在IEEE 802.11e 無線網路改善可調性視訊傳輸之跨層機制設計

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■成果報告

□期中進度報告

在 IEEE 802.11e 無線網路改善可調性視訊傳輸之跨層機制設計

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC 97－2221－ E－ 011－048－MY2 執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 10 月 31 日 執行機構及系所：國立台灣科技大學

計畫主持人：陳省隆 共同主持人：

計畫參與人員：博士班研究生-兼任助理:佟旻達

碩士班研究生-兼任助理:陳銘賜、詹育儒、江宏威

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告 本計畫除繳交成果報告外，另頇繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

■出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

中 華 民 國 99 年 10 月 15 日

I

目錄

目錄 ... I

報告內容 ... 1

1 前言 ... 1

2 研究目的 ... 3

3 文獻探討 ... 4

4 研究方法 ... 8

5. 結果與討論(一) ... 16

6. 結果與討論(二) ... 26

參考文獻 ... 32

計畫成果自評 ... 35

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報告內容

1 前言

近年來無線網路傳輸技術快速發展，IEEE 802.11g (54 Mb/s) [1]、IEEE 802.11n (100Mb/s) [2] 高速實體層傳輸技術與 IEEE 802.11e [27]可提供服務品 質 (QoS) 的媒介存取控制層 (MAC layer) 相繼問世，讓使用者能更方便透過 無線網路進行視訊傳輸。視訊編碼標準制定組織也不斷地改善現有標準的壓縮 效率 (coding efficiency)，如下圖 2-1。H.264/MPEG-4 AVC (簡稱 H.264/AVC) [5] 首度使用包含視訊編碼層 (Video Coding Layer, VCL) 與網路摘要層 (Network Abstraction Layer, NAL) 的編碼架構，不僅可以將資料量壓縮到只有 MPEG-2 資料量的 1/2 [24] 並且具有網路親和性 (Network-friendly)與抗誤性 (Error Resilience) 的特點。

圖 1-1 常見視訊編碼標準[6]

事實上，要在無線網路進行上述的視訊傳輸遠比我們想像的來的困難，這 是因為視訊的資料量比聲音大的多而且越高畫質的視訊其資料量也越大。此 外，在無線網路進行視訊傳輸可能遭遇到訊號衰減(Fading)、頻寬穩定性、位 元錯誤及封包遺失 (Packet Loss) 等問題。一般而言，進行視訊傳輸時視訊伺 服器必頇考量不同用戶端播放設備與接收的能力，在事前將同一部影片進行不 同解析度、bit rate、frame rate 的編碼。這使得伺服器對同一部視訊必頇儲存 數個 bitstreams，而且因為無法事前知道用戶端的網路狀況只要網路狀況不穩 定就可能造成封包遺失而影響視訊品質。

可調性視訊編碼 (Scalable Video Coding, SVC) 可以克服上述的問題，經 過可調性視訊編碼的 SVC bitstream 在解碼時可隨著頻寬變動與使用者不同 視訊品質的要求，解碼出不同品質的視訊。MPEG-2/H.262、H.263 與 MPEG-4 Visual 都有提供支援可調性視訊編碼模式，但是因為上述編碼標準所支援的

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可調性模式必頇犧牲編碼效率也就使得可調性編碼較少被採用。正因為如此在 制定 H.264/AVC 並沒有考量支援可調性編碼，直到 2005 年 Joint Video Team (JVT) 提出 H.264/MPEG-4 SVC 可調性視訊修正草案(Draft 1) 而目前最新的 修正草案請參考[25]。

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2 研究目的

目前探討在無線網路環境下傳輸 H.264/SVC 的文獻並不多，大部分在說 明與介紹 H.264/SVC 的架構與應用 [7-8;26]。因此我們使用 JointScalable Video Model 8.0 (JSVM 8.0) [9] 與網路模擬器 Qualnet 4.0[10] 來模擬可調性 視訊在 IEEE 802.11e [27] QoS 架構下傳輸的情況，並針對基礎層封包遺失的 現象，提出了跨層解決方案 (Cross-layer Arch.)。根據 [11] 所提出的對應演算 法 (Mapping Algorithm) 將基礎層與增強層的封包依據其重要性分別對應到 不同媒介存取控制層(MAC layer) 的存取類別 (Access Category, AC)，我們接 著提出根據無線網路的頻寬調整存取類別的優先權以提供基礎層與增強層不 同等級的服務品質 (Quality of Service, QoS)。

