P2P和MPEG的投篮编码:一个好的食谱多点视频在互联网上传播

文摘

在过去年点对点(P2P)系统获得了地面之间的内容共享社区,在互联网上确定一个真正的革命。P2P系统的特点使他们一个很好的选择在IP网络多媒体内容分发。然而,尽管P2P技术提供了新的机会来定义一个高效的多媒体流媒体应用,同时涉及到一系列的技术挑战和问题由于提供的最优服务网络和其动态和异构性质。存在的协议对P2P视频通信的主要关注树拓扑维护,没有任何关注编码问题。本文的想法提出一个多点视频播放框架在一个异构的内容分发P2P网络。提出系统源代码生成视频流量通过使用一个mpeg - 4 /投篮编码器,以这样一种方式,没有损失发生在Baselayer流即使在短期带宽波动的存在。虽然在过去的投篮没有使用由于其编码复杂度,今天,由于硬件技术的进步,我们可以开发一个mpeg - 4 /投篮编码器在低成本电脑上更可行的和吸引人的灵活性。投篮层发送连同基地层,但优先级较低。源使用速度控制器来调节基本层的编码速率。这一目标,一个协议被定义为了提供相关信息的来源最严格的瓶颈链路的覆盖网络。 A technique to reorganize the content distribution tree is proposed and discussed. To evaluate the performance of the proposed framework a case study is introduced; improvements obtained with respect to several reference cases where FGS is not applied are also shown.

1。介绍

近年来,随着宽带接入的广泛部署,在网络上播放视频传输是变得越来越流行1]。这样的一种系统的主要问题是当前互联网上实现多点沟通,本地不支持它。第一代的这种系统使用最广泛的方法是雇佣的多个并行单播流。根据这种方法,每个接收机多媒体数据传输的源点对点的方式:每当一个新的客户端访问服务,专用流分配到最后的连接。然而,由于这种方法需要一个单独的流带宽为每一个客户,多媒体源和消耗网络带宽资源不可避免地与用户人口呈线性增长。因此这种方法不是可伸缩的用户数量,因此不可能视频播放场景,在用户的数量是非常高的。

第一个解决方案的可伸缩性问题是IP网络多播的应用。通过这种方式,与多个并行单播传输,可以共享多播多媒体流不止一个接收器。网络交换机/路由器的多播视频自动复制多个接收者在不增加任何额外的流式多媒体服务器上的工作负载。然而,IP多播不是广泛部署,主要是由于实际和政治问题。例如,多播不可用在许多低成本的互联网接入点,像国内ADSL。

同时,点对点(P2P)系统获得了地面之间的内容共享社区,在互联网上确定一个真正的革命。与传统的分布式系统,P2P网络自组织网络,聚集大量的异构计算机称为节点或同行(节点和同行将摘要交替使用)。在P2P系统中,同行可以直接相互通信数据共享和数据交换。同行也分享他们的通信和存储资源。

P2P系统的特点使他们一个很好的选择视频播放在IP网络(2]。根据P2P方式,同行感兴趣相同的视频传输自己组织成一个应用层多播树。应用层多播树中的对等接收视频数据包从父母,然后复制,并将它们转发给它的孩子3,4]。覆盖网络的同行合作,他们共享数据和交换控制信息。多种协议提出了在以前的文献管理树形结构叠加网络视频播放(5- - - - - -8]。

然而,尽管P2P技术提供了新的机会来定义一个高效的多媒体流媒体应用,与此同时,它涉及到一系列的技术挑战和问题由于最优和动态特性的网络,提供的服务和所使用的终端客户的异质性来访问服务。首先,虽然同行通过不同的访问访问网络与完全不同的带宽特性,通常由上行连接,P2P通信基础设施往往是建立在一个覆盖网络的拓扑结构不依赖于底层的物理网络。秒,网络带宽,延迟和损失的行为迅速改变。最后,但并非最不重要的是,大量的不同的终端是越来越流行,从强大的高性能家庭接收器移动手持视频设备;他们呈现不同的功能和需求在接收和解码视频内容。

