابی نتایج عددی پرداخته است. بخش 6 نتیجه‌گیری مقاله هست. 

2. کارهای پیشین

          علاقه به توسعه روشی بهینه برای بازسازی محدودیت‌ها منجر به اولاً، تأثیر پارامترها در عملکرد شبکه (توان، تأخیر بسته، احتمال گم شدن بسته) و دوما، فقدان ویژگی‌های تنظیم می‌شود. به طور خاص، جنبه دوم، انعطاف‌پذیری طراحی را تضمین می‌کند. این تضمین بر روی سایر پارامترهای طراحی (شانس انتقال، AIFS، حداقل و حداکثر پنجره) که مقادیرشان به وسیله استاندارد 802.11 مطابق با لایه فیزیکی هستند، اعمال نمی‌شود [4]. علاوه بر این، این انعطاف‌پذیری بیشتر مربوط به جریان برنامه‌ها می‌شود، زیرا احتمال انجمن کردن تعداد متفاوتی انتقالات در بسته‌های متفاوتی به طراح اجازه می‌دهد تا نیازمندی‌های کیفیت سرویس را در جریان ترافیک ویدئو بهتر مطابقت دهد. 

           مطابق با موارد گفته‌شده، تعدادی روش دیگر در این زمینه از قبل ارائه‌شده است [5-16]. استراتژی کیفیت سرویس ارائه‌شده در [5] یک پرس و جو اولویت دار را در لایه شبکه به وجود می‌آورد که خطای بین احتمال گم شدن بسته‌ها و سرریزی بافر را محاسبه می‌کند. برآورد حد بهینه سعی مجدد در [6] از یک مینی مم ساز، به طبقه‌بندی و تکنیک های یادگیری ماشین وابسته است. در [7] طرح مبتنی بر شمارش معمولی، به وسیله یک طرح مبتنی بر زمان جایگزین می‌شود که به وسیله زمان انقضا تعیین می‌گردد. یک روش سازگاری سریع برای ویدئوهای توسعه‌یافته در [8] به وسیله بررسی احتمال برخورد به عنوان بار ارائه‌شده است. تأثیر نفوذ بین نودها و AC ها بر روی انتخاب حد تلاش در [9] بررسی شده است که الگوریتمی تطبیقی به دست آمده از راه‌حل‌های عددی یک سیستم غیرخطی را تجزیه و تحلیل می‌کند. یک طرح آگاه از محتوا لایه‌ای برای زمان‌بندی انتقال مجدد در [10] به وسیله بررسی تخمین زمان backoff و سطح تأثیر ماکروبلاک ارائه‌شده است. تخمین بسته حد تلاش در حضور برخورد و سرریز بافر در [11] به وسیله مدل‌سازی لایه MAC 802.11 به عنوان یک سیستم پرس و جو ارائه‌شده است. مفهوم سایز بافر مجازی در [12] برای توسعه یک استراتژی سازگار برای انتقال ویدئو در شبکه‌های پر اتلاف ارائه‌شده است. یک کدگذاری ویدئو لایه MAC در [13] باهدف توسعه یک جریان ویدئو در حد تلاش برای تضمین کاهش تأخیر و نسبت سیگنال به نویز رضایت‌بخش ارائه‌شده است (PSNR). یک طرح انتقال مبتنی بر تقسیم‌بندی مناسب برای ترافیک ویدئو، در [14] ارائه‌شده است که  هدف آن کاهش زمان انتقال مجدد در حضور خطا در کانال است.در [16] میانگین مربع خطا و شباهت ساختار به عنوان ارزیابی کیفیت ویدئو برای توسعه استراتژی های ارسال مجدد تطبیقی مقایسه شده است. یک tradeoff بین کارایی انرژی و رضایتمندی نیازمندی‌های کیفیت سرویس برای متمرکز کردن عملیات به دست آمده در [15] به وسیله پنجره محتوا و تلاش مجدد حد انجام‌شده است.