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3 文獻探討

3.1 H.264/MPEG-4 SVC 可調性修正草案

可調性視訊編碼採用的是分層 (layered) 的編碼架構 (參考圖 3-1)，使得 bitstream 包含一個基礎層 (base layer) 與多個增強層(enhancement layer)。基礎 層不具可調性，其編碼的方式與 H.264/AVC 相同；增強層具有可調性，可透 過不同的編碼方式來達成。接下來我們將詳細介紹 H.264/MPEG-4 SVC 提供 三 種 可 調 性 ： 時 間 可 調 性 (Temporal Scalability) 、 空 間 可 調 性 (Spatial Scalability)、訊噪比可調性 (SNR Scalability)。

圖 3-1 H.264/MPEG-4 SVC Architecture [8]

3.1.1 時間的可調性：

H.264/SVC 採用與 H.264/AVC 相同的 Hierarchical B Picture 方式進行 motion compensation，(如圖 3-2) 在 Group of Picture 內除了 I-frame 之外，其 餘的 frame 都必頇參考鄰近的 frame。不同 frame 間彼此參考的關係可分成 四個 temporal layer，越下層的 frame 重要性就越高。最上層的畫面 (編號 1, 3, 5, 7) 因為沒有被其他的畫面所參考，若被移除也不會影響其他畫面的視訊品 質 (但是犧牲了 frame rate)，這就是時間可調性。

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圖 3-2 Hierarchical B Picture [9]

3.1.2 空間的可調性：

空間可調性也可稱為解析度可調性 (Resolution Scalability)，透過基礎層與 加強層的畫面間預測 (macro-block、motion vector、residual)使得基礎層與增強 層分別有不同的解析度與 frame rate。如下圖 3-3，基礎層具有較小的解析度 與較低的 frame rate 而增強層則有較大的解析度與較高的 frame rate。

圖 3-3 空間可調性

3.1.3 訊噪比可調性：

訊噪比可調性也可以稱為品質可調性 (Quality Scalability)，也就是增強層 能提供較高的視訊品質與 bit rate，在編碼時採用 Fine granular scalability (FGS) 編碼方式，能讓接收端不需要收到所有的增強層視訊封包才能進行解碼；換句 話說，基礎層能提供基本視訊品質而收到增強層視訊封包的數量越多其視訊品 質就越高。示意圖請參考圖 4-1。

3.2 IEEE 802.11e 無線網路：

IEEE 802.11 (Wi-Fi) 是廣泛被使用的無線網路通訊協定，市面上許多產品

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都支援 IEEE 802.11 協定，其傳輸速率以 IEEE 802.11a [12]與 IEEE 802.11b [3]

而言可達到 54 和 11 Mbps，但是卻無法保證服務品質而只能提供 Best-effort 服務。IEEE 802.11 Task group E 為了改善 IEEE 802.11 提供品質服務的能力，

在 2005 年 11 月提出了 IEEE 802.11e 媒介存取控制層 (MAC layer) 標準，提 供在 IEEE 802.11 無線網路對語音及視訊資料傳輸服務品質的能力。

如下圖 3-4，IEEE 802.11e [27] 提出的增強性分散式頻道存取機(Enhanced Distributed Channel Access, EDCA) 具有四個存取類別(Access Category, AC) 透過不同的 backoff 參數設定，提供不同類型的資料進行傳輸。根據 IEEE 802.11e [27] 的定義，AC3 具有最高的優先權可提供聲音進行傳輸，AC2 的 優先權次之則可提供視訊傳輸使用；AC1 與 AC0 則分別提供 best-effort 與 background 資料使用。

圖 3-4 增強性分散式頻道存取機制 (EDCA)

Backoff 參數設定說明如下：

-Contention Window (CWmin 與 CWmax)：backoff time 會於 1 至 CW 的範 圍中隨機 產生，CW 的初值為 CWmin，但若 backoff time 結束時仍未能取得 傳輸機會其值就會增為兩倍，最大值為 CWmax。

- Arbitration Interframe Space (AIFS)：如下圖 3-5，不同存取類別有不同的 等待時間，優先權較高的資料等待的時間較短，使得高優先權的存取類別較容 易獲得傳輸機會。

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圖 3-5 EDCA timing diagram [27]

