T.Gy. Intrernetes médiakommunikáció. 2009.05. 04

T.Gy. Intrernetes médiakommunikáció. 2009.05. 04. 1

Internetes médiakommunikáció

Elveszett csomagok hatása és kezelése VoIP, IPTV esetén

Dr. Hosszú Gábor és további kiváló szerzők anyagainak felhasználásával

Takács György 11. előadás2009. 05. 11.


Hagyományos áramkör alapú médiában az átvitel zavarainak hatása

• „Szemcsés” TV kép, sustorgó háttérhang – az additív zaj hatása, jel-zaj viszony romlás, csillapítás eredménye

• „szellemkép” -- a többutas terjedés hatása• „áthallás” – több adás hallatszik egyszerre, más

telefonbeszélgetés is behallatszik• Késleltetés telefonbeszélgetésnél,• Visszhang (a saját beszédjel visszaérkezik több, mint 40

ms késleltetéssel) telefonbeszélgetésnél,• Önhang (a saját beszédjel visszaérkezik érzékelhető

késleltetés nélkül) telefonbeszélgetésnél, hatására a telefonáló önkéntelenül lehalkítja a hangját, mert úgy érzi, hogy ordít

• Nemlineáris torzítás – rádióvételnél, telefonátvitelnél• BER


IP alapú átvitel hibalehetőségei

– Csomag bithibával érkezik – a bithibák jellemzője BER (Bit Error Rate), további jellemzője, hogy mennyire egyenletesen vagy csomósodva fordul elő

– Csomag elvész (Paket Loss), további jellemzője, hogy mennyire egyenletesen vagy csomósodva fordul elő – fontos, hogy milyen átlagidőre számítjuk a csomagvesztést (ha ritka és nem csomós)

– Csomag késve érkezik (delay, Latency)– A csomag késleltetési ideje ingadozik (jitter)– Csatornaváltás ideje, bekapcsolási idő (Channel

change times „zapping times” and startup times)


Ugyanazon csomagvesztés másként számolva az arányt!


Tervezési eszközök az átviteli hibák korláton belül tartására áramkör alapú átvitelnél

• Az ITU referencia modellje: • Az alapelv, hogy bármely két felhasználót

összekapcsolva a világon garantált legyen az összeköttetés elvárt minősége

• Az összeköttetéseket szakaszokra bontotta: nemzetközi, nemzeti, helyi

• Nemzeti hatósági kézbe helyezte, hogy az ország méretétől függően hogyan bontják tovább a nemzeti szakaszokat

• Eszerint tervezték és ellenőrizték az összeköttetés szakaszokat


Tervezési eszközök az átviteli hibák korláton belül tartására IP alapú átvitelnél

• A „Best Effort” alapelv szépen hangzik, de VoIP, IPTV esetben nem tartható:

• Vagy túlméretezni kell a hálózatot, hogy minden esetben az elvárt minőség meglegyen,

• Vagy erőforrás lefoglalásokkal kell garantálni az elvárt minőséget azoknak, akik ezt külön megfizetik és a maradék erőforrásokat „Best Effort” alapon kiosztani a többi felhasználónak

• Eszerint kell tervezni, működtetni és ellenőrizni az IP hálózatok teljes rendszerét.

• A hibás csomagok újraküldésének elve VoIP, IPTV esetében nehezen járható a folyamelv miatt,

• A hibajavításra redundáns kódolással vagy a híranyag felismert szabályosságát használva fel lehet készíteni az intelligens vevőt


Mitől romlanak el, vagy vesznek el csomagok?

• Az igazi átviteli csatornák (fényvezető, sodrott érpár, koaxiális kábel, rádió) analóg jeleket visznek át, de valamilyen modulációs technikával tesszük ebbe bele a biteket (pl. QPSK, QAM….)

• Analóg és elektromágneses zavarok, impulzuszajok!!!

• Hirtelen forgalmi torlódások, rendelkezésre álló sávszélesség változások, tároló túlcsordulások.

• Berendezéshibák, kábelhibák.• Szoftver inkompatibilitások!!


Csomagvesztés hallható hatásai hangnál

• Packet loss of audio can be exhibited as dropouts (kimaradás), squeaking (nyikorgás), chirping (frekvencia ugrás), or skipping.


Csomagvesztés látható hatásai képnél

• With video the characteristic mild result is pixelization or blocking, with stuttering, freeze frame, and STB lockup or rebooting as major examples.

• For video the degree of impact is also dependent upon the frame of video affected. Since I-frames (IDR frames in MPEG-4) serve as the reference for all frames in a group of pictures (GOP), loss of part or all of an I-frame propagates and can persist for the entire GOP (typically 0.5-1 seconds). Similarly, P- and B-frames can be referenced by other frames, such that issues with these being corrupted can also persist but usually to a lesser extent and less long (potentially up to 1 second).

• The more flexible inter-picture prediction of MPEG-4 can worsen this effect. Packet loss of as little as 1x10-4 (or one lost packet per minute on a MPEG-4 SD program) is generally considered unviewable and one lost packet per hour (or 2x10-6) is considered unacceptable per the DVB standard.