          این بررسی‌های اجمالی نشان می‌دهد که سیاست‌های سازگاری موجود برای تطبیق حد VI AC در محیط توزیع‌شده باهدف راضی کردن دو هدف اصلی توسعه‌یافته‌اند: مدیریت اعوجاج و کنترل تأخیر. به جز [9]، پیشنهاد‌ها فرض می‌کنند که VO AC وجود ندارد و بر روی پیچیدگی محاسباتی تمرکز دارند. هدف استراتژی ارائه‌شده در این مقاله ارائه یک الگوریتم تطبیقی در حضور اعوجاج/تأخیر در انتقال جریان ویدئو، با توجه به اهداف اضافی دیگر مثل محدودیت زمان پردازش و امکان حضور در رتبه‌های بالاتر است. 

Abstract

          This paper presents a fast retry limit adaptation method for video streaming applications over IEEE 802.11e distributed networks. The method enables each source to adapt the number of retransmissions associated to each video packet by relating the perceived distortion to the drop probability and the acceptable delay to the expiration time, without asking the destination for feedback distortion/delay information. The resulting framework, which is based on a simplified but accurate evaluation of the network statistics and of the distortion introduced by the loss of a specific packet, provides a closed-form, and hence computationally cheap, estimation of the retry limit. Furthermore, with respect to most of the existing solutions, the proposed strategy accounts for the impact of the higher priority voice access category (AC), in order to improve the reliability of the retry limit adaptation in the presence of contending ACs. The method is validated by a simulation platform including the physical communication chain and the 802.11e medium access control layer, and its performance is compared to that obtained from an existing solution and from the optimum theoretical settings.

1. Introduction

           The possibility to manage video traffic in 802.11 distributed wireless networks represents a challenging task due to the unreliability of the wireless medium and the presence of contention-based mechanisms [1]. These aspects are particularly relevant for streaming applications, which have often to fulfill stringent quality of service (QoS) requirements for satisfying the user’s demand [2,3]. Therefore, to introduce QoS control at the medium access control (MAC) layer of an 802.11 network, task group e (TGe) developed the 802.11e amendment, which extends the functionalities of the legacy distributed coordination function (DCF) by adopting the enhanced distributed channel access (EDCA) [4]. The EDCA enables a prioritization of the traffic during the contention period by defining four access categories (ACs): voice (VO), video (VI), best effort (BE), and background (BK), whose differentiation is based on four parameters: transmission opportunity, arbitration inter-frame space (AIFS), minimum and maximum contention windows. The 802.11e extension establishes the values of these parameters according to the AC and the physical (PHY) layer technology available among those adopted in the 802.11a/b/g/n amendments.

             Even if the EDCA settings are specified to provide a higher priority to the VO and VI ACs, collisions involving audio/video packets may still occur, thus making necessary a proper policy of management of the retransmissions. Accordingly, several studies have investigated this issue, by proposing useful methods for optimizing the retry limit associated to each video packet [5–16]. The main objective of these methods is the adaptation of the number of retransmissions to the acceptable delay and the perceived distortion. This leads to the derivation of elaborate optimization strategies, able to provide significant performance improvements with respect to those achievable using the 802.11e default settings. However, two relevant aspects are often neglected in these proposals.

           First, the presence of the higher priority VO AC, which can considerably reduce the access opportunities for the video packets. Second, the complexity of the conceived solution, which may be difficult to implement on the commercially available 802.11 network interface cards, that are characterized by low computational resources. Therefore, an alternative approach may be developed by moving from a more realistic model in which both the VO and VI ACs can be active, and considering the satisfaction of the QoS requirements together with a minimization of the necessary calculations.

             The retry limit adaptation method proposed in this paper deals with these two issues. The method, which is derived by relating the drop probability to the video distortion, and the packet delay to the expiration time, explicitly accounts for the impact of the higher priority VO AC on the evolution of the video transmission. Additionally, both the distortion estimation algorithm and the retransmission strategy are developed with the purposes of limiting the computational cost and of not requiring feedback distortion/delay information from the destination. A theoretical evaluation of the optimum retry limit and an existing retransmission strategy are used as benchmarks for validating the performance of the presented method, which is implemented in a network simulation platform including the physical communication chain and the 802.11e EDCA.

            The paper is organized as follows. Section 2 presents the literature overview. Section 3 introduces the analyzed system. Section 4 describes the adopted theoretical model and the conceived adaptation algorithm. Section 5 discusses the numerical results. Section 6 summarizes the most relevant conclusions.