工作(9]描述了先进的策略,允许高效的流媒体解决方案的部署在P2P系统中,专注于交付体系结构和自适应流机制。这些解决方案使resource-demanding和delay-constrained应用在非结构化网络,并展示强大的P2P的范式,以及自适应流机制,为低成本而有效的多媒体通信提供一个有趣的替代应用程序。

在这种情况下,许多其他协议建立了P2P定义在过去的几年里。不幸的是,他们中的大多数主要相关维护树的拓扑结构(见[10为进一步的细节);他们没有集中的编码方面,尤其是在异构和动态场景考虑本文的基本问题,必须非常小心。事实上,一个共同的假设都是源应该视频编码流瞬时的知识网络带宽的点对点连接树,根据带宽变化和修改它的输出率。否则,如果没有可用瞬时链路带宽的知识来源,应该执行编码的平均质量,提供

(我)“好”同行(即。,peers with a high-speed Internet access and a high-performance receiver device) with a bandwidth waste and an inadequately low-quality level,(2)“坏”同事(例如,同行与手持设备访问服务,或与低利率上网链接)和不可预知的大量损失。

然而,即使当源知道每个链接的瞬时带宽分布树,编码比特率的决定是非常困难的。事实上,避免损失的解决方案将遵循最坏的同行,但在这种情况下播放视频的整体质量应该由他们:一个同行一个非常贫穷的带宽能够显著降低视频的质量受到其他同行。

一些罕见的情况下会计工作在P2P多点视频视频编码分布出现在文学,但他们通常限于nonrealtime视频点播(VOD)应用程序。例如,[11)提出了一种P2P多播协议,分析了收益,视频编码和优先级数据包调度在应用程序层可以使整个流性能。率失真模型,该模型预测的端到端视频质量,提出了在throughput-limited环境中,使用源应用h和SP和SI帧编码自适应停止错误传播由于丢包。然而,在这篇论文,重传请求签发接收主机用于恢复最重要的丢失的数据包同时限制诱导拥堵,因此不能应用在视频播放场景,在重发可能会造成不可接受的延迟抖动。

记住这一切,本文应用细粒度可伸缩性(投篮)编码12- - - - - -17对视频传输)。投篮是一个可伸缩的分层视频编码的进化;定义了一些年前提供多媒体应用在异构网络环境中不同带宽和损失的行为。

投篮流只有两层:一层基础,必须收到可能视频解码,以及增强层,从今以后表示投篮层,可提供选择,带宽是可用的。的投篮让源的相对大小调整基础和投篮层,因此允许投篮层被拆分和允许解码器解码收到的任何部分的投篮层。源或任何中间节点负责。

本文的作者认为,尽管不是广泛应用在过去由于它编码的复杂性,今天,由于硬件和软件技术的发展,出现的投篮很好和可行的解决方案为不久的将来多点多媒体广播系统。此外,(18)是一个2006年发明披露方法、设备和系统有效细粒度的可伸缩性编码和解码的视频数据。

事实上,mpeg - 4的投篮编码器由作者能够在实时视频编码和解码。Visual c++实现的编码器一直使用英特尔集成性能原语(英特尔IPP) [19),一个广泛的图书馆multicore-ready,高度优化的多媒体数据处理软件功能,和通信的应用程序。运行在起步阶段双核个人电脑配备2 ?GB内存,它能够编码约100 ?fps和解码400呢?fps CIF视频流。

本文的目标是提出一个多点广播视频传输框架在一个异构的内容分发P2P网络。更具体地说,这项工作的目的是使以下贡献:

(我)启动和鼓励应用rate-controlled投篮编码在P2P网络广播视频传输;我们所知,这是第一次使用这样的一个想法;(2)定义架构和提出广播P2P平台的网络管理协议;(3)分析和讨论一种算法来管理P2P网络树拓扑结构在一个案例研究中,让读者有可能改变和调整算法参数根据感兴趣的领域:那些想使用建议的体系结构可以自由决定来定义任何其他树拓扑管理协议和应用,描述的拓扑管理实体。

