CC BY
113
УДК 004.722.45
АС. ПАСТУХОВ, ЯМ. РАЗУМОВ
АНАЛИЗ ПЕРЕДАЧИ ВИДЕО СОВМЕСТНО С INTERNET ТРАФИКОМ В СТАНДАРТЕ DVB ПО СПУТНИКОВЫМ СЕТЯМ СВЯЗИ
В настоящее время наблюдается развитие технологии DVB (Digital Video Broadcast) при организации широкополосного доступа пользователей к услугам спутниковой связи. Стандарт DVB объединяет Internet и видеотрафики в общий цифровой поток [2]. Стандарт DVB, принятый европейским объединением радиопередачи EBU (European Broadcast Union), основан на поддерживающей фрагментацию системе передачи пакетов, определенной в стандарте ISO/IEC 13818-1. Стандарт MPEG-2 представляет способ объединения нескольких типов мультимедиа информации в один транспортный поток информации TS (Transport Stream), который может быть передан разнообразными средствами связи. Традиционно MPEG-2 TS содержит пакеты сжатых видео- и аудиоданных. Сжатие является причиной переменной скорости передачи данных каждой телевизионной программы, потому что сцены с большим количеством движения в изображении закодированы с более высокой скоростью передачи, чем сцены с меньшим количеством движения. Эта пульсирующая характеристика переменной скорости передачи VBR (Variable Bit Rate) сжатого видеотрафика требует наличия дополнительной пропускной способности, чтобы удовлетворять требованиям технологии DVB по времени задержки и коэффициенту потерь. Чтобы получить фиксированную скорость передачи данных, в TS вставляются набивочные пакеты. В транспортном потоке TS MPEG-2 также возможно передавать контейнеры данных в дополнение к аудио- и видеопотокам. Эти контейнеры данных могут использоваться, чтобы реализовывать новые услуги или нести IP пакеты.
В этой статье анализируется, как использовать растрачиваемую пропускную способность канала, предназначенную для уравнивающих пакетов, т. е. рассматривается передача Internet трафика по неиспользуемой видеотрафиком пропускной способности канала передачи. Особый интерес представляет исследование взаимодействия между собой двух видов трафика. Для оценки воздействия Internet трафика на видеотрафик было проведено имитационное моделирование в пакете NS-2 [5].
Известно, что пропускная способность каналов спутниковой гибридной сети с фиксированной скоростью передачи трафика и коэффициентом потерь пакетов ухудшается постепенно с приближением трафика к распределениям с «тяжелым хвостом» [3], в то время как время задержки в буфере и время ответа ухудшаются сильнее. Увеличение ресурсов сети, таких как пропускная способность канала и емкость буфера, приводит к логарифмическому улучшению. Таким образом, оптимальное распределение ресурсов играет важную роль в получении желаемого качества обслуживания QoS (Quality of Service).
Мультимедиа и Internet-приложения характеризуются сильной асимметричностью трафика, где значительно больше данных принимается клиентом, чем порождается им. Такие услуги с топологией, где спутник обеспечивает широкополосную передающую сеть с наземным каналом Internet подключения, имеет хорошую альтернативу остальным сетям. Такие топологии особенно интересны в местностях с низкой плотностью населения и неразвитой наземной инфраструктурой сетей. Для новых типов приложений и услуг, требующих высокоскоростной передачи данных мультимедийного содержания непосредственно в дом, данные сети имеют значительный потенциал даже в плотно заселенных районах. Структура моделируемой сети показана на рис. 1.
Рис. 1 поясняет передачу IP трафика с использованием технологии DVB: прямая широкополосная связь - это симплексный канал, работающий только на прием, как это видно для клиента, он служит каналом передачи. Наземный канал может быть однонаправленным каналом или сетевым подключением, допускающим двунаправленные операции. В то время как наземный канал обеспечивает соединение типа точка-точка, обратный канал имеет широковещательные характеристики.
