為WLAN 中視訊串流傳輸而設計之通道品質感知錯誤控制機制

pohl.david58

為WLAN 中視訊串流傳輸而設計之通道品質感知錯誤控制機制

為 WLAN 中 視 訊 串 流 傳 輸 而 設 計 之

通 道 品 質 感 知 錯 誤 控 制 機 制

童 曉 儒

國 立 屏 東 科 技 大 學

資 訊 管 理 系

srtong@mail.npust.edu.tw

余 遠 澤

高 雄 醫 學 大 學

醫 療 資 訊 管 理 學 系

yuyt@kmu.edu.tw

吳 啟 鴻

國 立 屏 東 科 技 大 學

資 訊 管 理 系

m9456004@mail.npust.edu.tw

任 慶

國 立 屏 東 科 技 大 學

資 訊 管 理 系

m9556018@mail.npust.edu.tw

摘 要

在 WLAN 具 有 容 易 發 生 錯 誤 的 特 性 , 因

此 造 成 高 封 包 遺 失 率 。 許 多 研 究 指 出 如 此 高

封 包 遺 失 率 會 阻 礙 傳 輸 協 定 , 如 TCP 或

UDP, 無 法 針 對 像 video 這 一 類 資 料 量 大 且

具 有 即 時 性 的 資 料 提 供 有 效 的 傳 輸 服 務 。 針

對 此 一 問 題 , 本 論 文 提 出 了 一 個 ARQ-based

的 錯 誤 控 制 機 制 。 其 分 成 兩 部 份 , 分 別 是

window-based ARQ 控 制 機 與 channel –

quality - aware (CQA) rate adaptation

機 制 。Window-based ARQ 控 制 機 制 是 當 封

包 遺 失 量 超 過 window 內 允 許 遺 失 的 數 量

時 , 會 執 行 重 傳 策 略 。 另 一 方 面 ,CQA rate

adaptation 機 制 是 sender 端 會 根 據

receiver 端 回 報 的 buffer 存 量 狀 態 來 限 制

sender 端 傳 送 frame 的 種 類 。 經 模 擬 實 驗

證 實 , 我 們 提 出 的 機 制 非 常 適 合 WLAN 下 的

video 傳 輸 , 它 能 迅 速 反 應 網 路 的 狀 態 變

動 , 有 效 避 免 congestion 的 發 生 , 且 能 減

輕 重 傳 的 控 制 負 擔 , 並 且 維 持 平 穩 的 視 訊 播

放 品 質 。

關 鍵 字 : 無 線 視 訊 串 流 協 定 、ARQ 協 定 、

錯 誤 控 制 、 速 率 調 適 。

第 1 章 緒 論

近 年 來 由 於 使 用 網 路 人 口 指 數 型 的 成

長 , 資 料 流 量 也 隨 之 增 加 , 資 料 型 態 的 提 供

也 從 簡 單 的 文 字 、 圖 片 , 演 進 為 多 元 化 的 多

媒 體 , 如 聲 音 、 影 片 等 。 依 資 料 的 傳 輸 的 型

態 來 看 , 又 分 為 即 時 性 ( real-time)( 如 電

話 、 隨 選 視 訊 (VOD) 、 視 訊 會 議 (video

conference) 等 )、 半 即 時 性 (semi-real

time)( 如 股 票 行 情 ) 和 非 即 時 性 ( nonreal

-time)( 如 網 頁 瀏 覽 、 電 子 郵 件 等 ) 等 三 種 方

式 , 由 於 使 用 者 ( 或 稱 客 戶 端 ,client ) 對

頻 寬 的 需 求 增 加 , 在 有 限 的 頻 寬 下 , 網 路 的

壅 塞 情 形 也 日 趨 嚴 重 。

視 訊 串 流 (video stream) 在 網 路 上 的 應

用 已 日 趨 重 要 , 但 因 其 對 頻 寬 的 需 求 大 , 且

1


屬 即 時 性 資 料 , 僅 容 許 極 小 的 延 遲 , 在 網 路

傳 輸 上 往 往 造 成 不 少 的 困 擾 。 以 一 部 播 放

90 分 鐘 的 MPEG-1 影 片 資 料 來 說 , 約 需

900MB 的 空 間 容 量 , 通 常 在 網 路 上 提 供 視

訊 伺 服 器 (video server) 以 串 流 (stream) 的 技

術 , 讓 使 用 者 不 必 將 整 部 影 片 下 載 完 成 後 再

播 放 , 而 是 利 用 緩 衝 區 空 間 (buffer), 存 入

近 期 收 到 的 stream, 提 供 「 邊 收 邊 放 」 的 機

制 ; 為 達 此 一 目 的 , 網 路 需 提 供 1.5Mbit / sec

的 傳 輸 頻 寬 , 如 果 頻 寬 不 足 便 會 造 成 客 戶 端

影 片 播 放 不 順 暢 , 甚 至 於 會 產 生 串 流 的 遺 失

或 中 斷 , 造 成 播 放 時 的 停 格 或 出 現 空 白 等 問

題 , 因 此 在 網 路 上 傳 送 視 訊 媒 體 的 技 術 , 一

直 為 學 術 界 、 業 界 研 究 的 重 點 課 題 。

輸 , 而 不 需 經 過 基 地 台 。 而 本 篇 論 文 的 探 討

重 點 是 放 在 Infrastructure mode 上 ,server

位 在 有 線 端 透 過 Internet 傳 送 video 到 AP,

AP 再 藉 由 無 線 傳 遞 的 方 式 傳 送 video 到 無

線 裝 置 。 因 WLAN 環 境 中 無 線 電 波 容 易 受

到 週 遭 地 形 與 環 境 的 影 響 , 造 成 無 線 電 波 訊

號 品 質 降 低 , 進 而 導 致 無 線 網 路 的 傳 輸 衰 減

(fading) 造 成 的 頻 寬 不 穩 定 、 高 位 元 錯 誤 率

(bit error rate) 及 高 封 包 遺 失 率 (packet lossr

ate), 當 AP 傳 送 視 訊 串 流 資 料 給 MH 時 ,

資 料 容 易 遺 失 。 因 此 本 論 文 之 重 點 是 在

WLAN 的 環 境 下 video stream 的 傳 輸 的 特

性 , 設 計 一 套 錯 誤 控 制 機 制 藉 以 提 升 video

stream 傳 輸 的 效 率 。

網 路 根 據 傳 輸 的 範 圍 , 分 為 廣 域

網 路 (Wide Area Network, WAN)、 區 域 網 路

(Local Area Network, LAN)。 最 近 在 LAN 中

由 於 無 線 技 術 的 提 升 , 開 始 使 用 無 線 傳 輸 的

方 式 連 結 , 稱 為 無 線 網 路 (Wireless LAN ,

WLAN ),WLAN 目 前 連 結 的 架 構 有 基 礎 架

構 模 式 (Infrastructure mode) 與 無 基 礎 架 構 (

Mobile Ad-Hoc mode) 模 式 兩 大 類 , 如 圖

1-1。

圖 1-1 無 線 區 域 網 路 傳 輸 架 構

Infrastructure mode 也 就 是 無 線 裝 置 間

互 相 溝 通 要 先 透 過 一 個 基 地 台 ( 稱 access

point, AP),AP 與 有 線 網 路 間 的 介 面 。Mobile