提出平台源代码生成基础层的mpeg - 4流以这样一种方式,没有损失发生在基础层流即使在短期带宽波动的存在。投篮层发送连同基地层,但优先级较低。这样,通过瓶颈链接连接到其他的同龄人保证一个有效的传播基地层,丢弃只有部分的投篮层。

源使用速度控制器来调节基本层的编码速率。定义的协议是为了提供相关必要的信息来源最严格的瓶颈链路的带宽。框架是一个树形结构P2P网络,和任何树建设和管理协议(5- - - - - -8可以采用)。

介绍了一个案例研究来评估拟议的框架的性能和改进获得关于参考的投篮不是应用的案例。

本文的结构如下。部分2投篮的简要描述。部分3描述了该平台和协议的定义。部分4分析一个案例研究;首先,我们实现了模拟器工具生成带宽流程覆盖网络层面。然后,统计分析的性能在覆盖网络和应用程序将进行水平。具体地说,在接收端性能计算分析视频,同时会计框架和编码PSRN损失。性能比较与其他平台是为了评估,提出改进。最后,部分5总结了纸。

2。的投篮:概述和一些统计数据

在本节中,我们将提供一个简短的概述的主要特征的投篮编码技术为了方便的理解论文的其余部分。更详细的描述的投篮,读者被称为(12- - - - - -14]。

投篮是一个可伸缩编码技术。一般来说,有三种类型的可伸缩性,也就是说,时间可伸缩性、空间可伸缩性和信噪比可伸缩性。在所有的三个案例,基础层图片编码是基于二次抽样与更少的帧率(时间可扩展性),较小的图片大小(用于空间可伸缩性),或粗图像质量(信噪比)可伸缩性。高质量的视频是通过两者的结合基础和投篮层。

投篮是一个可伸缩的分层视频编码的进化。出现在异构网络环境中提供多媒体应用与不同带宽和损失的行为。这是定义在[13)的主要目标实现之间的良好平衡编码效率和可伸缩性。

其编码的目的是覆盖任何所需的带宽范围内,同时保持一个非常简单的可伸缩性的结构。投篮的基本思想是将视频序列编码为两层,一个基本层和增强层,以下称为投篮层。使用mpeg - 4编码:基础层是获得一个经典的mpeg - 4编码器使用nonscalable编码,而投篮层编码使用细粒度的计划。后者编码的区别原始图像和重建一个使用DCT系数位平面编码。

投篮的一个重要应用方面多次反射和异构的带宽连接;在这种情况下,每个节点可以截断所期望的地方。编码器需要知道它的最小带宽代码内容。投篮的位流层可能被截断通过中间节点到任意数量的位/图片。解码器能够重建一个增强视频相结合基础层和截断的投篮层接收比特流。FGS-layer视频质量成正比解码器的解码的比特数为每个图片。

源而言,编码是可行的离线和在线,由于新的硬件和软件程序的可用性。

本文的观点是mpeg - 4的投篮编码申请视频传输,它允许中间节点的位流截断每一帧在任何时候,因此只有退化当前可用带宽的质量成正比。基础层的mpeg - 4流生成以这样一种方式,它编码带宽有点低于当前的最小带宽的树。因此损失可以忽略不计的基础层流即使在短期带宽波动的存在(具体地说,在我们的系统基本层帧生成最小链路带宽的90%在整个网络)。投篮层发送连同基地层,但优先级较低。通过这样做,通过瓶颈链接连接到其他的同龄人保证传播的基础层,丢弃只有部分的投篮层。

这个方案是描绘在图1在树上,帧传输的一个例子是描述。所传输的帧比特沿着树是由矩形:浅灰色的部分框架代表基础层的部分,也就是在所有的链接从源到网络中所有的同行。FGS-layer部分的框架是用深灰色的部分表示,与长度成正比的比特数转发到下一个帧间隔内同行在树上。每个链接显示树的两个连接节点之间的传输带宽;具体来说,表示每个节点上行带宽的带宽是朝它的孩子。在此图中我们可以观察到更高级别的同事收到更大数量的部分,因此,一个更好的质量;沿着树在每个瓶颈上行质量降低。在这个例子中,基本层的编码为0.5 ?甚至Mbit / s的方式最差的,即节点连接树中的父,能够收到它没有损失;质量被大于被因为FGS-layer丢弃的部分由于链接的带宽值,低于链接。当然,性能被每一个同行,因此,提出了系统的总体性能深受树中的每个点的位置,和树拓扑结构本身。出于这个原因,树组织策略起着重要的作用在整个系统的性能,并将深入讨论相关问题部分3.3。