Клиент Модем '
Рис. i. Структура моделируемой сети
Рассмотренная конфигурация сети использует обратный канал, обеспечиваемый спутниками непосредственного вещания DBS (Direct Broadcast Satellite). Потоки данных доставляются непосредственно клиенту со скоростью передачи до 36 Мбит/с [1] для транспондеров Ku-полосы. Топология основана на асимметричном доступе к сети, использующем спутниковую и наземную сети. Наземный канал в этой топологии - низкоскоростная связь с Internet через ISP (Internet service provider). Модемное IP подключение - хороший пример наземного канала на сегодня, доступное через коммутируемую телефонную сеть общего пользования или через глобальные сети мобильной связи. Так как пропускная способность наземного канала обычно намного меньше минимальной пропускной способности спутникового канала, рассмотренная асимметричная связь эффективна для приложений, которые получают больше данных, чем посылают обратно.
Клиент соединяется с сервером через наземный канал. Когда клиент регистрируется сервером, данные поставляются через обратный спутниковый канал связи. Сервер спутниковой связи играет центральную роль, так как он также ответствен за шифровку/расшифровку, маршрутизацию и управление клиентским IP трафиком по каналу спутниковой связи и наземному каналу. Он связан с каналом спутниковой связи через спутниковый шлюз, где Internet данные разбиваются, формируются в пакеты и сжимаются с видео/аудио потоками. Мультиплексный поток передачи TS посылают по линии спутниковой связи клиентским станциям.
В клиентской станции сигнал от антенны и блока малошумящего усилителя LNB {Low-Noise Amplifier Block) вводится в модуль приемника/декодера, который является или отдельным блоком STB {Set Top Box), или IRD {Integrated Receiver Decoder) картой, устанавливаемой в клиентский персональный компьютер.
В случае если клиент IRD/STB использует только прием аудио/видео, поток данных отбрасывается, как это требует ISO/IEC 13818-і. В случае, если клиент является клиентом IP, то поток данных декодируется как нужно.
Пакеты с данными преобразуются операционной системой и программным обеспечением протокола к стандартному IP виду и передаются прикладным программам.
Установка имитации. Конфигурация сети, состоящая из б7 точек разветвления и бб каналов связи, изображена на рис. 2. Каждый канал имеет буфер, пропускную способность и время задержки. S1-S64 представляют собой узлы сервера, C1 - клиентский узел; Vi - узел источника VBR видеотрафика; G1 -спутниковый шлюз. Связь между спутниковым шлюзом и клиентом представляет собой симплексную линию спутниковой связи и наземную связь взаимодействия. Хотя только Ci связан с линией спутниковой связи, трафик в канале представляет собой объединенный трафик от серверов к клиентам.
Каналы связи характеризуется параметрами:
1) пропускная способность канала связи между серверами и спутниковым шлюзом составляет г1>=1 Мбит/с (дуплекс), а время задержки каждого канала -
Tp=15 мс, которое получается суммированием задержек на передачу, распространение и постановку в очередь;
2) пропускная способность канала связи между VBR видеосервером и спутниковым шлюзом составляет rv=20 Мбит/с (симплекс), а задержка сигнала - tv=1 мс;
3) пропускная способность канала связи от клиента к серверу составляет rt=28,8 кбит/с (симплекс), а задержка сигнала- Tt=30 мс;
4) пропускная способность спутникового канала связи различна в имитациях и изменяется от 0,2 до 10 Мбит/с (симплекс), а задержка сигнала - Ts=280 мс.
Internet трафик. Для имитации узлов Internet серверов использовались источники с распределением Парето. Параметр MSS (Maximum Segment Size) - максимальный размер сегмента, равен 200 байт во всех имитациях. Интервалы времени передачи и ожидания составляют Ton=160 мс и Tof=100 мс, соответственно. Выбор скорости генерации пакетов источников Парето представлен ниже.
Видеотрафик. Согласно [4], скорость потока видеотрафика в стандарте MPEG-2 для DVB-S составляет до 36 Мбит/с, что приводит к длительным вычислениям. С целью уменьшения времени моделирования для имитации VBR видеотрафика использовался трейс файл из фильма «Звездные войны», полученный М/ Гарреттом (Bellcore) в стандарте MPEG-1 [6]. Средняя скорость передачи видеотрафика была рассчитана как 365 кбит/с с показателем Херста #=0.9989. Каждая запись в оригинальном трейс-файле содержит число битов в кадре, частота кадров кодирования составляет 24 кадр/с.