Ad-Hoc mode 是 指 無 線 裝 置 間 可 直 接 傳

想 在 無 線 網 路 環 境 下 傳 輸 video

stream, 面 臨 最 大 挑 戰 為 相 對 於 有 線 環 境 ,

WLAN 有 較 高 封 包 遺 失 機 率 (packet lossr

ates)。 在 WLAN 中 有 兩 個 主 要 的 packet loss

的 來 源 , 一 為 通 道 品 質 (channel quality) 變

動 , 另 一 為 網 路 壅 塞 (congestion)。channel

quality 會 隨 著 時 間 地 點 變 動 , 因 為 傳 輸 信

號 會 受 到 遮 罩 效 應 (shadowing), 以 及 多 重 路

徑 (multi-patch)、 路 徑 衰 減 (path loss)、 信 號

干 擾 (signal noise) 等 因 素 造 成 high bit-error

rate, 進 而 引 起 high packet loss rate。 而

congestion 是 因 為 網 路 資 料 過 多 導 致 網 路 節

點 無 法 及 時 地 將 封 包 送 出 , 造 成 資 料 累 積 在

buffer 中 形 成 了 overflow 的 現 象 , 導 致 資

料 遺 失 。High packet loss rate 會 嚴 重 造 成 視

訊 品 質 的 下 降 , 為 了 改 善 這 個 問 題 許 多 研 究

提 出 錯 誤 回 復 (error recovery) 機 制 [3][6]。

常 用 的 方 法 有 錯 誤 更 正 (Forward Error

Correction, FEC) 的 機 制 與 自 動 要 求 重 傳 (

Automatic Repeat Request, ARQ) 機 制 。FEC

的 方 法 是 用 附 加 的 修 正 碼 在 修 正 範 圍 內 對

錯 誤 進 行 修 復 ,ARQ 則 是 針 對 錯 誤 要 求 重

新 傳 送 , 這 兩 種 機 制 都 可 以 降 低 packet loss

2


ate。

目 前 網 路 上 常 用 的 傳 輸 協 定 是 TCP 與

UDP, 使 用 這 些 協 定 傳 送 video stream 的 最

大 的 好 處 是 在 於 原 有 網 路 中 的 主 機 並 不 需

要 做 任 何 修 改 , 行 動 主 機 即 可 直 接 地 與 網 際

網 路 上 其 他 的 主 機 溝 通 。TCP/IP 的 設 計 以

達 成 傳 送 資 料 的 可 靠 性 (reliable) 為 前 提 , 會

因 為 網 路 傳 輸 的 狀 況 隨 之 調 整 傳 送 的 速 率

以 及 要 求 重 送 遺 失 封 包 , 但 無 線 網 路 的 高 錯

誤 率 會 被 TCP 誤 認 為 是 網 路 壅 塞

(congestion loss), 因 此 啟 動 slow start 的 機

制 , 也 就 是 傳 送 端 會 降 低 傳 送 資 料 封 包 的 速

度 , 並 且 必 須 等 待 一 段 時 間 之 後 才 能 回 復 正

常 的 傳 送 速 率 , 因 此 造 成 影 片 播 放 延 遲 (

delay) 的 現 象 。 因 此 許 多 研 究 指 出 TCP 在

WLAN 下 效 能 不 佳 [10][12][13][14]。 另 外 ,

UDP 通 訊 協 定 對 於 資 料 傳 送 的 方 法 是 傳 後

不 理 , 所 有 傳 送 的 資 料 僅 傳 送 一 次 , 並 不 管

網 路 的 因 素 造 成 packet loss 的 狀 況 , 因 此 資

料 傳 送 是 不 具 可 靠 性 (unreliable), 僅 能 滿 足

video stream 的 即 時 性 , 但 接 收 端 的 視 訊 品

質 全 有 賴 於 傳 輸 通 道 的 品 質 , 當 傳 輸 通 道 的

品 質 變 差 時 , 造 成 嚴 重 packet loss rate, 導

致 不 佳 的 視 訊 品 質 。 此 外 一 般 傳 送 UDP

時 , 傳 送 端 不 會 主 動 偵 測 到 網 路 的 狀 況 , 因

此 盲 目 的 傳 送 會 造 成 congestion 而 容 易 影

響 到 其 他 正 常 的 封 包 。 因 此 不 論 是 TCP 或

UDP, 要 在 WLAN 環 境 下 傳 送 video

stream, 都 不 盡 理 想 。

再 者 video 在 傳 送 以 前 一 般 要 先 做 影 像

壓 縮 (Video Compression) 的 處 理 , 以 減 少 傳

輸 的 資 料 量 以 MPEG-1 壓 縮 [15] 為 例 , 由 於

資 料 經 壓 縮 後 會 產 生 I-frame、P-frame、

B-frame 三 種 資 料 , 因 其 解 壓 縮 的 相 互 參 考

方 式 所 以 具 有 不 同 的 重 要 性 。 因 此 , 當 傳 輸

的 過 程 中 遺 失 不 同 重 要 性 的 資 料 , 會 造 成 不

同 損 害 程 度 的 視 訊 品 質 。 如 當 遺 失 I-frame

時 , 會 使 得 視 訊 品 質 損 害 最 大 。 當 遺 失

B-frame 時 , 對 於 視 訊 品 質 的 損 害 最 小 。

video stream 的 傳 輸 一 方 面 需 要 大 量 頻 寬 支

援 ; 另 一 方 面 因 為 資 料 的 特 性 , 允 許 部 分 封

包 遺 失 , 但 封 包 遺 失 的 程 度 不 能 過 多 , 否 則

視 訊 將 會 無 法 辨 別 。 以 一 個 理 想 的 流 量 控 制

而 言 , 當 網 路 頻 寬 足 夠 且 順 暢 的 時 候 , 能 夠

傳 送 所 有 video 的 資 料 。 然 而 當 網 路 狀 況 不

佳 時 , 能 依 據 可 用 的 頻 寬 降 低 video stream

的 速 率 , 以 避 免 網 路 擁 擠 的 發 生 。 此 外 當 封

包 遺 失 時 , 會 配 合 網 路 頻 寬 的 狀 況 請 求 重

傳 。 當 網 路 壅 塞 時 , 只 允 許 重 傳 重 要 的 封

包 , 當 網 路 頻 寬 充 裕 時 , 盡 可 能 的 讓 所 有 遺

失 的 資 料 重 傳 。 如 此 的 做 法 會 有 三 個 優 點 ,

第 一 、 因 為 會 挑 選 重 要 的 loss packet 要 求 重

傳 , 並 不 是 所 有 loss packet 都 重 傳 , 重 傳 的

數 量 會 大 幅 減 少 , 因 此 重 傳 的 要 求 都 能 夠 快

速 的 回 應 。 第 二 、 可 以 針 對 網 路 狀 態 做 速 率

調 整 , 因 此 可 避 免 congestion 的 發 生 。 第 三

重 傳 的 封 包 都 以 重 要 性 高 的 資 料 為 優 先 , 因

此 重 傳 的 資 料 能 提 升 視 訊 播 放 的 品 質 , 即 可

在 視 訊 品 質 與 頻 寬 節 省 去 取 得 適 度 的 平 衡

點 。

我 們 提 出 了 Aware Error Control 機 制

來 提 升 video stream 的 傳 輸 效 果 。 基 本 概 念