Because the very efficient compression processes, a loss of a single packet can result visible and audible effects including "tiling", frozen frames, retained images and error blocks that remain on the display for several seconds.


Example of the effect of minor packet loss on a video image


A felhasználók reakciója a csomagvesztésre IPTV esetén – önkéntelenül hamar továbbkapcsolnak


Alkalmazott eljárások a veszteségek pótlására

A veszteségek pótlására használt eljárások a következőkön alapulhatnak:

• Automatikus Újraküldés KérésAutomatic Retransmission reQuest, ARQ

• Előremutató HibajavításForward Error Correction, FEC


Újraküldés

• Önműködő újraküldés kérés (ARQ)– ACK vagy NACK nyugtákkal

• Három lépésből áll:– Veszteség észlelés– Javításkérés– Veszteség helyreállítás újraküldéssel

• Általában az újraküldések aránya az egyes csomagok esetében 1/(1-p), ahol p a csomag elvesztési arány (Packet Loss Rate = PLR)


Előremutató hibajavítás (FEC)

• Kódolás, melynek eredményeképpen a visszakódolás után számítható PLR kisebb, mint az eredeti PLR

• Önmagában nem biztosítja a megbízható átvitelt, de a visszakódolás utáni PLR tetszőlegesen kicsi lehet

• Típusai:– Ráültetéses eljárás– Tömb törlési kódolás– Médiafüggő FEC


FEC alapelve

Alapelv: • megbecsüli a csomag elvesztések számát és• megelőzi azt redundáns adatok küldésével, amelyek

lehetővé teszik, hogy a vevő helyreállítsa a hiányzó csomagokat– egy adott darabszámig



A közlési folyamat részei

A közlési folyamat így magába foglal:• egy kódolási ütemet az adónál

– itt redundáns csomagok készülnek a forrás adatból

• egy visszakódolási ütemet a vevőnél– itt a forrás adatokat kinyerik a rendelkezésre álló

csomagokból


FEC és a megbízható kézbesítés

• A FEC önmaga nem biztosítja a megbízható kézbesítést, hacsak a redundáns csomagok számát nem emeljük a végtelenig

• De ha megfelelő kódolást választunk, a vevő megmaradt PLR-je tetszőlegesen kicsi lehet az átviteli költségek növekedése árán

• Ezek a megmaradt elveszési esetek - ha egyáltalán szükséges - kezelhetőek egy ARQ protokoll használatával


Ráültetéses eljárás elve

• Különböző tömörítésű jelfolyamokat képezünk• Ha a jobbminőségű csomag elvész, a gyengébb

minőségű, de ugyanarra az időintervallumra vonatkozó csomaggal pótoljuk

• Ráültetéses folyamból gyengébb adathordozónál vagy végberendezésnél az éppen illeszkedő minőségű jelfolyam kimazsolázható.


Ráültetéses eljárás

2. 1.

PCM és GSM kódoló

PCM kódolt adatok

Egyesített kódolt folyam3.

3.

4.

4. 2. 1.

elveszett csomag

GSM kódolt adatok

Eredeti forrás adatok

1.

2.

3.

1.Vett kódolt folyam

3.4. 2.

3.

2. 1.Helyreállított adatok

3.4.

PCM és GSM visszakódoló

Internet


Adatok redundanciája

• PLR = annak a valószínűsége, hogy egy adatcsomagot nem lehet helyreállítani

• Az átvitelre szánt adatok redundánsak• Így a PLR kisebb lehet, mint a közlési

csatorna eredeti PLR-je• Ezért a visszakódolás utáni PLR kisebb lehet,

mint a közlési csatorna eredeti PLR-je


Redundáns kódolás• Az eljárás lényege, hogy az egyes megérkezett csomagok egy

(potenciálisan nagy számú) forrásoldali adatcsomagról hordoznak információt

• Így nem egy adott csomag fogadása szükséges, hanem sokkal inkább a megérkezett csomagok darabszáma a lényeges, amely meghatározza az adatátvitel sikerességét

• Ez a megközelítés befolyással van a közlési protokoll szerkezetére: a vevő oldaláról való visszacsatolás jelentősége lecsökken, ami egyszerűsíti a protokoll megvalósítását


Tömb törlési kódolás

• Egy (n,k) tömb törlési kódolás (Block Erasure Code) k db forrás-csomagból n db kódolt csomagot készít el úgy, hogy bármely k számú kódolt csomagból álló részhalmazból vissza lehessen állítani a forrás csomagokat


