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專題研究計畫期中進度報告

在IEEE 802.11e 無線網路改善可調性視訊傳輸之跨層機制設計

Improving Scalable Video Transmission over IEEE 802.11e through a Cross-layer Architecture

計畫編號：97-2221-E-011-048-MY2 執行期限：97 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日 主持人：陳省隆 教授 國立台灣科技大學 電子工程系 共同主持人：

計畫參與人員：鍾惠如、彭崇聖、鄭福輝、詹育儒、陳銘賜

零、摘要

Joint Video Team (JVT) 針對 H.264/AVC 提出 了可調性視訊編碼 (Scalable Video Coding, SVC) 的修正草案，H.264/SVC。經過 H.264/SVC 編碼 後的視訊，可分成與 H.264/AVC 相容的基礎層與 具備可調性的增強層。可調性視訊能讓不同的用戶 端，依據本身的狀況或網路的頻寬獲得所需的視訊 品質。

本篇報告針對 H.264/SVC 在 IEEE 802.11e 傳輸的情況進行探討，並提出結合網路摘要層 (Network Abstraction Layer) 與 IEEE 802.11e 媒 介 存 取 控 制 層 的 跨 層 傳 輸 機 制 (Cross-layer Arch.)，依據可調性視訊封包的重要性提供差異性 服務。網路模擬器 Qualnet 4.0 模擬的結果，證明 我們所提出的方法可提供較佳的視訊品質。

關鍵字：可調性視訊編碼、IEEE 802.11e、可調性 視訊傳輸、跨層設計。

Abstract

The scalable extension of H.264/AVC, called H.264/SVC, is a current standardization project of Joint Video Team (JVT). An encoded SVC bitstream consists of an H.264/AVC-compatible base layer and one or more scalable enhance layers. In order to meet requirements of various clients, some scalable enhance layers can be truncated.

This report focuses on the investigation of H.264/SVC transmission over IEEE 802.11e through a cross-layer architecture. The cross-layer architecture, which interacts Network Abstraction Layer and IEEE 802.11e MAC layer, provides differentiation services according to the importance of scalable video packets. The simulations are conducted with Qualnet 4.0. The simulation results show that our approach provides better video quality.

Keywords: Scalable Video Coding, IEEE 802.11e,

壹、緣由與目的

1.1 研究背景

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 可提供服務 品質 (QoS) 的媒介存取控制層 (MAC layer) 相 繼問世，讓使用者能更順利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 1。

H.264/MPEG-4 AVC (簡稱 H.264/AVC) [3] 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，在 [4] 也提到 H.264/AVC 不僅可以 將資料量壓縮到只有MPEG-2/H.262 [5] 資料量的 一半並且具有網路親和性 (Network-friendly) 與 抗誤性 (Error Resilience) 的特點。

圖 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 輸時視訊伺服器必須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 同一部視訊必須儲存數個 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) 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 [5]、H.263 [7] 與 MPEG-4 Visual [8] 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可調性模式必須犧牲壓縮 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 Standard)，簡稱 H.264/SVC (最新的修正草案請參 考 [9])。

1.2 研究動機與目標

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 [10-12] 。 因 此 我 們 使 用 Joint Scalable Video Model (JSVM 8.0) [13] 與網路模擬 器 Qualnet 4.0 [14] 來模擬可調性視訊在 IEEE 802.11e [15] 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 Architecture)。根據我們所提出的對應 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) 提供基礎層與增強層不同等級的服務品質 (Quality of Service, QoS)。

1.3 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 2)，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)、噪訊比可調性 (SNR Scalability)。

圖 2： H.264/MPEG-4 SVC Architecture [12]

1.4 時間可調性

H.264/SVC 採 用 與 H.264/AVC 相 同 的 Hierarchical B Picture 方 式 進 行 motion compensation，(如圖 3) 在 Group of Picture 內除了 I-frame 之外，其餘的 frame 都必須參考鄰近的 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

1.7 IEEE802.11e 無線網路

性。

IEEE 802.11 (Wi-Fi) 是廣泛被使用的無線網 路通訊協定，市面上許多產品都支援 IEEE 802.11 協定，其傳輸速率以IEEE 802.11a 與 IEEE 802.11b 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5，IEEE 802.11e [15] 提出的增強性分 散式頻道存取機制 (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 [15] 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 則分別提供給 best-effort 與 background 資料使用。

圖 3： Hierarchical B Picture [13]

1.5 空間可調性

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 4，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 4： 空間可調性 圖 5： 增強性分散式頻道存取機制 (EDCA)

1.6 噪訊比可調性

Contention Window (CWmin 與 CWmax)：表示隨機 backoff time 的最小與最大值，backoff time 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。

噪 訊 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。噪訊比可調性 常與空間可調性結合，示意圖請參考圖7。

Arbitration Interframe Space (AIFS)：如下圖 6，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。

圖 6： EDCA timing diagram [15]

1.8 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，[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，使用 H.264/AVC 提供 的抗誤性工具 (Data partitioning) 將視訊進行切割 成不同 slice 並依據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，提出跨 層可調性視訊傳輸機制。