是 根 據 網 路 品 質 選 擇 傳 送 的 資 料 種 類 , 當

網 路 壅 塞 的 時 候 只 選 擇 重 要 資 料 進 行 重

傳 , 而 當 網 路 狀 態 頗 佳 時 , 允 許 儘 可 能 的 重

傳 所 有 遺 失 的 資 料 。 本 機 制 分 成 兩 部 分 , 首

先 在 receiver buffer 中 使 用 具 有 容 錯 特 性 的

window-based ARQ 機 制 決 定 是 否 需 要 重

送 , 即 當 發 覺 資 料 遺 失 時 , 決 定 是 否 發 出

ARQ 訊 號 的 機 制 , 基 本 概 念 為 希 望 在 某 一

定 的 封 包 接 收 範 圍 內 , 最 多 只 能 允 許 某 一 程

度 的 資 料 遺 失 , 當 超 過 這 一 程 度 的 資 料 遺 失

後 , 就 會 啟 動 ARQ 的 機 制 , 要 求 重 送 遺 失

3


之 封 包 ; 其 次 我 們 提 出 rate adaptation 的 機

制 調 整 傳 送 速 率 , 基 本 的 概 念 是 以 目 前

receiver buffer 的 存 量 作 為 判 斷 網 路 狀 態 的

根 據 , 當 buffer 存 量 少 時 , 代 表 網 路 狀 況 擁

擠 , 因 此 希 望 只 針 對 重 要 性 高 的 遺 失 資 料 進

行 重 傳 。 當 buffer 存 量 多 時 , 代 表 網 路 狀 況

寬 鬆 , 因 此 可 以 不 論 重 要 性 與 否 只 要 遺 失 就

可 要 求 重 傳 。 此 外 receiver 端 在 決 定 發 出

ARQ 的 同 時 , 根 據 buffer 的 存 量 來 判 斷 此

ARQ 的 要 求 是 否 能 達 到 效 益 。 如 果 buffer

的 存 量 過 少 , 即 使 sender 端 重 送 也 不 能 達

到 對 播 放 品 質 應 有 之 效 益 , 所 以 會 放 棄 發 出

該 封 包 的 ARQ 要 求 。 利 用 window-based

ARQ 可 以 允 許 一 定 程 度 的 packet loss, 挑

選 出 遺 失 的 封 包 , 向 sender 端 要 求 重 送 ,

並 且 同 時 告 知 buffer 的 存 量 , 作 為 rate

adaptation 的 依 據 。 當 網 路 壅 塞 時 ,Sender

會 限 制 傳 送 重 要 性 高 的 資 料 , 當 網 路 狀 況 頗

佳 時 , 會 允 許 不 論 重 要 性 , 盡 量 補 足 遺 失 的

封 包 。 因 此 可 以 達 到 三 個 特 點 :

1. 提 供 封 包 容 錯 , 減 少 retransmission 數

量 。

2. 速 率 調 整 , 避 免 因 retransmission 造 成

congestion 的 惡 性 循 環 。

3. 根 據 資 料 重 要 性 來 設 定 封 包 傳 送 的 優

先 順 序 , 提 升 視 訊 解 壓 縮 品 質 。

我 們 透 過 模 擬 實 驗 評 估 本 論 文 所 提 出

機 制 的 效 能 。 結 果 顯 示 在 輕 微 的 packet loss

rate 的 環 境 下 , 與 最 簡 單 的 ARQ 機 制 比 較

下 , 播 放 品 質 略 優 於 最 簡 單 的 ARQ 機 制 ;

但 在 較 差 通 道 品 質 的 環 境 下 , 我 們 所 提 的 機

制 能 有 效 對 packet loss 做 補 足 的 效 果 , 以 達

到 更 好 的 播 放 效 能 。 當 在 具 有 高 congestion

的 環 境 之 下 , 我 們 提 的 機 制 , 能 有 效 的 配 合

頻 寬 的 大 小 調 整 速 率 , 不 會 影 響 其 他 正 常 的

封 包 , 並 選 擇 重 要 資 料 優 先 傳 送 , 以 保 持 播

放 品 質 的 平 穩 。 當 在 具 有 高 congestion 與 較

差 通 道 品 質 的 網 路 環 境 下 , 因 能 有 效 的 配 合

頻 寬 的 大 小 調 整 速 率 , 設 定 重 要 資 料 具 有 高

的 傳 送 優 先 權 外 , 而 且 error recovery 效 果

顯 著 優 於 採 用 最 簡 單 的 ARQ 機 制 , 能 更 有

效 的 取 得 穩 定 的 播 放 品 質 。

第 2 章 問 題 定 義 與 研 究 方 法

在 本 章 節 中 , 針 對 先 前 所 探 討 的 問 題 ,

我 們 提 出 在 WLAN 環 境 下 傳 輸 video 資 料

的 Channel-Quality-Aware (CQA) error

control。

2.1 問 題 定 義

假 設 有 一 WLAN 架 構 , 如 圖 2-1。sender

透 Internet 與 AP 連 結 ,AP 透 過 無 線 傳 輸 技

術 連 向 receiver, 而 sender 端 到 receiver 端

的 傳 輸 方 法 是 unicast 方 式 ,sender 與 r

eceiver 都 有 一 塊 buffer 能 存 資 料 片 段 。 假

設 當 使 用 者 發 出 欲 欣 賞 影 片 之 要 求 , 發 出 之

要 求 會 透 過 AP 向 sender 提 出 要 求 。sender

將 壓 縮 過 後 的 stream 以 unicast 的 方 式 傳 至

與 client 相 接 續 之 AP,AP 同 樣 再 以 unicast

轉 送 給 client。Sender 在 傳 送 資 料 的 同 時 ,

會 備 份 最 近 送 出 之 資 料 在 sender buffer 中

以 供 重 傳 之 需 。Client 會 將 接 收 到 的 資 料 暫

存 至 buffer, 透 過 本 論 文 提 出 的

Channel-Quality-Aware(CQA) Error Control

機 制 進 行 流 量 控 制 , 運 作 示 意 圖 如 圖 2-2。

此 機 制 分 成 兩 部 分 , 分 別 是 window-based

ARQ 機 制 與 CQA rate adaptation 機 制 。

window-based ARQ 機 制 決 定 遺 失 封 包 是 否

需 要 重 傳 , 當 packet loss rate 尚 在 可 接 受 的

門 檻 時 , 縱 然 封 包 有 遺 失 也 可 忽 略 , 當

packet loss rate 高 於 可 接 受 的 門 檻 時 ,

receiver 端 可 向 sender 端 提 出 ARQ 要 求 ( 稍

後 在 2.2 節 詳 細 說 明 )。CQA rate adaptation

機 制 收 到 ARQ 要 求 的 同 時 , 會 根 據 ARQ

中 所 攜 帶 的 receiver buffer 存 量 狀 況 資 訊 判

斷 WLAN 的 網 路 狀 況 , 進 而 調 整 傳 送 速

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率 , 並 選 擇 性 重 送 部 份 遺 失 資 料 ( 稍 後 於 2.3