3所示。系统描述

本节的目标是描述我们提出的系统。这是一个视频直播平台,视频视频源分配到的客户数量多点的方式。多点通信是通过应用P2P方式,配置一个树形结构覆盖网络的根在哪里视频源,而另一客户,从今以后称为同行,内部节点或树叶。特别是,部分3.1和3.2分别呈现视频源的结构和通用的对等;部分3.3描述了算法用于组织覆盖树。

3.1。视频源的架构

视频源的结构如图2。可以看到,它是核心mpeg - 4 /投篮视频编码器,收到原始视频流mpeg - 4视频输入和生产流程,由两个单独的流,一个基本层和一个投篮层。一个复制因子需要为了创建尽可能多的流(基地和投篮层)作为源的孩子的数量;这个数字是由所谓的扇出参数的上界,定义为最大上传连接每个同行都可以支持在覆盖网络层。产生的碎片在每一帧间隔中排队基础层缓冲和FGS-layer缓冲分别以避免可能的损失。然后他们被一个第一分组数据包包化接下来,发送到原调度器应用循环严格的优先级调度算法,考虑第二个缓冲区中的数据(投篮层流)只在第一个(基础层缓冲区)是空的。更具体地说,缓冲为主I-frames接收,因为他们是最重要的部分中讨论4.4。2。在每个共和党,如果缓冲区包含数据(基础和投篮层)他们清空,以避免过度缓冲延迟。最多2流来自这些缓冲区到结束交流调度器,加权轮循算法适用于发送的流的带宽量成正比的上行带宽估计对每个孩子的源。

位的数量用于基地层,和相关的编码质量,是决定的速度控制器通过量化器参数,选择的范围1 - 31:越大价值,贫穷的编码质量。像往常一样,它使用电影被编码的率失真曲线(20.- - - - - -22]。

的速度控制器获得所需信息的带宽带宽的数据管理器。后者定期接收到源的孩子上行带宽估计的带宽估计量同时,其他同行的上行带宽估计的内部节点树(参见的图2或的图3)。

的是选择的速度控制器使用上行带宽估计之间的最小值由树中的所有的同行在每个时间间隔。

EWMA过滤器
为了避免过分强烈的编码质量和系统振荡行为,带宽值第一次与一个exponentially-weighted平滑移动平均(EWMA)滤波器参数,定义如下: 在哪里和过滤的带宽和更新事件,的瞬时带宽吗更新事件,是过滤的速度控制器参数的范围是在0和1之间;的值接近1提供更多带宽的历史过程的重要性,实现这一过程不太敏感的高“频率”(因此能够平滑的短期变化),但是有慢对带宽变化的反应;相反,价值很低给最近的措施更为重要,实现更大的响应变化过程。在我们的实现中,我们使用了速度控制器EWMA (),。

另一个重要的阻碍在视频源架构拓扑管理器决定和维护树网络拓扑通过决定树中的每个点的位置。它接收到的上行带宽的同行带宽的数据管理器,实现一个算法来管理同行抵达和起飞事件。详细的拓扑管理器负责以下任务

来了一位新的同伴,这对等问题承认请求拓扑管理器以接收位置在当前树和同行的IP地址,将它的父母。拓扑管理器发送的新的点对父节点的IP地址。具体地说,父节点插入新的子的复制因子的IP为了创建另一个新的子包的副本。父节点也创建了一个新的缓冲对(基本和投篮层)的新的子,和包化和交流通信调度程序来处理新节点。后者会被插入到加权轮循缓冲区。最后,它的父节点插入IP带宽估计的新孩子。