貳、研究方法

目前在 IEEE 802.11e 媒介存取控制層的架構 下，可調性視訊的基礎層和增強層封包會被放在同 一個存取類別等待傳輸機會，這樣的方式並沒有考 量到基礎層與增強層不同的重要性。因此我們提出 跨層傳輸架構結合了H.264/SVC (視訊編碼層與網 路摘要層) 與 IEEE 802.11e 媒介存取控制層，將 基礎層與增強層封包對應到不同存取類別提供差 異性服務。

2.1 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 7)。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 7： 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 8) [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。

圖 8： NAL Unit Header format

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 Unit Type (TYPE)。第二個 Byte 包含了 Reserved Bits (RR)、Simple Priority ID (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)、Fragmented Flag (G)、

Last Fragment Flag (L)、Fragment Order (FO)、

Extension Flag (E)。

2.3 對應演算法 (Mapping Algorithm)

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 1 (Priority 值越大越重要)。

如表 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 [20] 的 dropping 演算法將 B3 的增 強層與 background traffic 對應到 AC0。下圖 9 為 我們提出的跨層可調性視訊傳輸架構 (Cross-layer Arch.)。

Slice

Type TL Priority I, P 000 3

B1 001 B2 010 B3 011 2

000 001 PR 010

011 1

表 1： Slice 優先權

2.2 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 IEEE 802.11e 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 Units Header 的資訊就能達到提供差異 性服務的目標。

圖 9： 跨層可調性視訊系統架構 (Cross-layer

Arch.)

叁、模擬結果與分析

TL DID QL Access Category

000 000 00

001,010,011 000 00 2 000,001,010 000 01 1

011 000 01 0

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 [14]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。

表 2： Mapping Algorithm

3.1 可調性視訊傳輸模擬架構

-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 [14] 所提供的 Traffic-Gen 模 組讀取packet trace 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 SVC bitstream 進行解碼就能得到模擬結 果的YUV file。

圖 10： 可調性視訊傳輸模擬流程

如上圖 10，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 3)使得 encoder 根據設定產生 SVC bitstream。

3.2 模擬環境與參數設定

Input YUV foreman Frame number 300

Resolution CIF (352x288) Frame rate 30 (fps)

GOP 8 Intra period 24

Base layer QP 30 FGS layer(s) 1

Bit Rate 911.36 kbps

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 2 Mb/s。QAP 與 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)。

表 3： encoder configure

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 12 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 4。

產生 SVC bitstream 之後，我們使用 JSVM 8.0 [13] 提供的 Bit Stream Extractor 擷取 NAL Units 的 資訊產生packet trace (參考圖 11)。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 11： Bit Stream Extractor 產生的 Packet

Trace 格式

-Start Pos. 表示 NAL Unit 在 bitstream 的起始位 置

圖 12： 模擬環境 Cross-layer Arch.

Access Category

AIFS

(μs) CWmin CWmax

Retry limit

Queue Size (Bytes) AC3 50 7 15 7 50000 25600 AC2 50 15 31 7 50000 25600 AC1 50 31 1023 7 50000 25600 AC0 70 31 1023 7 50000 25600

EDCA

AC2 50 15 31 7 50000 25600 AC0 70 31 1023 7 50000 25600

表 4： QAP MAC Layer Parameter

3.3 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 3.3.3 擷取部 份實際的視訊畫面進行比較，而 3.3.4 則透過長時 間的視訊傳輸模擬來驗證 Cross-layer Arch. 的可 行性。

3.3.1 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 13 與圖14，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。

圖 13： 基礎層 Packet Loss Rate 比較 (Queue

size = 25600)

圖 14： 基礎層 Packet Loss Rate 比較 (Queue

size = 50000)

3.3.2 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 1)

1 2 0 1 0

) ' ( 1 )

( ∑ ∑⁻

=

−

=

× −

= ^m

j

ij ij m

i

I n I

MSE m

(公式 2)

如圖15 與圖 16 在不同佇列大小條件下，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 15 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。

圖 15： PSNR 數值比較

(Queue size = 25600)

圖 16： PSNR 數值比較(Queue size = 50000)

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 [13] 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 [21]

與JSVM 8.0 [13]。經過畫面修補的 EDCA 傳輸結 果如下圖 17 與圖 18，雖然 decoder 端提供了錯 誤修補的機制但仍然比 Cross-layer Arch. 提供視 訊品質差。

圖 17： 使用 Error Concealment

(Queue size = 25600)

圖 18：使用 Error Concealment

(Queue size = 50000) 3.3.3 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 19，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 19： 實際撥放結果

3.3.4 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始的情況，我們使用連 續六個Foreman (288 x 6 = 1728 frames) 並根據相 同的模擬設定來進行長時間模擬。如下圖 20，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 20：長時間模擬結果 肆、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。本論文針對目前 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) 傳輸可 調性視訊效果不佳的現象，提出採用跨層傳輸架構 (Cross-layer Arch.)，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，實驗證明，我們所提 出的方法可提供較佳的視訊品質。

第二年將提出動態優先權調整機制，在各種變

動情況下提供差異性服務。

伍、參考文獻

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