3.3 跨層視訊傳輸：

跨層設計是近幾年熱門研究的主題，[16] 特別對於在無線網路環境傳輸 多媒體資料進行跨層設計提出建議並分析可能遭遇的問題，[11;17;18] 採用跨 層設計的概念在 IEEE 802.11e 下傳輸 H.264/AVC 視訊進行探討，[11] 使用 H.264/SVC 可調性視訊編碼的特性，將不同重要性的 slice 依其重要性放置到 不同的存取類別。這樣的設計能夠提供重要性較高的 slice 較容易取得傳輸機 會，而我們採用相同的概念更考慮無線網路提供的頻寬因傳輸距離與訊號衰減 而不同，提出跨層可調性視訊傳輸機制。

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4 研究方法

4.1 SVC 視訊編碼層與網路摘要層

我們在視訊編碼層使用時間與噪訊比兩種可調性，在 GoP 內的 frame (I-frame、B-frame、P-frame) 分別是由基礎層與增強層的 slice 所組成 (參考 圖 4-1)。基礎層有三種不同的 slice 而每種 slice 編碼預測 (prediction) 方式 並不相同，I-slice 編碼時採用的是畫面內預測(intra prediction) 的方式並不需 要參考其他的 slice，編碼時可以根據 intra period 參數的值來設定 I-slice 出現 的頻率。P-slice 編碼時採用畫面間預測 (inter prediction) 的方式需要參考前一 個 I-slice 或 P-slice，而 B-slice 編碼時採用雙向預測 (Bi-direction prediction) 需要參考前後的 slice。增強層的任一個 slice (Progressive Refinement, PR)則需 要參考其基礎層的 slice。

圖 4-1 噪訊比可調性與時間可調性

接著 slice 就會被送到網路摘要層加上 NAL Unit Header (參考圖 4-2) [19]，使得底層的傳輸協定能從 NAL Unit Header 得知 NAL Unit 的類型、優 先權與其他相關資訊。

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圖 4-2 NAL Unit Header format

表 4-1 Slice 優先權

NAL Unit Header 的大小為 4 Bytes，第一個 Byte 包含了 Forbidden field (F)、Nal Unit Reference Indicator (NRI) 與 NAL UnitType (TYPE)。第二個 Byte 包含了 Reserved Bits (RR)、Simple PriorityID (PRID)。第三個 Byte 則是表示 NAL Unit 的相依性 (dependency)，TL、DID 與 QL 分別表示時間可調性階層 (Temporal Scalability

Level)、空間可調性階層 (Spatial Scalability Level) 與噪訊比可調性階層 (SNR Scalability Level)。第四個 Byte 則包含了 Layer Base Flag(B)、Use Base Prediction Flag (U)、Discardable Flag (D)、FragmentedFlag (G)、Last Fragment Flag (L)、Fragment Order (FO)、Extension Flag(E)。

可調性視訊具有分層的特性，基礎層比增強層有較高的重要性，所以當 QL = 01 表示 slice 屬於增強層 (PR-slice) 其優先權最低。基礎層 slice 可分

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成三種類型 (I, P, B)，對解碼的影響程度由 TL 來決定，時間階層越低影響程 度越高。所以 TL = 000 (I-slice 與 P-slice)有最高的優先權，而 TL = 001, 010, 011 (B-slice) 優先權次之。Slice 優先權請參考表 4-1 (Priority 值越大越重要)。

4.2 IEEE 802.11e 媒介存取層

IEEE 802.11e 媒介存取控制層有四個存取類別 (AC0~AC3) 可提供不同 等級 (class) 服務品質，AC3 具有最高的優先權，AC0 則有最低的優先權。

依照目前的設計 (EDCA)，當 NAL Unit 到達 IEEE802.11e 媒介存取控制層 時，並沒有對 NAL Units Header 包含的優先權資訊提供不同等級的服務，基 礎層與增強層的 NAL Units 皆進入 AC2 中。因此我們認為若底層的傳輸機 制能充分利用 NAL UnitsHeader 的資訊就能達到提供差異性服務的目標。

表 4-2 Mapping Algorithm

4.3 對應演算法 (Mapping Algorithm)

如表 4-2，我們提出了對應演算法 (Mapping Algorithm) 將不同的 NAL Units 依據其重要性對應到不同的存取類別等待傳輸機會。若編碼控制資訊 (Parameter Set, SEI) 與基礎層 (I, P, B) 封包遺失就會造成無法順利解碼，將之 對應到 AC2。至於增強層 (PR-slice) 若封包遺失對解碼影響不大，因此我們 將 I, P, B1, B2 的增強層封包對應到 AC1 ， 並參考 [13] 的 dropping 演算法 將 B3 的增強層與 background traffic 對應到 AC0。下圖 4-3 為我們提出的跨 層可調性視訊傳輸架構 (Cross-layer Arch.)。

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圖 4-3 跨層可調性視訊系統架構 (Cross-layer Arch.)