節 詳 細 說 明 ), 資 料 傳 送 的 優 先 順 序 取 決 於

frame type, 重 要 的 frame( 如 I-frame 與

P-frame) 有 較 高 的 傳 送 優 先 權 , 如 此 可 以 減

輕 WLAN 的 負 擔 , 降 低 congestion 的 發 生

機 率 , 提 升 重 要 封 包 到 達 的 機 率 , 在 播 放 品

質 與 資 料 重 傳 的 數 量 上 達 到 一 個 適 切 平 衡

點 , 確 保 影 片 播 放 品 質 。 以 下 兩 章 節 分 別 針

對 在 window-based ARQ 機 制 與 CQA rate

adaptation 機 制 作 詳 細 說 明 。

圖 2-1 行 動 式 環 境 下 video stream 的

unicast 傳 輸 架 構 圖

為 20,window 包 含 了 packet 20 在 內 往 前 5

個 封 包 , 即 packet id 為 13、14、16、17、

20, 而 packet id 15、18、19 皆 loss 的 狀 態 。

因 此 在 window 內 有 3 個 packet loss 發 生 ,

超 出 L=2 的 容 許 範 圍 , 所 以 要 求 重 送 最 近

的 連 續 packet loss, 即 重 送 packet id 為 18

與 19 的 封 包 。 又 如 圖 2-3(b), 假 設 receiver

端 目 前 接 收 到 packet id 為 20,window 包 含

了 packet 20 在 內 往 前 5 個 封 包 , 即 packet id

為 13、14、17、18、20, 而 packet id 15、

16、19 皆 為 loss 的 狀 態 。 因 此 在 window

內 有 3 個 packet loss 發 生 , 超 出 L=2 的 容

許 範 圍 , 所 以 要 求 重 送 最 近 的 packet loss,

即 重 送 packet id 為 19 的 封 包 。 上 述 的

window-based ARQ 的 決 策 過 程 , 我 們 整 理

如 圖 2-4 所 示 , 其 中 的 CQA rate adaptation

將 在 下 一 節 討 論 。

圖 2-2 CQA error control 運 作 圖

2.2 Window-based ARQ 機 制

首 先 定 義 W 為 window 內 能 容 納 的

packet 個 數 。L 是 在 windows 內 所 允 許 遺 失

的 packet 個 數 。N(t) 是 在 時 間 t 為 止 ,receiver

所 收 到 的 最 後 一 個 packet id。window-based

ARQ 的 規 則 是 在 最 近 所 收 到 的 W 個 packet

中 , 其 間 的 遺 失 packet 數 量 不 能 多 於 L 個 圖 2-3 Window-based ARQ 範 例 運 作 示 意 圖

封 包 。 否 則 會 針 對 最 近 的 連 續 遺 失 封 包 進 行

ARQ 重 傳 要 求 , 以 下 我 們 用 圖 2-3 舉 例 說

明 , 假 設 W 為 5、L 為 2, 即 window 可 容

納 5 個 packet, 且 允 許 2 個 packet 遺 失 , 如

圖 2-3(a),receiver 端 目 前 接 收 到 packet id

5


圖 2-5 Receiver buffer 存 量 門 檻 示 意 圖

如 圖 2-5 所 示 , 我 們 假 設 C 為 目 前 接 收

端 資 料 存 量 ,T 1 、T 2 、T 3 分 別 是 buffer 存 量

的 門 檻 值 。 首 先 我 們 令 T 1 =Rtt*r( 此 處 Rtt

代 表 著 「 網 路 傳 送 的 往 返 時 間 (Round Trip

Time)」,r 代 表 video stream 的 packet rate,

如 果 遺 失 的 封 包 位 在 T 1 以 下 , 則 表 示 如 果

向 sender 端 要 求 傳 送 遺 失 的 封 包 , 當

receiver 端 接 收 時 也 超 過 該 封 包 應 該 解 壓 縮

的 時 機 , 所 以 會 達 不 到 重 送 該 封 包 應 達 到 的

圖 2-4 Receiver 端 window-based ARQ 效 果 , 並 且 可 能 提 高 WLAN 網 路 的

control 決 策 流 程 圖

congestion 發 生 機 會 , 所 以 不 予 理 會 。 接 著

當 T 1


帶 的 n 與 F 值 , 搜 尋 重 送 之 封 包 與 設 定

sender 端 的 filter 限 制 傳 送 資 料 的 種 類 。 其

運 作 請 參 考 圖 2-6, 當 sender 端 沒 有 收 到 任

何 ARQ 時 ,video 資 料 會 直 接 通 過 filter 傳

送 出 去 , 在 傳 送 的 同 時 資 料 會 備 分 至

retransmission buffer 中 , 其 大 小 我 們 設 定 成

2Rtt, 以 供 重 傳 之 需 。( 因 為 從 資 料 傳 送 到

receiver, 發 現 遺 失 而 發 出 ARQ 到 sender

收 到 ARQ 要 求 至 少 要 1 個 Rtt 時 間 , 另 外

加 上 receiver 端 可 能 的 處 理 延 遲 所 以 為 了 安

全 起 見 ,retransmission buffer 的 大 小 設 定 為

2Rtt*r。)。 一 但 接 收 到 了 ARQ 要 求 , 會 根

據 ARQ 中 所 攜 帶 的 n 值 搜 尋 retransmission

buffer 中 是 否 有 packet id 為 n 的 封 包 存 在 ,

若 不 存 在 則 忽 略 此 要 求 ; 假 若 存 在 , 則 從

buffer 中 取 出 , 並 依 據 該 封 包 所 屬 的 種 類 放

入 相 對 應 的 frame type buffer 中 。 同 時 sender

依 據 ARQ 訊 息 中 的 F 值 , 設 定 filter 限 制

傳 送 資 料 的 種 類 ,filter 依 照 此 限 制 過 濾 封

包 然 後 傳 送 , 進 行 速 率 調 整 , 如 此 可 避 免 因

retransmission 造 成 congestion 的 惡 性 循

環 , 以 提 升 視 訊 解 壓 縮 品 質 。 舉 例 來 說 假 設

目 前 sender 端 收 到 一 個 ARQ(P,19),sender

端 會 在 buffer 中 搜 尋 packet id 19 的 封 包 ,

假 設 packet id 19 的 封 包 為 P-frame, 因 此 該

封 包 會 被 放 入 P-frame 的 buffer 中 , 接 著

filter 會 設 定 優 先 傳 送 I-frame buffer 的 資

料 , 然 後 是 P-frame buffer 的 資 料 , 而

B-frame buffer 不 予 理 會 。 上 述 的 sender 端

