Моделирование совместной передачи видео-и интернет-трафика в стандарте DVB /ip/ MPEG-2 в гибридных спутниковых сетях связи

УДК 621.396.67

Моделирование совместной передачи видео- и Интернет-трафика в стандарте DVB /IP/ MPEG-2 в гибридных спутниковых сетях связи

А.С. Пастухов, Я.М. Разумов, К.Ю. Окулов, А.К. Гуреев

Проанализирована передача Internet-трафика за счет неиспользуемой видеотрафиком пропускной способности.

In this paper we analyze the Internet traffic transmission at the expense of unused bandwidth by the video traffic.

Постановка задачи

В настоящее время наблюдается бурное развитие технологии DVB (от англ. Digital Video Broadcast) при организации широкополосного доступа пользователей к услугам спутниковой связи. Стандарт DVB объединяет Internet- и видеотрафики в общий цифровой поток [1].

Стандарт DVB, принятый европейским объединением радиопередачи EBU (от англ. European Broadcast Union), основан на поддерживающей фрагментацию системе передачи пакетов, определенной в стандарте ISO/IEC 13818-1. Стандарт MPEG-2 представляет собой способ объединения нескольких типов мультимедийной информации в один транспортный поток информации - TS (от англ. Transport Stream), который может быть передан разнообразными средствами связи.

Традиционно TS MPEG-2 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. Пульсирующий характер переменной скорости передачи VBR (от англ. Variable Bit Rate) сжатого видеотрафика требует 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 MPEG-2 также возможно передавать контейнеры данных в дополнение к аудио- и видеопотокам. Эти контейнеры данных могут использоваться, чтобы реализовывать новые услуги или нести датаграммы IP.

Особый интерес представляет исследование взаимодействия двух видов трафика. Для оценки воздействия Internet-трафика на видеотрафик было проведено имитационное моделирование в пакете NS-2 [2].

Исследования показывают, что пропускная способность спутниковой гибридной сети с фиксированной скоростью передачи ухудшается в случае, когда трафик описывается распределениями с «тяжелым хвостом» [3].

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, имеют хорошую альтернативу остальным сетям. Эти 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. Этот рисунок поясняет передачу IP-трафика с использованием технологии DVB. Прямой широкополосный спутниковый канал служит для передачи информации от центральной станции к клиенту. Обратный узкополосный канал служит для передачи запроса от клиента к центральной станции.

Рассмотренная конфигурация сети использует обратный канал, обеспечиваемый спутниками непосредственного вещания DBS (от англ. Direct Broadcast Satellite). Потоки данных доставляются непосредственно клиенту со скоростью передачи данных до 36 Мбит/с для транспондеров в

Рис. 1. Структура моделируемой сети

Ku-диапазоне. Топология основана на асимметричном доступе к сети, использующем спутниковую и наземную сети. Наземный канал в этой топологии - низкоскоростная связь с Internet через ISP (от англ. Internet service provider). Модемное IP -подключение - это удачный пример наземного канала, доступное через коммутируемую телефонную сеть общего пользования или через глобальные сети мобильной связи. Так как скорость передачи 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 соединительным сервером через наземный канал. Когда клиент регистрируется сервером, данные поставляются через обратный спутниковый канал связи. Сервер спутниковой связи играет центральную роль, поскольку он также ответственен за шифровку/расшифровку, маршрутизацию и управление клиентским IP-трафиком по каналу спутниковой связи и по 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 (от англ. Low-Noise Amplifier Block) вводится в модуль приемника/декодера, который или выполнен в виде отдельного блока STB (от англ. Set Top Box), или представляет собой карту IRD (от англ.

Integrated Receiver Decoder), установленную в клиентский персональный компьютер.

В случае, если клиент IRD/STB использует только прием аудио/видео, поток данных отбрасывается, как это требует ISO/IEC 13818-1. В случае, если клиент является клиентом IP, то поток данных декодируется нужным образом.

Пакеты с данными преобразуются операционной системой и программным обеспечением протокола к стандартному IP-виду и передаются прикладным программам.

Имитационное моделирование Конфигурация сети, на которой проводилось моделирование, изображена на рис. 2. Трафик в канале представляет собой объединенный трафик от серверов к клиентам.