4.4 動態優先權調整機制

如表 4-2，對應演算法 (Mapping Algorithm)將不同的 NAL Units 依據其重 要性對應到不同的存取類別等待傳輸機會。若編碼控制資訊 (Parameter Set, SEI) 與基礎層 (I, P, B) 封包遺失就會造成無法順利解碼，將之對應到 AC2。

至於增強層 (PR-slice) 若封包遺失對解碼影響不大，增強層二 (PR2) 需要基 礎層與增強層一 (PR1)才能正確解碼 [20]，因此我們將增強層一 (PR1) 封包 對應到 AC1，增強層二 (PR2) 對應到 AC0。

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圖 4-4 IEEE802.11b PHY 不同的距離能產生的吞吐量

事實上，在 IEEE 802.11 無線網路中實體層有使用 Link Adaptation[21] 的 機制，會依傳送端與接收端不同的傳輸距離與訊號強度等因素自動選擇適合的 傳輸速率，進而提供不同的頻寬達到網路不同的吞吐量，如圖 4-5，當提供的 頻寬不足所有的 AC 傳送封包時，多個 AC 的競爭會使較高優先權的 AC 沒 有足夠的機會將封包送出，封包會停留在佇列 (Queue) 中，若此時此 AC 的 Queue 已放滿封包，更多的封包無法進入，無法進入的封包就會遺失。如圖 4-6，對應演算法將基礎層封包對應到 AC2，基礎層遺失後影片會無法順利解 碼與播放。

圖 4-5 基礎層封包遺失

不同 EDCA Parameter 的 Arbitration Interframe Space (AIFS)設定會產生

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不同的優先權 [23]，且對優先權的影響較 Contention Window 大，而根據 802.11e Standard [3] 的描述， AIFS 修改 的 範圍為 50microsecond 至 310 microsecond，因此若能在不同的頻寬時透過調整 AIFS 的方式讓優先權較高的 AC2 有更多機會送出封包，就可以確保較重要的基礎層封包不會遺失，頻寬 許可時更進一步送出增強層封包，如此能得到比不使用動態調整優先權的方式 更好的影像播放品質。如下圖 4-6，我們提出的跨層可調性視訊傳輸架構 (Cross-layer Arch.)。

圖 4-6 跨層可調性視訊系統架構 (Cross-layer Arch.)

我們提出了動態優先權調整機制，由於實體層提供的頻寬會影響停留在 AC 的 Queue 中封包的數量及 Queue 空間的使用量，因此可從 Queue 空間的 使用量得知網路頻寬是否足夠、是否有封包將要遺失。我們於 AC2 與 AC1 的

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Queue 中設定門檻值 (Threshold)，根據不同 Queue 空間使用量與 Threshold 的關係給予其特定的狀態，如圖 4-7 有 LL、LH、HL、HH、WL、WH 六種 狀態組合，依據不同的狀態組合給予 AC1 與 AC0 不同的 AIFS 數值，如表 4-3，依照不同的狀態調整不同 AC 的優先權。隨著 AC 的 Queue 空間的使用 量的改變，狀態也會改變，圖中實線狀態改變的路徑，其中 HL 和 WL 是不 會發生的狀態，如圖 4-8。

H

L L

H W

AC2 AC1

AC1 Threshold (4/5 Queue Size) AC2 Threshold1 (1/2 Queue Size)

AC2 Threshold2 (4/5 Queue Size)

圖 4-7 Threshold 與狀態

LL LH HH WH

圖 4-8 狀態的改變

State

AC AIFS

LL 1 150

0 50

LH 1 50

0 310

HH 1 210

0 310

WH 1 310

0 310

表 4-3 動態優先權調整之 AIFS 設定

當狀態為 LL，表示網路的頻寬很充足，所以我們將 AC1 的 AIFS 放大，

把 AC0 的 AIFS 縮小，以期讓 AC0 有更多機會送出增強層二的資料，達到較 好的播放品質。

當狀態為 LH 時，表示現在頻寬變小但不危急 AC2 將資料送出，所以我 們將 AC1 的 AIFS 縮小且將 AC0 的 AIFS 放大，以期在 AC2 不遺失資料的情 況下犧牲 AC0 增強層二的資料保全 AC1 增強層一的資料。

當狀態為 HH 時，表示現在頻寬很不足，AC2 的資料可能會遺失，所以我 們將 AC1 增強層一與 AC0 增強層二的 AIFS 放大，先保全 AC2 基礎層的資料