当现有的同伴离开,刚刚描述的过程对同行的到来正好相反。的父节点删除复制因子的IP离开同伴。也取消缓冲对(用于基础和投篮层)和通信包化和交流调度器停止供应它古老的子节点。离开的IP同行也从带宽估计量。

当拓扑管理器接收到的上行带宽的信息对等,定期(在我们实现我们已经考虑了一段时间的秒)它更新和优化树。为此,使用相同的信息接收的带宽的数据管理器,它实现了一个算法来管理拓扑修改后运行时带宽变化。避免强烈振动的同行在更新后的拓扑重组他们时,接收到的带宽值首次超过了下EWMA过滤器,所谓的拓扑管理器EWMA ()滤波器,该作品中定义的(1)与参数(在我们的实现中,我们使用)。

3.2。一个通用的对等的体系结构

通用的体系结构对等如图3。主要执行三个函数:

(1)视频结束,(2)转发,(3)带宽估计。

视频比特流,组织在IP数据包的接收数据包分类器、细分和排队在两个不同的缓冲区,根据数据包的类型:基础层和投篮层。同时,包到本地mpeg - 4 /投篮视频解码器回放。至于源的情况下,需要一个复制因子块为了创建流(基地和投篮层),每个孩子的一个通用的对等。产生的碎片在每一帧间隔中排队基础层缓冲和FGS-layer缓冲,分别。两个缓冲的原调度器正如前面讨论的来源。当然,如果估计已经正确,基本层将找到足够的带宽传输渠道,并且不会产生任何包丢失。另一方面,每一帧的FGS-layer比特将队列的共和党,最后只传输,传输后的基础层的帧相同的共和党。如果共和党传输的时间流逝的新框架下一个共和党的到来,清空缓冲区删除其余的前共和党。因此进行平滑操作提供基本层具有更高的优先级。

出于这个原因,正如前面已经讨论过的,树的下级解码质量会更糟。每一个流来自这些缓冲区,一起发送的对等拓扑信息拓扑管理器的来源,最终变成一个包化负责包创建和传播在互联网上。数据包被发送到交流调度器,讨论了源,应用加权轮循算法和服务每个流的带宽成正比的上行带宽对每个源的孩子。

除了视频上演和转发,由每一个同行的另一个重要功能是上行带宽估计对他们的孩子。这个任务是由带宽估计量,定期发送估计带宽值带宽的数据管理器讨论的源视频源图的图2。这个函数的目的是实现最佳的性能在中小型网络。相反,如果我们认为大型网络,算法可以更加可伸缩略有修改,但性能下降。这部分的系统是完全通用,可以插入任何带宽估计算法。它的选择超出本文的目的。此外,一个复杂的算法来预测带宽在短期或中项(23,24可以应用。

3.3。组织树的

为了我们的协议工作有效地运用投篮,很明显,一个节点上行带宽较低的行为作为一个瓶颈;如果是位于树的上方会惩罚它的后代。因此,最好的同行应该位于树的顶端。

出于这个原因,考虑到链路带宽变化随着时间的推移,拓扑管理器优化树拓扑运行时,为了避免配置与瓶颈在树的最高水平。我们假定每个对等的下行带宽高于相应的上行带宽。事实上:

(1)有很多场景(例如,ADSL)的上行带宽小于下行带宽;(2)的上行带宽共享树节点,而每个对等的下行带宽使用作为一个整体来连接他们与他们的父母。

拓扑管理器获取带宽估计每一个秒(在我们实现系统)秒。然后,每秒(在我们的实现中)它更新树拓扑如下:它选择同行最高的上行带宽,并将它们作为孩子的来源。然后,对于每一个同行,重复同样的操作,选择next同行最高的上行带宽。此算法递归地运行,直到所有的同行在树中的位置。进一步优化带宽性能和平衡树,节点在过去的水平(树叶)在同龄人中均匀分布在树的上层(父母节点)以循环方式;这就避免了一些同行的情况是重载的上行带宽而其他人没有。图4显示了一个示例的树构建解释说,24同行