Сеть характеризуется следующими параметрами:

скорость передачи каналов связи между серверами и спутниковым шлюзом составляет rp=1 Мбит/с (дуплекс);

время задержки каждого канала, включающее в себя задержки на передачу, распространение и постановку в очередь, составляет тр=15 мс;

видеосервер VBR связан со спутниковым шлюзом через симплексную связь со скоростью передачи rv=20 Мбит/с и задержкой распространения в tv=1 мс; скорость передачи от клиента к серверу rt=28,8 кбит/с и задержка распространения Tt=30 мс;

линия спутниковой связи между спутниковым шлюзом и клиентом, которая является связью обратного канала в рассматриваемой топологии, имеет задержку распространения в т^=280 мс (скорость

Рис. 2. Имитируемая конфигурация сети: 51 - 564 - узлы сервера; С1 - клиентский узел; VI - узел источника УБЯ видеотрафика; 01 - спутниковый шлюз

передачи линии спутниковой связи различна в имитациях).

Internet-трафик. Для имитации узлов Internet-серверов использовались источники с распределением on- и off- периодов по закону Парето (Парето-источники). Параметр MSS (от англ. Maximum Segment Size) - максимальный размер сегмента, равный 200 байт во всех имитациях. Интервалы времени передачи и ожидания составляют Ton=160 мс и Toff=100 мс соответственно.

Видеотрафик. Для имитации VBR видеотрафика использовался трейс-файл [4] в формате MPEG-1 «Звездные войны». Средняя скорость передачи видеотрафика для «Звездных войн» была рассчитана как 365 кбит/с, частота кадров кодирования составляет 24 кадр/с.

Трейс-файл для пакета NS-2 получен трансформированием трафика следующим образом: сначала каждый кадр делится на пакеты по 200 байт, затем эти пакеты передаются равномерно, с промежутком около 20 мс.

Составной трафик. Пакеты от источника VBR-трафика и Парето-источников объединяются на узле шлюза. Организация очереди CBQ (от англ. 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 (от англ. Available Bit Rate) или с неопределенной скоростью передачи UBR (от англ. Unspecified Bit Rate), не воздействуя на VBR-трафик. Размер буфера изменяется в различных имитациях.

Результаты имитаций. Для проверки того, что Internet-трафик не воздействует на видеотрафик, имитация была проведена на записи «Звездные войны» без Internet-трафика, а затем в его присутствии. В имитациях были использованы Парето-источники с параметром Херста, равным #=0,74. Пропускная способность, коэффициент потерь и время задержки в буфере были сравнены в двух ситуациях.

На рис. 3 показано, что VBR MPEG видео требует намного большей скорости передачи, чем ее среднее значение, и что растрачиваемая свободная пропускная способность может использоваться для передачи IP-услуг.

Анализ кривых на рис. 3 показывает, что пропускная способность видеотрафика уу не превышает 365327,6 бит/с при скорости передачи обратного канала г=1,4 Мбит/с и в буфере Ву=300 пакетов, что является средней скоростью для фильма «Звездные войны». Как было сказано выше, канал с пропускной способностью, равной разнице между скоростью передачи обратного канала и средней скоростью передачи видеотрафика, можно использовать для передачи 1^ете^ трафика. Отсюда видно, что общая средняя скорость 1^ете^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 Шете^трафика, равную 1034777,912 бит/с, и близка к необходимой.

В результате, согласно рис. 4, реальная пропускная способность 1^ете^трафика в присутствии приоритетного видеотрафика доходит до уг=772505 бит/с, что составляет ~55% всей пропускной способности обратного спутникового канала связи.

Анализ рис. 3 показывает, что при скорости передачи г=1,4 Мбит/с увеличение буфера на 100% (10 на 20 пакетов) увеличивает пропускную способность видеотрафика от уу=323919,0244 бит/с до уу=350584 бит/с (объединенный трафик) и от уу=321292,4878 бит/с до уу=347736,9756 бит/с (видеотрафик), что в обоих случаях составляет прирост 8,23%.