A kódoló/visszakódoló eljárásvett adatok

átviteliútvonal

Vissza-kódoló

k

helyreállítottadatok

kódolt adatok

Kódoló

forrásadatok

k

n


Lineáris tömb kódolás• Egy tömb kódolás lineáris ha a

forráscsomagból a kódolt csomagok egy lineáris átalakítással levezethetőek, azaz mátrix alakban:

y = Gx• ahol X=X0, ..., Xk-1 a forrás adatok (k méretű

vektor), • y a kódolt adatok (n méretű vektor) és • G egy n x k mátrix, amelyet kódolási mátrixnak

hívunk


Lineáris törlési kódolásy Gx=Mátrix alakban előállítható (linearitásból):

vettadatok

xGyforrásadatok

=


Független adatvesztések kérdése

• A független adatvesztések nem vegyülnek olyan hátrányosan ebben az esetben, mert a redundáns adatok lehetővé teszik, hogy a különböző vevők helyreállítsák a különböző hiányzó csomagokat

• A független adatvesztések hatásának fontossága is csökken– a kevesebb számú adategység jelenléte miatt (k db

csomag csoportja szemben az egyes csomagokkal) és

– mivel sokkal kisebb a PLR a visszakódolás után• Ezek lehetővé teszik a FEC-alapú többesadás protokoll

esetén a méretezhetőséget sokkal nagyobb csoportokra, mint az egyszerű ARQ-alapú protokolloknál


Médiafüggő FEC

• A média típusának figyelembevétele

• Pl.: csak a legfontosabb bitekre alkalmazzák a FEC eljárást - kisebb lappangás és sávszélesség igény


Minta közbeszúrás (Interleaving)

• Pl: 20 ms-os hanganyagok egyenként 160 mintát tartalmaznak• Ha egy csomag elveszik, 20 ms-nyi hang kimarad• Legyen A és B két egymás után 20 ms-os anyaghoz tartozó

mintaállomány• 5 ms-es szakaszonként vegyesen készítik el az első csomagot,

majd ugyanezt teszik a B és a soron következő C mintakészlet bevonásával

• Ha kimarad egy csomag, csak 5 ms-es kiesések vannak, ami csak kisebb recsegést jelent


Közbeszúrás

8.9. 7.11.12. 10. 5.6. 4. 2.3. 1.13.15.16. 14.

Vett médiafolyam

20 ms-os közbeszúrt csomagok

9. 5. 1.13.10. 6. 2.14.11. 7. 3.15.12. 8. 4.16.

Elveszett csomag

9. 5. 1.13.11. 7. 3.15.12. 8. 4.16.

Internet

8.9. 7.11.12. 5. 4. 3. 1.13.15.16.

Helyreállított médiafolyam

5 ms-os egységekből álló médiafolyam


• Interleaving• This technique distributes the effect of the lost

packets in order to reduce the impact on quality. The information of a speech part is distributed in multiple packets. The data units are regrouped in a crossed form before transmission such that they are distributed, and at the receiver they are rearranged in their original form.

• Thus, instead of losing the whole packet small parts from distributed packets are lost


Vevőalapú javítás

Repetition:• Lost packets are replaced by copies of last

received packets.Simple Interpolation:• Consists of interpolating (averaging) by

using the packets after and before the lost packet.


Vevőalapú javítás

Interleaving with Repetition• The data are interleaved before sending and

then any missing part is substituted using the repetition technique at the receiver.

Interleaving with Interpolation Calculation• The interleaving technique is used before

sending and then the receiver interpolates to replace any missing parts in the jitter buffer.


Packet Loss Concealment (PLC)

Receiver:Packet loss → Packet (Frame) Loss Concealment (PLC)

• Extrapolation: Predict the content based on the prior frame.

•Interpolation: Estimate the content based on the prior and the following frame


Perceptual Importance

One definition:”Frame perceptual importance is defined as the quality of the frame loss concealment measured relative to the playout signal following a reception.”


Metallic sound


Artifact Examples (iLBC)

• Metallic

• Energy amplitude dive

• Lost Onset

• Periodic repetition of unvoiced

• Ok maskering


Measuring Perceptual Importance

• Perceptual importance evaluation using PESQa


Measuring Perceptual Importance

Sample

• We can measure perceptual importance! • Often low at onsets

Am

plitu

deP

ES

Qa


Goal

If VoIP frames (packets) are lost due to an overloaded connection, we would prefer to lose the least important frames.


Perceptual Importance gain

Perceptual discardingRandom dropping

Discard/Drop rate


Hasznos linkek

• http://www.rh.edu/~rhb/cs_seminar_2005/SessionB3/mehta.pdf• http://www.althos.com/IPTVArticles/IPTVMagazine_2006_12_packet_loss_correction.htm• http://www.digitalfountain.com/ufiles/Library/Whitepaper---IPTV-packet-loss.pdf• http://

kom.aau.dk/~spr/SIPCom9/SIPCom9_presentation.ppt

http://www.rh.edu/~rhb/cs_seminar_2005/SessionB3/mehta.pdf

http://www.althos.com/IPTVArticles/IPTVMagazine_2006_12_packet_loss_correction.htm

http://www.digitalfountain.com/ufiles/Library/Whitepaper---IPTV-packet-loss.pdf

http://kom.aau.dk/~spr/SIPCom9/SIPCom9_presentation.ppt

http://kom.aau.dk/~spr/SIPCom9/SIPCom9_presentation.ppt

Documents

T.Gy. Intrernetes médiakommunikáció. 2009.05. 04