CQA rate adaptation 決 策 過 程 , 我 們 整 理 如

圖 2-7(b) 所 示 。

圖 2-6 Sender 端 CQA rate adaptation 的

運 作 示 意 圖

根 據 以 上 說 明 , 本 文 採 用 window-based

ARQ 在 receiver 端 的 buffer 中 掃 描 暫 存 的

packet。 根 據 接 收 到 的 封 包 去 判 斷 是 否 有 封

包 遺 失 , 由 receiver 將 目 前 所 測 得 的 資 料 遺

失 狀 況 、buffer 大 小 等 資 料 回 報 給 sender

端 ,sender 使 用 CQA rate adaptation 機 制 ,

依 ARQ 的 訊 息 , 重 送 要 求 之 封 包 , 並 且 依

照 優 先 順 序 調 整 資 料 傳 送 量 以 適 應 目 前 網

路 狀 況 , 省 掉 不 重 要 的 重 傳 , 以 避 免

congestion 的 惡 性 循 環 , 進 而 提 升 播 放 品 質 。

(a) 重 傳 決 策 示 意 圖

7


(b)filter 傳 送 決 策 示 意 圖

圖 2-7 Sender 端 CQA rate adaptation 決

策 示 意 圖

第 3 章 模 擬 實 驗 評 估 與 分 析

間 的 無 線 環 境 採 用 802.11b 的 通 訊 協 定 , 頻

寬 設 定 為 2Mbps。 在 先 前 的 一 些 研 究 [5] 中

指 出 , 利 用 隨 機 的 方 式 產 生 錯 誤 ( 其 中 包 含

了 uniform 及 burst error 的 狀 況 ), 能 夠 反 映

出 實 際 網 發 生 錯 誤 的 現 象 , 因 此 在 本 研 究 中

錯 誤 發 生 的 分 布 也 將 採 用 隨 機 的 方 式 產

生 。 在 模 擬 中 接 收 端 將 不 考 慮 移 動 換 手 (

handoff) 的 問 題 , 在 傳 送 端 同 時 產 生 兩 條 干

擾 , 以 模 擬 實 際 頻 寬 共 享 的 網 路 環 境 , 第 一

條 干 擾 流 為 使 用 TCP 傳 輸 ftp 資 料 , 封 包 大

小 為 1.5Kbytes,data rate 為 512kbps; 另 一

條 為 使 用 UDP 傳 輸 , 封 包 大 小 為

1.5Kbytes,data rate 為 256kbps。 在 稍 後 模

擬 中 , 我 們 將 調 整 AP buffer 的 大 小 與 錯 誤

率 來 模 擬 不 同 的 網 路 狀 況 , 以 上 模 擬 的 環 境

中 所 定 義 的 有 關 參 數 整 理 如 表 3-1 所 示 。

在 本 章 節 中 我 們 對 本 論 文 所 提 出 之 表 3-1 模 擬 環 境 參 數 設 定

CQA error control 的 方 法 以 模 擬 方 式 進 行 評

估 , 以 瞭 解 此 方 法 對 不 同 的 錯 誤 環 境 下 的 修

正 能 力 。

3.1 模 擬 環 境 與 假 設

模 擬 的 工 具 主 要 是 在 Cygwin 的 環 境 下

執 行 NS2 以 進 行 模 擬 , 本 實 驗 的 視 訊 品

質 評 估 標 準 是 採 用 PSNR(Peak Signal to

Noise Ratio, 峰 值 訊 號 雜 音 比 )。 模 擬 劇 本

設 定 如 圖 3-1, 我 們 假 設 在 一 個 無 線 區 域 網

路 中 , 傳 送 一 部 大 小 為 2.6MB 的 MPEG1

的 video,video stream 由 傳 送 端 以 unicast

的 方 式 透 過 Internet 傳 送 至 AP, 再 由 AP 透

過 無 線 網 路 傳 送 至 接 受 端 , 其 中 videos

tream 以 1.5Mbps 傳 送 , 其 封 包 大 小 為 1

Kbytes,receiver 也 以 相 同 速 度 消 耗 封 包 。

從 sender 到 AP 的 網 路 頻 寬 設 定 為 1

0Mbps, 傳 送 延 遲 為 10ms,AP 內 配 置 一 個

transmission buffer, 而 從 AP 到 receiver 之

3.2 實 驗 設 計

圖 3-1 模 擬 環 境 示 意 圖

8


由 於 封 包 遺 失 可 能 歸 咎 於 網 路 壅 塞 或

傳 送 錯 誤 , 因 此 我 們 希 望 能 分 析 以 下 不 同 的

網 路 狀 況 對 於 效 能 的 影 響 : (1) 觀 察 在 網 路

雍 塞 與 錯 誤 發 生 都 屬 輕 微 的 環 境 下 , 對 於 效

能 的 影 響 。(2) 觀 察 在 具 有 嚴 重 網 路 雍 塞 的

環 境 下 , 對 於 效 能 的 影 響 。(3) 觀 察 在 具 有

高 傳 送 錯 誤 發 生 機 率 的 環 境 下 , 對 於 效 能 的

影 響 。(4) 觀 察 在 具 有 嚴 重 網 路 雍 塞 與 高 傳

送 錯 誤 發 生 機 率 的 環 境 下 , 對 於 效 能 的 影

響 。 我 們 觀 察 的 效 能 指 標 為 封 包 重 傳 的 次 數

與 最 後 視 訊 所 呈 現 的 PSNR 值 , 藉 以 評 估 重

傳 對 PSNR 的 改 善 效 率 。 為 了 比 較 效 能 的 好

壞 , 我 們 同 時 模 擬 3 種 model。

圖 3-2 Model 1 運 作 示 意 圖

首 先 model 1 採 用 最 簡 單 的 ARQ, 其

運 作 方 式 如 圖 3-2 所 示 , 在 接 收 端 只 要 發 現

packet loss, 就 發 出 ARQ 的 要 求 。 傳 送 端

一 但 收 到 ARQ, 會 在 retransmission buffer

中 搜 尋 是 否 還 有 接 收 端 所 指 定 的 封 包 , 如 果

存 在 則 優 先 重 送 。

圖 3-3 Model 2 運 作 示 意 圖

接 著 model 2 的 運 作 如 圖 3-3 所 示 , 它

在 receiver 端 採 用 我 們 所 提 出 之

window-based ARQ, 來 進 行 ARQ 重 傳 , 但

不 考 慮 frame type, 基 本 上 它 可 以 視 為 CQA

error control, 僅 考 慮 單 一 frame type 的 簡 化

版 。 最 後 為 model 3, 就 是 我 們 所 提 出 之

ARQ error control 機 制 , 除 了 window-based

ARQ 機 制 外 , 所 採 用 的 CQA error control

機 制 是 根 據 ARQ 所 挾 帶 的 訊 息 , 得 知

receiver buffer 的 存 量 狀 況 , 然 後 針 對 frame

的 重 要 性 , 調 整 frame 傳 送 的 順 序 , 例

如 :I-frame 比 P-frame 優 先 傳 送 ,P-frame 比

B-frame 優 先 傳 送 , 藉 此 能 在 網 路 狀 況 嚴 苛

時 , 確 保 重 要 封 包 能 到 達 。