Трейс-файл для пакета NS-2 получен трансформированием гарретовской записи следующим образом. Сначала каждый кадр делится на пакеты по 200 байт. Эти пакеты передаются равномерно, с промежутком около 20 мс. Источник затем простаивает оставшееся время до 1/24 с.
Составной трафик. Пакеты от источника VBR видеотрафика и Парето источников объединены на узле шлюза. Классовая организация очереди CBQ (Class Based Queuing) осуществлена на шлюзе так, чтобы видеотрафик имел приоритет над Internet трафиком. В этом случае пакеты Internet передаются на доступной скорости передачи ABR (Available Bit Rate) или с неопределенной скоростью передачи UBR (Unspecified Bit Rate), не воздействуя на VBR видеотрафик. Размер буфера изменяется в различных имитациях.
Результаты имитаций. Для проверки того, что Internet трафик не воздействует на видеотрафик, была проведена имитация на записи «Звездные войны» без Internet трафика, а затем в присутствии Internet трафика. В имитациях были использованы Парето источники с параметром Херста, равным H=0,74. Пропускная способность, коэффициент потерь и время задержки в буфере были сравнены в двух вариантах.
На рис. 3 показано, что VBR MPEG видео требует намного большей скорости передачи, чем её среднее значение, и что растрачиваемая свободная пропускная способность может использоваться для передачи IP услуг.
Анализ кривых на рис. 3 показывает, что скорость передачи видеотрафика не превышает vv=365327,6 бит/с при пропускной способности обратного канала, равной rs=1,4 Мбит/с и буфере в Bv=300 пакетов, что является средней скоростью для фильма «Звездные войны». Как было сказано выше, канал с
пропускной способностью, величиной в разницу между пропускной способностью обратного канала и средней скоростью передачи видеотрафика можно использовать для передачи 1Шегпе1 трафика. Отсюда видно, что общая средняя скорость 1Шегпе1 трафика на спутниковом шлюзе должна составлять 1034672,391 бит/с. Путем эксперимента была подобрана скорость передачи одного Парето источника, равная г^=49992 бит/с при показателе Херста #=0,74, которая обеспечивает общую скорость Internet трафика, равную 1034777,912 бит/с и близкую к необходимой.
Пропускная способность спутникового канала, г (Мбит/с)
Рис. 3. Скорость передачи видеотрафика в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для спутникового канала
В результате, согласно рис. 4, реальная скорость передачи Internet трафика в присутствии приоритетного видеотрафика доходит до у=772505 бит/с, что равняется ~55% всей пропускной способности спутникового канала связи.
Пропускная способность спутникового канала, г (Мбит/с)
Рис. 4. Скорость передачи трафика Шете! трафика при передаче объединенного трафика с различными размерами буфера для спутникового канала
Анализ рис. 3 показывает, что при пропускной способности г=1,4 Мбит/с увеличение буфера на 100% (10 на 20 пакетов) увеличивает скорость передачи видеотрафика от уу=323919,0244 до уу=350584 бит/с (объединённый трафик) и от уу=321292,4878 до уу=347736,9756 бит/с (видеотрафик), что составляет прирост в обоих случаях 8,23%.
При буфере 50 и более пакетов размер буфера слабо влияет на скорость передачи видеотрафика, увеличивая её с уу=368440,5854 до уу=369061,6585 бит/с (объединённый трафик) и с уу=364749,6585 до уу=365327,6098 бит/с (видеотрафик), что составляет прирост на 0,168% и 0,158%, соответственно. Результат показан на рис. 5. Далее на рис. 6, 7 результаты имитаций показывают, что Іпїегпеї трафик имеет минимальное влияние на приоритетный видеотрафик, все это подтверждают дальнейшие рассуждения.
Пропускная способность спутникового канала, г (Мбит/с)
Рис. 5. Возрастание скорости передачи видеотрафика в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для спутникового канала
На рис. 6 коэффициент потерь определяется как отношение потерянных пакетов видеотрафика к принятым и подтверждает в целом анализ рис. 3.