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不遺失，若有機會再讓 AC1 增強層一送出，犧牲 AC0 增強層二。

當狀態為 WH 時，表示現在頻寬非常不足，系統唯一能做的就是將 AC1 增強層一與 AC0 增強層二的 AIFS 設成最大值，以保全 AC2 基礎層不要遺失。

透過動態優先權調整機制，當頻寬充足時除了讓基礎層被送出，也讓增強 層有更多機會被送出以得到更好的播放品質。當頻寬不足時則確保基礎層不會 被遺失，影片可以被正確解碼播放。

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5. 結果與討論(一)

為了驗證我們所提出來的跨層可調性視訊傳輸機制的優點，我們使用網路 模擬器 Qualnet 4.0 [12]進行可調性視訊傳輸的模擬並且將我們所提出的跨層 架構與 EDCA (基礎層與增強層 slices 共用一個存取類別) 加以比較。

5.1 可調性視訊傳輸模擬架構

圖 5-1 可調性視訊傳輸模擬流程

如上圖 5-1，進行可調性視訊傳輸的模擬可分成幾個步驟：首先，我們在 encoder configure file 內設定相關的參數 (參考表 5-1)使得 encoder 根據設定 產生 SVC bitstream。

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表 5-1 encoder configure

產生 SVC bitstream 之後，我們使用 JSVM 8.0 [11]提供的 BitStream Extractor 擷取 NAL Units 的資訊產生 packet trace (參考圖 5-2)。我們透過 packet trace 來提供模擬器視訊的相關資訊，欄位所表示的意義如下：

Start Pos.

Packet

Length Lid Tid Qid Type Discardable Truncatable 圖 5-2 Bit Stream Extractor 產生的 Packet Trace 格式

- Start Pos. 表示 NAL Unit 在 bitstream 的起始位置 - Packet Length 表示 NAL Unit 的大小

- Lid 表示是否使用 Spatial Scalability - Tid 表示是否使用 Temporal Scalability - Qid 表示是否使用 SNR Scalability (FGS) - Type 表示是屬於哪一種的 NAL Unit

- Discardable 表示 NAL Unit 若遺失是否影響到解碼 - Truncatable 表示 NAL Unit 若部分遺失是否影響到解碼

我們使用 Qualnet 4.0 [12] 所提供的 Traffic-Gen 模組讀取 packettrace 進 行可調性視訊傳輸的模擬，當模擬結束根據 sender trace 與 receiver trace 這兩 個檔案統計出 Packet Loss Rate 並產生 corrupted packet trace。再透過 Bit Stream Extractor 將 corrupted packet trace 所 提 供 的 資 訊 對 原 始 的 SVC bitstream 進行 discard 與 truncate 的動作，即可產生 resultant SVC bitstream。

最後 decoder 對 resultant SVCbitstream 進行解碼就能得到模擬結果的 YUV file。

5.2 模擬環境與參數設定

我們在 Qualnet 4.0 進行 unicast 可調性視訊傳輸模擬，QAP 與 QSTAs 皆 使 用 PHY 802.11b ，QAP 與 QSTAs 的 鏈結頻 寬是 2Mb/s 。QAP 與

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QSTA1 建立可調性視訊傳輸並傳送 background traffic 到 QSTA1、QSTA3 與 QSTA5，主要目的是要增加 virtual collision (不同存取類別的 backoff time 同 時結束) 發生的機會。其餘的 QSTAs(QSTA2 與 QSTA4) 則傳輸 background traffic 到 QAP 來增加網路負載 (network loading)。

可調性視訊封包與 background traffic (CBR = 300 kbps) 封包的大小為 1000 bytes，模擬的時間為 12.5 secs。進行可調性視訊傳輸時，每一個 NAL Units 皆包含 RTP/UDP/IP Header 其大小為 12 + 8+ 20 = 40 bytes。圖 5-2 說 明了我們進行可調性視訊傳輸模擬的環境設定，QAP 的媒介存取控制層參數 的設定請參考表 5-2。

圖 5-3 模擬環境

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表 5-2 QAP MAC Layer Parameter

5.3 模擬結果與分析

為了對跨層可調性視訊傳輸架構 (Cross-layer Arch.) 與 EDCA 進行效能 比較，統計基礎層封包 Packet Loss Rate (PLR) 的情況，並將傳輸完成的視訊 與原始視訊計算 PSNR 值。在 5.3.4 擷取部份實際的視訊畫面進行比較，而 5.3.5 則透過長時間的視訊傳輸模擬來驗證 Cross-layer Arch. 的可行性。