3.3 實 驗 一 : 輕 微 封 包 遺 失 環 境

在 此 實 驗 中 , 我 們 假 設 網 路 雍 塞 與 錯 誤

發 生 都 屬 輕 微 的 環 境 下 傳 輸 videos

tream,AP buffer 設 定 為 50 與 錯 誤 機 率 設 定

為 10%, 以 上 的 數 據 會 使 得 網 路 具 有 較 小

的 packet loss rate, 使 得 較 多 封 包 可 以 成 功

的 傳 送 。

首 先 我 們 比 較 model 1 與 model 2 之 差

異 , 圖 3-4 表 示 傳 送 video stream 過 程 中 的

PSNR 變 化 情 況 , 曲 線

video_Ap50_Loss10_model 1" 代 表 model

1, 曲 線 "video_Ap50_Loss10_model 2" 代 表

model 2, 同 時 我 們 也 加 入 了 完 全 沒 有 使 用

ARQ 的 曲 線 (video_Ap50_Loss10) 作 為 效 能

改 進 的 參 考 。 首 先 觀 察 無 ARQ 的 曲 線 , 在

網 路 狀 況 好 時 , 效 能 很 好 , 可 是 在 frame 75

時 , 由 於 兩 條 干 擾 流 加 入 , 使 得 效 能 開 始 下

降 。 觀 察 model 1 的 曲 線 , 由 於 要 求 重 送 所

有 遺 失 的 封 包 , 增 加 sender 傳 送 封 包 的 數

量 。 如 此 的 傳 送 數 量 有 可 能 會 超 過 網 路 所 能

提 供 的 傳 輸 量 , 造 成 與 正 常 封 包 相 互 競 爭 ,

進 而 造 成 更 嚴 重 的 congestion 惡 性 競 爭 , 所

以 視 訊 品 質 時 好 時 壞 。frame 222 以 後 的 部

分 效 能 甚 至 會 出 現 低 於 無 ARQ 的 曲 線 ; 而

經 過 model 2 處 理 過 後 的 線 , 雖 然 受 到 干 擾

9


流 的 干 擾 , 但 因 為 window-based ARQ, 有

限 制 receiver 的 封 包 存 量 的 播 放 時 間 必 須 要

大 於 Rtt 才 能 發 出 ARQ, 使 得 ARQ 次 數 減

少 , 降 低 發 生 congestion 惡 性 競 爭 的 機 會 ,

因 此 視 訊 品 質 效 能 明 顯 改 善 , 可 以 看 到 從

frame 155 至 frame 300,model 2 能 有 效 維

持 平 穩 之 視 訊 品 質 。

圖 3-4 實 驗 一 model 1 與 model 2 PSNR 變

化 比 較 圖

注 意 到 model 1 發 出 最 多 ARQ, 卻 造

成 較 差 的 PSNR, 這 是 因 為 過 多 的 重 送 可 能

會 造 成 congestion 的 惡 性 競 爭 , 反 之 觀 察

model 3 發 出 少 量 ARQ 且 實 際 有 補 回 的 封

包 最 多 , 使 得 PSNR 效 果 最 好 。 注 意 到 model

2 與 model 3 相 比 , 實 際 補 回 的 封 包 數 量 只

相 差 21 個 , 但 回 傳 的 封 包 都 是 重 要 性 高 的

封 包 , 所 以 效 能 較 好 。 此 外 因 為 網 路 負 擔 輕

且 packet loss rate 不 高 , 因 此 model 3 的 rate

adaptation 之 效 能 並 不 明 顯 , 所 以 與 mode 2

的 效 果 相 差 不 多 。

3.4 實 驗 二 : 嚴 重 網 路 壅 塞 的 環 境

在 此 實 驗 當 中 , 我 們 假 設 是 在 具 有 嚴 重

網 路 雍 塞 的 環 境 下 傳 輸 video stream,AP

buffer 設 定 為 25 與 錯 誤 機 率 設 定 為 10%,

以 上 的 參 數 設 定 會 使 得 資 料 在 AP buffer 產

生 congestion, 而 形 成 buffer overflow 的 現

象 。

圖 3-5 實 驗 一 model 2 與 model 3 PSNR 變

化 比 較 圖

如 圖 3 - 5 所 示 , 曲 線 "

video_Ap50_Loss10_model 3" 代 表 model

3, 可 以 看 到 model 3 略 有 改 善 。 因 為 它 提

供 CQA rate adaptation, 在 frame 139 到 145

之 間 能 提 昇 視 訊 品 質 。 但 與 model 2 差 異 不

大 。 我 們 將 實 驗 一 中 各 model 的 傳 輸 成 本 與

播 放 品 質 整 理 如 表 3-2 所 示 。

表 3-2 實 驗 一 中 各 機 制 比 較 表

圖 3-6 實 驗 二 model 1 與 model 2 PSNR 變

化 比 較 圖

10


首 先 我 們 比 較 model 1 與 model 2 之 差

異 , 圖 3-6 表 示 傳 送 video stream 過 程 中 的

PSNR 變 化 情 況 , 曲 線 "

video_Ap25_Loss10_model 1" 代 表 model

1, 曲 線 "video_Ap25_Loss10_model 2" 代 表

model 2, 同 時 我 們 也 加 入 了 完 全 沒 有 使 用

ARQ 的 曲 線 (video_Ap25_Loss10) 作 為 效 能

改 進 的 參 考 。 首 先 , 注 意 到 沒 有 經 過 ARQ

處 理 的 曲 線 , 在 傳 輸 環 境 是 雍 塞 的 狀 況 下 ,

在 frame 70 的 時 間 點 , 兩 條 干 擾 流 加 入 ,

更 加 重 congestion 的 程 度 , 所 以 視 訊 品 質 不

佳 。 再 者 觀 察 model 1 的 曲 線 , 由 於 大 量 封

包 的 遺 失 , 使 得 大 量 發 出 ARQ, 加 重 網 路

的 傳 輸 量 , 造 成 更 嚴 重 的 congestion 惡 性 競

爭 , 使 得 正 確 封 包 遺 失 的 機 率 更 大 , 所 以 觀

察 frame 185 以 後 之 PSNR, 有 些 frame 的

效 能 會 比 沒 有 使 用 ARQ 的 效 能 更 差 ; 反 之

觀 察 採 用 model 2 處 理 過 後 的 曲 線 , 因 為 其

限 制 要 求 ARQ 的 門 檻 , 使 得 ARQ 次 數 減

少 , 降 低 發 生 congestion 惡 性 競 爭 的 機 率 ,

但 網 路 雍 塞 的 狀 況 還 是 存 在 , 仍 有 封 包 遺 失

的 狀 況 發 生 , 如 果 遺 失 的 是 重 要 性 封 包 , 就

容 易 造 成 視 訊 品 質 變 差 。 跟 沒 有 使 用 ARQ

的 曲 線 相 比 , 雖 然 品 質 有 些 許 提 升 , 但 效 能

時 好 時 壞 , 無 法 提 供 平 穩 的 視 訊 品 質 。

圖 3-7 實 驗 二 model 2 與 model 3 PSNR 變

化 比 較 圖

在 圖 3 - 7 所 示 , 曲 線 "