Пропускная способность спутникового канала, г (Мбит/с)
Рис. 6. Коэффициент потерь при передаче видеотрафика в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для спутникового канала
Из рис. 7 видно, что задержка в буфере видеотрафика очень чувствительна к малой пропускной способности спутникового канала и нарастает при увеличении буфера. Анализ рис. 7 показывает, что при пропускной способности г5=1.4 Мбит/с и увеличении буфера на 100% (10 на 20 пакетов) задержка в буфере увеличивается от ту=2,46728 мс до ту=4,12249 мс (объединённый трафик) и от ту=2,24287 мс до ту=3,85808 мс (видеотрафик), что составляет увеличение задержки в буфере на Дту=1,65521 мс (67,08%), и Дту=1,61521 мс (72,01%), соответственно.
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Пропускная способность спутникового канала, rs (Мбит/с)
Рис. 7. Время задержки в буфере видеотрафика пакетов в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для спутникового канала
При буфере 50 и более пакетов задержка в буфере увеличивается от ту=5,84735 мс до ту=6,10809 мс (объединённый трафик) и от ту=5,54838 мс до ту=5,74928 мс (видеотрафик), что составляет увеличение задержки на Дту=0,26074 мс (4,459%) и Дту=0,2009 мс (3,62%), соответственно.
На рис. 7 также наблюдается компромисс между размером буфера и временем задержки в буфере. Найдем минимальную пропускную способность спутникового канала, удовлетворяющую требованиям QoS по времени задержки и коэффициенту потерь из рис. 6 и 7. Для вещания видео в реальном масштабе времени эти границы определены как 100 мс задержка по времени и вариации задержки и коэффициенту потерь в 10-5 [2, 4]. Вышеупомянутые результаты означают, что видеотрафик фильма «Звездные войны» требует или больших размеров буфера, или высокой пропускной способности канала передачи, чтобы удовлетворять требованиям стандарта MPEG-1 по потерям. Кривые на рис. 3, 6, 7 и 8 показывают, что эти требования выполняются, когда размер буфера составляет 300 пакетов, и используется пропускная способность спутникового канала rs=1,4 Мбит/c. При этом коэффициент потерь равен нулю, и время задержки в буфере составляет 5,74928 мс, а вариация времени задержки равна 0,106273 мс, что представлено на рис. 8. Как видно из кривых на рис. 3, 6, 7 и 8, эти требования выполняются и для более высоких значений пропускной способности спутникового канала. Использованная ви-
деозапись, т.е. «Звездные войны», передаваясь по сети как видеотрафик, вызывает очень неблагоприятные состояния, что в реальных сетях случается не всегда. Некоторые видеопрограммы, например новости, вызывают намного меньше передаваемых пакетов. В этих случаях Internet трафик по каналам DVB передаётся намного лучше.
Пропускная способность спутникового канала, rs (Мбит/с)
Рис. 8. Вариация времени задержки в буфере видеопакетов в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для спутникового канала
Выводы
1. Видеотрафик иногда требует большой пропускной способности канала связи, которая больше, чем среднее значение скорости передачи видеотрафика и составляет уу=365327,6 бит/с, тогда свободная пропускная способность спутникового канала может использоваться для передачи Internet трафика.
2. Реальная скорость передачи Internet трафика в присутствии приоритетного видеотрафика доходит до ~55% всей пропускной способности спутникового канала связи.
3. С увеличением размера буфера задержка в буфере видеотрафика увеличивается, а коэффициент потерь уменьшается по нелинейному закону.
4. Internet трафик имеет минимальное влияние на приоритетный видеотрафик.
5. Видеотрафик требует больших размеров буфера или высокой пропускной способности спутникового канала, чтобы удовлетворять требованиям QoS.
Литература
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. Лукьян-цев, А.С. Пастухов, С.В. Голованов; под ред. О.И. Шелухина. М.:МГУЛ, 2004. 281 с.: ил.
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., ил.
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. http://envub.fulton.asu.edu/ve/Published Journal Pavers/Ye 48B.pdf.
5. http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html.
6. http://www.research.att.com/~breslau/уint/trace.html.
ПАСТУХОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ родился в 1978 г. Окончил Чувашский государственный университет. Старший преподаватель кафедры телекоммуникационных систем и технологий Чувашского университета. Автор более 15 научных работ в области телекоммуникаций, в том числе 1 учебного пособия с грифом УМО.
РАЗУМОВ ЯКОВ МИХАЙЛОВИЧ родился в 1982 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры радиотехники и радиотехнических систем Чувашского университета. Автор 3 научных работ в области телекоммуникаций.