5.3.1 Packet Loss Rate (PLR)

每個 NAL Unit 會被切割成數個大小為 1000 Bytes 的封包進行傳送，我 們針對傳送每個基礎層畫面 (Frame) 傳送端的封包數與接收端的封包數進行 比較，得到 Packet Loss Rate 結果。如下圖 5-4 與圖 5-5，在不同 Queue size 的情形下 Cross-layer Arch. 皆能提供基礎層的封包極佳的保護，避免了基礎 層封包遺失 (PLR = 0 %)。而 EDCA 因為基礎層與增強層的封包放在同一個 存取類別 (AC2)，在存取類別佇列大小有限的情況下，基礎層封包遺失的情況 十分嚴重。

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圖 5-4 基礎層 Packet Loss Rate 比較 (Queue size = 25600)

圖 5-5 基礎層 Packet Loss Rate 比較 (Queue size = 50000)

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5.3.2 Peak Signal to Noise Ratio (PSNR)

PSNR 是一種客觀的視訊評估方式，將傳輸後的視訊畫面和原始視訊畫面 進行比較並計算出差異值，PSNR 值越高就代表失真越少。但並不能完全代表 人的主觀感受，PSNR 的定義如下 :

MSE dB PSNR

2 10

log 255

10

(公式 5-1) 1 2

0 1

0

) ' (

1 )

(

 







 

 ^m

j

ij ij

m

i

I n I

MSE m

(公式 5-2)

如圖 5-4 與圖 5-5 在不同存取類別佇列大小條件下，以編碼後的視訊 (encoded video) 為標準值 (Avg. PSNR = 39.8999 db)，進行比較發現使用 Cross-layer Arch. 的接收端視訊品質除了部分失真外，大部分皆與原始視訊品 質相同 (Avg. PSNR = 39.6634 db)；這是因為透過 Cross-layer Arch. 進行可調 性視訊傳輸充分利用可調性分層的特性，讓基礎層封包有較高的優先權，雖然 有部分增強層封包 (B3) 遺失，但是卻對視訊品質的影響不大。而使用 EDCA 的接收端視訊品質原始視訊品質差距相當大，這是因為基礎層的封包遺失不但 會使 Frame 遺失影響鄰近畫面的視訊品質，而且 I-frame 與 P-frame 的封包 遺失就會造成無法順利解碼的情況 (decoder crash)，如圖 5-6 當第 136 個畫 面 (P-frame) 有封包遺失，使得 Decoder 只能解碼到第 129 畫面。

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圖 5-6 PSNR 數值比較(Queue size = 25600)

圖 5-7 PSNR 數值比較(Queue size = 50000)

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從上述的模擬結果可以發現，使用 EDCA 的傳輸方式接收端無法順利得 到完整且高品質的視訊結果。JSVM 8.0 [11] 在 Decoder 端提供 frame loss 錯 誤修補 (error concealment) 的功能，可將遺失的空間可調性與時間可調性 (尚 未支援噪訊比可調性) 的 Frame 進行修補的動作。有關錯誤修補 (error concealment) 的詳細介紹請參考 [22]與 JSVM 8.0 [11]。經過畫面修補的 EDCA 傳輸結果如下圖 5-8 與圖 5-9，雖然 decoder 端提供了錯誤修補的機 制但仍然比 Cross-layerArch. 提供視訊品質差。

圖 5-8 使用 Error Concealment (Queue size = 25600)

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圖 5-9 使用 Error Concealment (Queue size = 50000)

5.3.3 影片實際撥放結果

除了客觀的比較 Cross-layer Arch. 與 EDCA 的 PSNR 值，也希望能從使 用者主觀判斷來比較。下圖 5-10，擷取第 89 畫面至第 93 畫面進行比較發現 Cross-layer Arch. 的確有較佳的視訊傳輸能力。

圖 5-10 實際撥放結果

5.3.4 長時間模擬

為了要驗證所提出的 Cross-layer Arch. 其傳輸能力表現並非是在系統初

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始的情況，我們使用連續六個 Foreman (288 x 6 = 1728frames) 並根據相同的模 擬設定來進行長時間模擬。如下圖 5-11，模擬的結果證明了 Cross-layer Arch.