2. Related work

           The interest in the development of an optimization strategy for the retry limit derives, firstly, from the influence of this parameter on the performance figures of the network (throughput, successful packet delay, drop probability), and, secondly, from the absence of mandatory specifications for its setting. In particular, this second aspect guarantees a certain flexibility to the designer, which instead is not guaranteed for the other EDCA parameters (transmission opportunity, AIFS, minimum and maximum contention windows), whose values are specified by the 802.11e standard according to the adopted PHY layer extension [4]. Moreover, this flexibility becomes more relevant when streaming applications are involved, since the possibility to associate a different number of retransmissions to a different packet allows the designer to better match the QoS requirements in the presence of video traffic flows.

          Accordingly, several retry limit adaptation methods have been proposed in the research literature [5–16]. The QoS strategy presented in [5] adopts a priority queueing also at the network layer, in order to relate the adaptation to the tradeoff between drop probability and buffer overflow rate. The optimal retry limit estimation in [6] derives from a minimization of the total expected distortion relying on classification and machine learning techniques. In [7] the conventional count-based retransmission scheme is replaced by a time-based one, in which the deadline is determined by the expiration time and the importance of the inter-coded frames. A retry limit adaptation method for scalable videos is developed in [8] by considering the collision probability as a load indicator. The reciprocal influence among the nodes and the ACs on the selection of the retry limit is analyzed in [9], where an adaptive algorithm is derived from the numerical solution of a nonlinear system. A cross-layer contentaware scheme for scheduling the retransmissions is proposed in [10] by considering the estimated backoff time and the macroblock-level loss impact. Closed-form estimations of the retry limit in the presence of collisions and buffer overflows are obtained in [11] by modeling the 802.11 MAC layer as an M/G/1 queueing system. The concept of virtual buffer size is introduced in [12] to develop an adaptation strategy for delay-critical video transmissions in lossy networks. A videocoding aware MAC layer is proposed in [13], with the purpose of delivering a video stream in which the retry limit is adjusted to guarantee a delay reduction and a satisfactory peak signal-to-noise ratio (PSNR). A fragment-based retransmission scheme suitable for video traffic is developed in [14], where the aim is to decrease the duration of the retransmission attempts in the presence of channel errors. In [16] the mean square error and the structural similarity are compared as video quality assessments for developing adaptive retransmission strategies. A tradeoff between energy efficiency and satisfaction of the QoS requirements for centralized operations is obtained in [15] by a joint dynamic adjustment of the contention window and of the retry limit.

         This overview shows that the available adaptation policies for the retry limit of the VI AC in distributed environment are developed with the aim of satisfying two main objectives: management of the distortion and control of the delay. Except for [9], the proposals are conceived assuming the absence of the VO AC, and are not focused on the limitation of the computational complexity. The aim of the strategy presented in this paper is to provide an adaptive algorithm able to account for the distortion/delay requirements of the transmitted video sequence, considering, as additional purposes, limitation of the processing time and possibility to operate in the presence of higher priority traffic.

چکیده

1. مقدمه

2. کارهای پیشین

3. توصیف سیستم

3.1. کدگذاری

3.2. تخمین

3.3. دیکد کردن

4. تلاش مجدد در تطبیق حد

4.1. نمونه نظری

4.2. الگوریتم انطباق

4.3. خلاصه و نمایش‌ها

5. نتایج و بحث

5.1. تخمین تلاش برای تعیین حد

5.2. شبیه‌سازی شبکه

5.2.1. نتایج اولیه: دو AC

5.2.2. نتایج کلی: دو و چهار AC

5.2.3. مقایسه

5.2.4. ویدئوهای مختلف

6. نتیجه‌گیری

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Related work

3. System description

3.1. Encoding

3.2. Estimation

3.3. Decoding

4. Retry limit adaptation

4.1. Theoretical model

4.2. Adaptation algorithm

4.3. Summary and remarks

5. Results and discussion

5.1. Estimated retry limits

5.2. Network simulations

5.2.1. Preliminary results: two ACs

5.2.2. General results: two and four ACs

5.2.3. Comparison

5.2.4. Different video sequences

6. Conclusions

References