video_Ap25_Loss10_model 3" 代 表 model

3, 當 處 於 嚴 重 的 雍 塞 的 網 路 環 境 中 , 面 對

干 擾 流 的 狀 況 , 比 較 經 由 model 2 與 model 3

處 理 過 後 的 曲 線 。 因 為 model 3 除 了 限 制 要

求 ARQ 的 門 檻 值 =Rtt, 使 得 ARQ 次 數 減 少 ,

避 免 加 重 congestion 惡 性 競 爭 外 ,CQA rate

adaptation 機 制 會 根 據 網 路 狀 態 調 整 資 料 傳

送 的 優 先 順 序 以 確 保 如 I-frame、P-frame 等

重 要 封 包 到 達 receiver 端 , 因 此 可 以 有 效 提

升 播 放 品 質 , 注 意 特 別 是 在 frame 80 至 frame

110 之 間 與 frame 160 至 frame 250 之 間 ,

model 3 能 有 效 提 昇 視 訊 品 質 , 提 供 平 穩 且

高 效 能 的 視 訊 品 質 。 我 們 將 實 驗 二 中 各

model 的 傳 輸 成 本 與 播 放 品 質 整 理 如 表 3-3

所 示 。

表 3-3 實 驗 二 中 各 機 制 比 較 表

Model 1 因 為 網 路 發 生 嚴 重

的 congestion, 造 成 大 量 的 packet loss, 為 此

model 1 會 大 量 的 傳 送 ARQ, 企 圖 補 足 遺 失

的 封 包 。 但 此 舉 動 不 但 對 於 視 訊 品 質 沒 有 助

益 , 反 而 會 加 重 congestion 惡 性 競 爭 , 加 重

封 包 的 遺 失 狀 況 。 而 在 model 2 中 由 於

window-based ARQ 有 效 減 少 發 出 無 效 能 的

ARQ, 降 低 congestion 的 程 度 , 減 少 封 包 遺

失 , 提 昇 視 訊 品 質 。 最 後 model 3 除 了

window-based ARQ 機 制 外 , 並 且 藉 由 rate

adaptation 機 制 將 重 要 的 I-frame、P-frame

優 先 送 至 接 收 端 , 因 此 提 升 每 個 frame 的 視

訊 品 質 , 因 此 即 使 model 3 實 際 補 回 的 數 量

較 少 , 但 卻 能 有 效 提 供 平 穩 的 視 訊 品 質 。

3.5 實 驗 三 : 高 傳 送 錯 誤 發 生 率 的 環

11



在 此 實 驗 中 , 我 們 假 設 是 在 具 有 高 傳 送

錯 誤 發 生 機 率 的 傳 輸 環 境 下 傳 送 video

stream, AP buffer 設 定 為 50 與 錯 誤 分 布 設

定 為 30%, 以 上 的 參 數 設 定 會 使 得 封 包 遺

失 主 要 發 生 在 無 線 網 路 的 高 傳 送 錯 誤 發 生

率 , 而 非 網 路 壅 塞 造 成 。

檻 值 =Rtt, 使 得 ARQ 次 數 減 少 , 避 免 c

ongestion 惡 性 競 爭 , 雖 然 model 2 能 提 升 因

為 網 路 壅 塞 而 降 低 的 影 片 品 質 , 但 部 份 封 包

仍 會 因 為 高 錯 誤 發 生 率 而 沒 到 達 receiver

端 , 使 得 視 訊 品 質 不 穩 定 。

圖 3-9 實 驗 三 model 2 與 model 3 PSNR 變

化 比 較 圖

圖 3-8 實 驗 三 model 1 與 model 2 PSNR 變

化 比 較 圖

首 先 我 們 比 較 model 1 與 model 2 之 差

異 , 如 圖 3-8 所 示 傳 送 video stream 過 程 中

的 PSNR 變 化 情 況 , 曲 線 "

video_Ap50_Loss30_model 1" 代 表 model

1, 曲 線 "video_Ap50_Loss30_model 2" 代 表

model 2, 同 時 我 們 也 加 入 了 完 全 沒 有 使 用

ARQ 的 曲 線 (video_Ap50_Loss30) 作 為 效 能

改 進 的 參 考 。 首 先 , 觀 察 沒 有 使 用 ARQ 的

曲 線 , 由 於 網 路 的 高 錯 誤 率 , 並 且 在 frame

70 的 時 間 點 , 兩 條 干 擾 流 加 入 , 更 加 重

congestion 的 程 度 , 造 成 視 訊 品 質 的 不 佳 。

觀 察 model 1 的 曲 線 , 由 於 網 路 的 高 錯 誤 率

而 發 生 大 量 的 封 包 遺 失 , 會 隨 即 發 出 大 量 的

ARQ 要 求 , 增 加 發 生 congestion 的 可 能 機

率 , 造 成 更 嚴 重 的 封 包 遺 失 , 在 frame180

至 frame 300, 部 份 的 frame 的 品 質 反 而 比

沒 要 求 ARQ 的 更 差 ; 觀 察 採 用 model 2 處

理 過 後 的 曲 線 , 因 為 其 限 制 要 求 ARQ 的 門

如 圖 3-9 所 示 , 曲 線 "

video_Ap50_Loss30_model 3" 代 表 model

3, 比 較 經 過 model 2 與 model 3 處 理 過 後

的 曲 線 ,model 3 除 了 限 制 要 求 ARQ 的 門

檻 值 =Rtt, 使 得 ARQ 次 數 減 少 , 避 免 造 成

congestion 惡 性 競 爭 , 並 且 使 用 ACQ rate

adaptation 機 制 , 先 確 保 重 要 性 高 的 封 包 優

先 傳 送 至 receiver 端 。 雖 然 網 路 的 封 包 錯 誤

機 率 高 , 造 成 封 包 遺 失 , 播 放 品 質 穩 定 度 受

到 影 響 , 但 跟 model 2 的 效 能 相 比 , 在 frame

100 至 frame 275 之 間 仍 能 有 效 提 升 視 訊 品

質 。 我 們 將 實 驗 三 中 各 model 的 傳 輸 成 本 與

播 放 品 質 整 理 如 表 3-4 所 示 。

表 3-4 實 驗 三 中 各 機 制 比 較 表

12


Model 1 發 出 了 最 多 ARQ, 但 因 為 網 路

的 遺 失 機 率 高 , 再 加 上 造 成 congestion 的 機

率 增 加 , 雖 有 封 包 回 補 , 仍 會 遺 失 , 視 訊 品

質 效 果 最 差 。model 2 的 window-based

ARQ 機 制 有 限 制 ARQ 的 數 量 , 降 低 發 生

congestion 的 機 率 , 但 對 視 訊 品 質 的 效 果 仍

是 不 理 想 。model 3 發 出 了 最 少 ARQ, 再

加 上 rate adaptation 機 制 會 選 擇 重 要 封 包 優

先 傳 送 , 所 以 在 高 網 路 遺 失 率 的 環 境 下 , 視

訊 品 質 是 最 佳 的 。

與 實 驗 二 相 比 , 可 以 清 楚 的 觀 察 到 , 如

果 封 包 遺 失 是 網 路 壅 塞 所 造 成 的 , 我 們 所 提

出 的 機 制 , 與 model 1 相 比 , 平 均 PSNR 的

數 值 可 以 提 升 3 個 單 位 。 而 當 封 包 遺 失 是 網

路 的 高 傳 送 錯 誤 率 所 造 成 時 , 我 們 提 出 的 機

制 , 與 model 1 相 比 , 平 均 PSNR 的 數 值 可

以 提 升 4.2 個 單 位 。

3.6 實 驗 四 : 嚴 重 封 包 遺 失 環 境

在 此 實 驗 中 , 我 們 假 設 在 網 路 雍 塞 與 錯

誤 發 生 都 屬 嚴 重 的 環 境 下 傳 送 videos

tream,AP buffer 設 定 為 25 與 錯 誤 機 率 設 定

為 30%, 以 上 的 參 數 設 定 會 產 生 high

transmission error 與 congestion 的 問 題 造 成

更 大 量 的 封 包 遺 失 。

首 先 我 們 比 較 model 1 與 model 2 之 差

異 , 圖 3-10 表 示 傳 送 video stream 過 程 中 的

PSNR 變 化 情 況 , 曲 線 "