在不同的視訊長度條件皆能有優異的視訊傳輸能力。

圖 5-11 長時間模擬結果

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6. 結果與討論(二)

為了驗證我們所提出來的動態優先權調整機制的優點，我們使用網路模擬 器 Qualnet 4.0 [12] 進行可調性視訊傳輸的模擬並且將我們所提出的動態優先 權調整機制與沒有動態調整的跨層架構加以比較。

6.1 可調性視訊傳輸模擬架構

圖 6-1 可調性視訊傳輸模擬流程

如上圖 6-1，進行可調性視訊傳輸的模擬可分成幾個步驟：首先，我們在 encoder configure file 內設定相關的參數 (參考表 6-1)使得 encoder 根據設定產 生 SVC bitstream (bit rate = 3464.19kbps)。

Input YUV foreman Frame number 300 Resolution CIF (352x288) Frame rate 24 (fps)

GOP 8

Intra period 24 Base layer QP 25 FGS layer(s) 2

表 6-1 encoder configure

產生 SVC bitstream 之後，我們使用 JSVM 8.0 [11] 提供的 Bit Stream

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Extractor 擷取 NAL Units 的資訊產生 packet trace (參考圖 6-2)。我們透過 packet trace 來提供模擬器視訊的相關資訊，欄位所表示的意義如下：

Packet

Length Lid Tid Qid Type

圖 6-2 Bit Stream Extractor 產生的 Packet Trace 格式

－Packet Length 表示 NAL Unit 的大小

－Lid 表示是否使用 Spatial Scalability

－Tid 表示是否使用 Temporal Scalability

－Qid 表示是否使用 SNR Scalability (FGS)

－Type 表示是屬於哪一種的 NAL Unit

我們使用 Qualnet 4.0 [12] 所提供的 Traffic-Gen 模組讀取 packet trace 進行 可調性視訊傳輸的模擬，模擬結束時根據 sender trace 與 receiver trace 這兩個 檔案統計出 Packet Loss Rate 並產生 corrupted packet trace。再透過 Bit Stream Extractor 將 corrupted packet trace 所提供的資訊對原始的 SVC bitstream 進行比 對與分析，即可產生 resultant SVC bitstream。最後 decoder 對 resultant SVC bitstream 進行解碼就能得到模擬結果的 YUV file。

6.2 模擬環境與參數設定

我們在 Qualnet 4.0 進行 unicast 可調性視訊傳輸模擬，QAP 與 QSTA 皆使 用 802.11b PHY，並啟動 Link Adaptation 機制使 QAP 與 QSTA 自動根據網路 情況選擇適當的傳輸速率，根據圖 6-3 可知道頻寬於 0 meter 至 240 meter 都維 持在最高，從距離 250 meter 處開始降低，所以我們於 250 meter 模擬 QAP 定 點傳送一部 12.5 秒 Foreman 的可調性視訊影片，傳送完 QSTA 往 QAP 的反方 向遠離 10 meter，於 260 meter 處再傳送一部相同的影片，如此重複模擬至 420 meter。可調性視訊的封包大小為 1000 bytes，模擬的時間為 15 秒。圖 6-3 說 明了我們進行可調性視訊傳輸模擬的環境設定，QAP 的媒介存取控制層參數 的設定請參考表 3-3。

0m 250m ^260m …… ^420m

QAP QSTA

圖 6-3 模擬環境

6.3 模擬結果與分析

為了對動態優先權調整機制與沒有動態調整的跨層架構進行效能比較，我

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們在 6.3.1 統計基礎層封包 Packet Loss Rate (PLR) 的情況，於 6.3.2 將傳輸完 成的視訊與原始視訊比對計算 Avg. PSNR 值。在 6.3.3 擷取部份實際的視訊畫 面以人的主觀判斷進行比較。

6.3.1 Packet Loss Rate (PLR)

每個 NAL Unit 會被切割成數個大小為 1000 Bytes 的封包進行傳送，我 們針對傳送每個基礎層、增強層一與增強層二 Frame 傳送端的封包數與接收端 的封包數進行比較，得到 Packet Loss Rate 結果。如圖 6-4，實線表動態優先 權調整機制的結果，虛線則沒有使用動態優先權調整機制，可看出動態優先權 調整機制皆能提供基礎層的封包極佳的保護，避免了基礎層封包遺失 (PLR = 0%)。而沒有動態優先權調整的跨層架構因為頻寬不足，基礎層無法取得更多 機會被送出，在存取類別佇列大小有限的情況下，基礎層封包遺失的情況十分 嚴重。

使用動態優先權調整機制於頻寬不足時為了讓基礎曾有更多機會送出資 料，所以讓增強層一送出資料的機會減少，因此在頻寬不足時動態優先權調整 機制增強層一的遺失較不用動態優先權調整機制高。