Рис. 3. Пропускная способность передачи видео в условиях передачи только видео и объединенного трафика с различными размерами буфера для обратного канала

Рис. 4. Пропускная способность Шете^трафика при передаче объединенного трафика с различными размерами буфера для обратного канала

Если размер буфера составляет 50 и более пакетов, то этот размер слабо влияет на пропускную способность видеотрафика, увеличивая ее с уу=368440,5854 бит/с до уу=369061,6585 бит/с (объединенный трафик) и с уу=364749,6585 бит/с 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 и 7 показано, что в результате имитаций Ш;ете1>трафик имеет минимальное влияние на приоритетный видеотрафик. На рис. 6 коэффициент потерь определяется, как отношение потерянных пакетов видеотрафика к принятым, что подтверждает анализ рис. 3. Из рис. 7 видно, что задержка в буфере видеотрафика очень чувствительна к малым скоростям передачи обратного канала и нарастает при увеличении буфера.

Анализ рис. 7 показывает, что при скорости передачи г=1,4 Мбит/с и при увеличении буфера на 100% (10 на 20 пакетов) задержка в буфере уве-

личивается от ту=2,46728 мс до ту=4,12249 мс (объединенный 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.

При буфере размером 50 и более пакетов задержка в буфере увеличивается от ту=5,84735 мс до ту=6,10809 мс (объединенный 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 скорость передачи обратного 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 [1, 5].

Вышеупомянутые результаты означают, что видеотрафик требует или больших размеров буфера, или высокой пропускной способности, чтобы удовлетворять требованиям стандарта MPEG-1 по потерям.

Анализируя кривые на рис. 3, 6, 7 и 8, видно, что эти требования выполняются, когда размер буфера составляет 300 пакетов, и используется скорость передачи обратного 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 (рис. 8).

Результаты имитаций, представленные на рис. 3, 6, 7 и 8, демонстрируют, что эти требования выполняются и для более высоких значений скорости передачи обратного канала.

Увеличение буфера. В <-1 С 10*>»««вг»м l-Jb-l Обмжмсммы* >р*4нк н ^ < »»»пт

ЛУЧ Г»»М»ют. V V nhuml ірфі ж ж і W я> WO нит ” W

/><//=0.74 >49992 бит/с. г,=28800 бит/с. п,-64. ¿-200. Л1-200

I ^

1< I

Лч ‘ • .

4 . . ♦ • • • * «—»—»—•—•—«

0.2 0.4 0.6 0* I U 1.4 1.6 IJ 2 2.2 2.4 2Л 2Л 3

Скорость передачи канала г.. Мбит/с

Рис. 5. Пропускная способность передачи видео в условиях Рис. 6. Коэффициент потерь при передаче видео в условиях

передачи только видеотрафика и объединенного трафика передачи только видеотрафика и объединенного трафика

с различными размерами буфера для обратного канала с различными размерами буфера для обратного канала

Рис. 7. Время задержки в буфере видеопакетов в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для обратного канала

Таким образом показано следующее: видеотрафик имеет импульсный характер и свободная пропускная способность может использоваться для Шегпе^трафика;

реальная пропускная способность 1п1егпе1-трафика в присутствии приоритетного видео трафика достигает ~55% всей пропускной способности обратного спутникового канала связи;

с увеличением размера буфера пропускная способность и задержка в буфере видеотрафика возрастают, а коэффициент потерь уменьшается по нелинейному закону.

Рис. 8. Вариация времени задержки в буфере видеопакетов в условиях передачи только видеотрафика и объединенного трафика с различными размерами буфера для обратного канала

ЛИТЕРАТУРА

1. Сети спутниковой связи VSAT. Учеб. пособие для вузов. Шелухин О.И., Лукьянцев Д.А., Пастухов А.С., Голованов С.В./ Под ред. О.И. Шелухина. -М.:МГУЛ, 2004.

2. http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation.html

3. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях/ Под ред. О.И. Шелухина. - М.: Радиотехника, 2003.

4. http://www.research.att.com/~breslau/vint/trace.html

5. http ://enpub.fulton. asu. edu/ye/Published_Journal_Paper s/Ye_48B.pdf

Поступила 10. 05. 2007 г.