video_Ap25_Loss30_model 1" 代 表 model

1, 曲 線 "video_Ap25_Loss30_model 2" 代 表

model 2, 同 時 我 們 也 加 入 了 完 全 沒 有 使 用

ARQ 的 曲 線 (video_Ap25_Loss30) 作 為 效 能

改 進 的 參 考 。 首 先 , 觀 察 沒 有 ARQ 的 曲 線 ,

由 於 嚴 苛 的 網 路 環 境 , 在 frame 70 的 時 間

點 , 兩 條 干 擾 流 加 入 , 使 得 網 路 發 生

congestion 發 生 的 機 會 加 大 , 又 加 上 高 的 傳

送 錯 誤 率 , 造 成 效 能 非 常 的 差 。 觀 察 model

1 的 曲 線 , 由 於 大 量 的 封 包 遺 失 ,ARQ 的

數 量 也 隨 之 增 加 , 如 此 只 會 增 加 congestion

的 惡 性 競 爭 , 不 但 不 能 提 升 視 訊 品 質 , 反 而

造 成 更 嚴 重 的 packet loss; 反 之 model 2 因

為 其 window-based ARQ 限 制 ARQ 的 門 檻

值 =Rtt, 使 得 ARQ 次 數 減 少 , 避 免

congestion 的 惡 性 競 爭 。 但 網 路 的 高 錯 誤 率

成 封 包 遺 失 的 關 係 , 造 成 與 model 1 相 比 效

能 沒 有 明 顯 提 升 。

圖 3-11 實 驗 四 Model 2 與 Model 3 效 果 比

較 圖

圖 3-10 實 驗 四 Model 1 與 Model 2 PSNR

變 化 比 較 圖

如 圖 3 - 1 1 所 示 , 曲 線

"video_Ap25_Loss30_model 3" 代 表 model

3, 注 意 model 3 在 經 過 嚴 苛 的 環 境 下 除 了

使 用 window-based ARQ 限 制 要 求 ARQ 的

門 檻 , 使 得 ARQ 次 數 減 少 , 避 免 congestion

13


的 惡 性 競 爭 外 , 並 且 採 用 rate adaptation 的

方 式 優 先 傳 送 重 要 性 高 的 封 包 到 receiver,

並 且 降 低 傳 送 速 率 。 跟 model 2 的 效 能 相

比 , 可 以 觀 察 到 model 3 的 許 多 重 要 的

I-frame 與 P-frame 都 能 達 到 相 當 高 的 視 訊

品 質 。 我 們 將 實 驗 四 中 各 model 的 傳 輸 成 本

與 播 放 品 質 整 理 如 表 3-5 所 示 。

表 3-5 實 驗 四 中 各 機 制 比 較 表

發 出 實 際

Packet Avg

ARQ 次 ARQ 補

loss( 個 ) PSNR

數 回

No

0 0 336 10.358180

control

Model

1

Model

2

Model

3

837 194 209 13.782552

636 303 202 16.308252

609 287 102 20.821265

因 為 嚴 重 的 網 路 遺 失 環 境 中 ,model 1

會 大 量 要 求 ARQ, 企 圖 補 足 遺 失 的 封 包 ,

但 實 際 補 回 的 封 包 非 常 少 , 因 此 不 但 對 於 視

訊 品 質 沒 有 任 何 助 益 , 還 加 重 congestion 的

惡 性 循 環 。model 2 因 為 window-based ARQ

會 限 制 發 出 ARQ 的 門 檻 值 , 減 少 發 出 無 法

達 到 效 能 的 ARQ, 提 高 實 際 補 回 ARQ 的 數

量 。model 3 發 出 了 最 少 ARQ, 雖 然 實 際 補

回 的 封 包 數 量 沒 有 比 model 2 多 , 但 因 為 補

回 的 資 料 大 多 為 I-frame、P-frame 等 重 要 封

包 , 使 得 播 放 品 質 能 維 持 在 一 個 較 佳 的 狀

態 。

根 據 以 上 四 項 實 驗 , 我 們 可 以 清 楚 的 發

現 , 如 果 封 包 遺 失 是 網 路 壅 塞 所 造 成 的 ,

window-based ARQ 機 制 能 有 效 改 善

congestion 的 問 題 , 在 實 驗 二 中 與 model 1

相 比 ,model 2 與 model 3 分 別 能 將 PSNR

值 能 從 15 提 升 到 17 與 19。 如 果 封 包 遺 失

是 網 路 的 高 傳 送 錯 誤 率 所 造 成 的 ,CQA rate

adaptation 機 制 能 改 善 提 升 傳 送 錯 誤 所 降 低

的 視 訊 品 質 , 在 實 驗 三 中 與 model 2 相 比 ,

model 3 能 將 平 均 PSNR 值 能 從 18 提 升 到

22。 當 網 路 是 嚴 重 的 封 包 遺 失 環 境 下 , 結 合

window-based ARQ 機 制 與 CQA rate

adaptation 機 制 能 有 效 提 升 視 訊 品 質 , 在 實

驗 四 中 與 model 2 相 比 ,model 3 能 將 平 均

PSNR 值 能 從 16 提 升 到 20。 綜 合 以 上 討 論

可 以 說 明 在 嚴 苛 的 WLAN 環 境 下 傳 輸

video, 經 過 我 們 所 提 出 之

Channel-Quality-Aware Error Control

Mechanism, 能 有 效 提 升 視 訊 播 放 品 質 。

第 4 章 結 論 與 未 來 方 向

在 傳 統 的 視 訊 串 流 傳 輸 中 , 大 多 是 使 用

ARQ 去 補 足 packet loss, 以 降 低 packet loss

對 視 訊 播 放 品 質 所 造 成 的 影 響 , 但 ARQ 具

有 對 網 路 系 統 有 較 大 負 擔 的 缺 點 , 如 果 網 路

環 境 是 容 易 造 成 packet loss 的 狀 況 下 , 使 用

ARQ 來 補 足 遺 失 的 資 料 , 有 可 能 造 成 更 嚴

重 的 congestion, 不 但 不 能 提 升 視 訊 品 質 ,

反 而 會 更 加 重 packet loss 的 狀 況 , 透 過 本 研

究 提 出 的 「channel-quality-aware Error

Control Mechanism」 來 接 收 視 訊 資 料 , 能 有

效 的 解 決 資 料 因 網 路 的 封 包 遺 失 所 造 成 的

資 料 不 完 整 。

總 結 而 論 ,window-based ARQ 機 制 與

CQA rate adaptation 機 制 具 有 以 下 特 點 : 在

receiver 端 提 供 封 包 容 錯 , 減 少

retransmission 數 量 。 並 在 sender 端 進 行 速

率 調 整 , 避 免 因 retransmission 造 成

congestion 的 惡 性 循 環 , 此 外 以 優 先 順 序 將

封 包 進 行 傳 送 , 以 提 升 視 訊 解 壓 縮 品 質 。

本 研 究 提 出 的 機 制 在 模 擬 時 , 封 包 是 採

用 固 定 的 封 包 大 小 在 傳 送 。 而 Yavuz[14] 所

14


提 出 的 variable packet 的 方 法 指 出 , 封 包 的

大 小 與 網 路 頻 寬 的 利 用 有 直 接 關 係 , 利 用 網

路 狀 態 的 即 時 回 應 , 改 變 要 傳 送 封 包 的 大

小 , 以 適 應 目 前 的 網 路 頻 寬 。 因 此 未 來 我 們

可 考 慮 加 入 此 機 制 。 再 者 FEC 機 制 能 修 補

部 份 封 包 內 容 不 完 整 的 狀 況 , 對 修 補 短 暫 的

error burst 十 分 有 效 , 因 此 我 們 未 來 可 能 考

慮 在 不 造 成 過 重 的 網 路 負 擔 下 適 度 地 加 入

FEC, 以 提 昇 資 料 的 正 確 性 與 影 片 的 品 質 。

參 考 文 獻

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15

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