在距離 270 meter 至 310 meter 時，因能在基礎曾與增強層一不遺失的情況 下讓增強層二有更多機會送出資料，所以使用動態優先權調整機制時增強層二 的遺失較沒有使用動態優先權調整機制低。

Packet loss rate

0.00%

10.00%

20.00%

30.00%

40.00%

50.00%

60.00%

70.00%

80.00%

90.00%

100.00%

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 Distance (Meter)

Proposed Base packet loss rate Proposed Enh1 packet loss rate Proposed Enh2 packet loss rate Ori-EDCA Base packet loss rate Ori-EDCA Enh1 packet loss rate Ori-EDCA Enh2 packet loss rate

圖 6-4 有無使用動態優先權調整機制時各層 Packet Loss Rate

6.3.2 Peak Signal to Noise Ratio (PSNR)

PSNR 是一種客觀的視訊評估方式，將傳輸後的視訊畫面和原始視訊畫面

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進行比較並計算出差異值，PSNR 值越高就代表失真越少。但並不能完全代表 人的主觀感受，PSNR 的定義如下 :

MSE dB PSNR

2 10

log 255

10

(公式 6-1) 1 2

0 1

0

) ' (

1 )

(

 







 

 ^m

j

ij ij

m

i

I n I

MSE m

(公式 6-2) 進行比較發現使用動態優先權調整機制的接收端視訊品質於任何距離都 較沒有動態優先權調整的跨層架構好，這是因為透過動態優先權調整機制中根 據不同狀態調整優先權，使基礎層能於不遺失的情況下暫時停留在 Queue 中，

並讓增強層有更多機會被送出。而沒有動態優先權調整的跨層架構的接收端因 於 350 meter 後基礎層的封包遺失，B-frame 的封包遺失影響鄰近畫面的視訊品 質，I-frame 與 P-frame 的封包遺失更造成無法順利解碼的情況 (decoder crash)，所以我們只列出能正確解碼的 PSNR 值。

38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420

Distance(meter)

PSNR

Non-Dynamic Priority Adjustment Cross-Layer Arch

Dynamic Priority Adjustment Mechanism

圖 4-5 Avg. PSNR 數值比較

6.3.3 影片實際撥放結果

除了客觀的比較動態優先權調整機制與沒有動態優先權調整的跨層架構 的 PSNR 值，也希望能從使用者主觀判斷來比較。透過 JSVM 8.0 [11] 在 Decoder 端提供 frame loss 錯誤修補 (error concealment) 的功能，可對 I-frame、

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P-frame 與 B-frame 的封包遺失更造成無法順利解碼的情況進行修補，有關錯 誤修補 (error concealment) 的詳細介紹請參考 [22] 與 JSVM 8.0 Draft [11]。

下圖 6-6，擷取距離 360 meter 時 Frame #176 ~ Frame #183 進行比較發現動態 優先權調整機制的確有較佳的視訊傳輸能力。

Non-Dynamic Priority Adjustment Arch

Dynamic Priority Adjustment Mechanism

圖 6-6 實際撥放結果

6.3.4 狀態與時間關係

圖 6-7 為距離 420 meter 時狀態隨時間的改變，從圖中第 7 秒至第 12 秒可 看出系統一直處於 HH 的狀態沒有劇烈的變化，我們認為因為適當的 AIFS 設 定讓系統處於穩定的狀態，所以我們 AIFS 的設定是很適合於該狀態的。

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圖 6-7 420 meter 時狀態隨時間的改變

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計畫成果自評

在目前視訊傳輸應用需求不斷增加的環境下，可調性視訊編碼其分層編碼 的特性提供了視訊可調性的能力，使得在不同網路環境與播放能力的使用者皆 能 擁 有 良 好 的 視 訊 品 質 。 本 報 告 針 對 目 前 最 新 的 可 調 性 視 訊 編 碼 標 準 (H.264/SVC) 在 IEEE 802.11e QoS 架構下的傳輸現象進行探討，針對增強性 分散式頻道存取機制 (EDCA) 在不同的網路情況 (不同的頻寬) 傳輸可調性 視訊效果不佳的現象，提出採用動態優先權調整機制，提供基礎層與增強層差 異性服務達到提供服務品質的目標。

由於 H.264/SVC 可調性視訊編碼仍屬於制定草案階段，是一項相當新的 技術值得繼續探討。未來可調性視訊傳輸的應用與針對多種應用設計更可靠 (Reliable) 傳輸機制，都是未來值得繼續注意與研究的方向。