基本上,这棵树是平衡和完整(所有水平充满底部水平除外)。

让我们注意,拓扑结构的变化可以是有害的,对视频解码的同行;改变他们的位置在树上可以导致延误的突然变化,因此增加了延迟抖动。此外,我们注意到,这不会发生只有当一个对等层次树中的变化,而且如果它改变它的父母或一个水平或前任的前任变化。然而,两个重要的观察结果可以支持这样一个策略:

(1)因为带宽值传递拓扑管理器EWMA(下)滤波器(参见4),这种策略不受偶尔带宽变化的影响。树拓扑的变化发生在严重和持久的带宽变化的事件;在这种情况下,可能会优化性能的改变;(2)拓扑变化造成的延迟抖动可以恢复在目的地通过智能补偿的应用程序缓冲区和自适应媒体发挥技术(见例如,[25,26])。

另一个观察是间隔时间和,参数的EWMA过滤器使用在我们的实现中选择经验经过大量的试验,以优化系统响应之间的权衡网络带宽变化和交通信号的数量。

4所示。案例研究

在本节中,我们定义了一个案例研究分析该系统的性能。目标是演示获得通过运用投篮编码对古典视频流P2P的峰值信噪比(PSNR)评估视频流从每个同行在目的地。更具体地说,部分4所示。1介绍了我们的案例研究;部分4所示。2描述我们发达的带宽代模拟器生成过程的上行带宽叠加网络水平;部分4所示。3分析了考虑序列的统计;部分4所示。4既包含覆盖网络行为分析的结果和性能分析在应用程序级别。最后,部分4所示。5显示了该平台的比较,我们提出本文对当前使用的其他方法。

4.1。案例描述

根据我们说在前一节中,我们考虑一个视频发布平台和集中控制的拓扑管理器。

我们假定所有的同行,包括源、扇出参数,设置相同代表同行的最大数量,可以附加在分布树的孩子。

我们将进行稳态分析,假设网络中同行的数量,以下简称整个仿真时间,保持不变。这样我们的研究不依赖于特定的算法用于管理拓扑结构对等的到来或者离开时发生。因此,拓扑管理器的唯一工作是重新排列树根据带宽的变化。暂时的同行的管理将在未来的工作部分进行讨论。

同伴被分组在不同的类,每个特点是不同的互联网访问链接的表演,和不同的上行带宽的平均值。正如前面解释的,每个对等的下行带宽被认为是远远高于相应的上行带宽。因此,在本节中,我们将参考上行带宽的带宽,除非明确提及。类是组织减少平均带宽值:例如,同行在第三类的带宽值比同行高第四类。我们假定源是一个高带宽服务器的上行5 ? Mbit / s。

4.2。带宽代模拟器

在真实场景可用带宽明显同行(例如,ADSL访问国内连接)可能是不真实的,和同伴可以利用只有一小部分,例如由于密集使用文件共享程序或带宽与其他用户共享同一局域网。出于这个原因,为了模型带宽变化以现实的方式,我们意识到带宽一代模拟器在覆盖网络的水平。它创建所需的带宽序列首先生成中间序列,通过使用修改后的版本的切换批量伯努利过程(SBBP)(见[20.,27]),最一般马尔可夫调制过程在离散时间域。然后它创建最终序列通过应用EWMA滤波器,在下面显示的带宽变化EWMA ( ),参数(在我们的模拟(见部分3.1细节的EWMA过滤器)。这EWMA滤波器应用于临时序列生成的第一步,实现最终的平滑痕迹。因此,每个对等的上行模拟级联有两块:一块带宽发生器和一个过滤块所需的平滑获得所需的动力。上行带宽的带宽生成工具和过程用于所有可用的模拟是在[28]。

的第一步生成算法如下。让是泛型类,与类似的互联网访问,分组同行,让通用的对等属于类。

让上行带宽对等的过程。

这个过程将被视为调制潜在状态的马尔可夫链,意思是永恒与平均值geometricall-distributed随机变量,承担同样的所有类。一旦潜在的马尔可夫链状态,它移动到另一个国家使用相同的概率。为此我们定义的通用元素潜在的马尔可夫链的转移概率矩阵如下:

在通用的马尔可夫链的持久性状态,,在槽上行带宽的值,,根据高斯分布随机选择依赖政府的平均值,等于平均上行的中间状态和标准偏差。

在我们的案例研究使用了一个槽的持续时间1秒,状态的马尔可夫链的数量每个州,平均持续时间的永恒的底层的马尔可夫链槽,? kbit / s。

让我们强调,上述带宽一代技术和价值观只是提供成果的再现性:可以使用任何其他带宽生成过程。事实上,作者应用了其他带宽过程,提供了同样重要的结果,导致下面讨论的相同的结论。

4.3。统计分析的序列

实验的所有纸我们已经考虑一个序列的视频“地球BBC纪录片”。有20分钟时间序列和编码QCIF格式,帧速率的25帧/秒,和使用群IBBPBB图片(共和党)结构模式。为了完整性,在本节中,我们展示这个序列的统计分析。

第一个参数我们分析序列的活动过程,这是一个空间属性:空间频率范围越大,越大的活动。活动有很强的对编码的行为结果的影响,在当前帧大小和PSNR:帧与更高的活动有更高的大小;另一方面,如果一个速度控制器应用于控制帧大小,帧与更高的活动呈现较低的PSNR值。活动是由电影的场景,和不依赖于编码技术和编码过程中使用的参数。考虑的时间行为序列如图5,连同它的一线和二阶统计概率密度函数(pdf)和归一化自相关函数。图6介绍了率失真曲线,计算在20.- - - - - -22基础层和整个序列(后者是聚合的基础和投篮层)。曲线代表帧的大小(数字6(一)和6 (b))和PSNR(数字6 (c)和6 (d)三种编码模式)(,和)作为量化器规模参数的函数,qsp。强下降的曲线为低价值的行为在图6 (b)将基本层的相应行为在同一范围内,由于基极层是主要的投篮层在这个范围内。在图6 (d)我们可以观察到,正如所料,投篮层的存在可以让整个序列的质量达到一个高价值即使基地层与高值的编码,因此整个PSNR值几乎是独立的规模使用的量化器。由此可见,低价值将增加的帧大小基础层太多,导致潜在的框架损失带宽的振荡;另一方面,高值的大小会增加聚合的基础和投篮层传输和降低PSNR。然而,在后者的情况下,编码流更健壮的网络损失,多亏了更高比例的投篮,可以在任何时候被截断的流。因此,在现实场景中,带宽的振荡,这是明显的速度控制器的重要性:根据带宽,它必须确定基地的规模,因此投篮层的大小,为了最大化的编码质量,但帧尽可能减少损失。由于这个原因,在我们的分析,我们将考虑以下simultanously服务质量(QoS)方面:

(1)在源端编码质量;(2)网络中损失比例。

事实上,它是一种误导考虑峰值信噪比(PSNR)参数的唯一来源,也就是说,所有的帧编码源,因为感知在目的地强烈退化如果网络质量损失发生。另一方面,它也是误导平均PSNR只有廉洁收到帧,因为在这种情况下,估计结果不公平的(例如,因为劣质的框架是小,因此更有可能收到)。出于这个原因,为了考虑到编码质量和帧速率同时降低,我们已经使用了质量参数,定义在[29日通过启发式公式,模型整体视频质量在目的地的函数的平均PSNR dB接收的帧,帧速率。更具体地说,质量参数定义如下: 在哪里psnr值目的地的PSNR值测量平均只有在接收到的帧的目的地,fr是接收到的视频序列的帧速率在目的地,不包括框架损坏由于损害网络基础层的损失。的常系数(3)计算(29日)通过评估获得的数据集在一个调查中,假设5的最低可接受的帧速率?帧/秒。根据上述定义,PSNR和目的地的帧速率越大,越大参数。图7显示了框架和损失百分比对平均可用的网络带宽的不同的值qsp。负的代表一个解码帧速率小于5的目的地?fps,最小阈值在[29日一个可接受的质量。

4.4。数值结果

本节包含有关覆盖网络行为分析的数值结果(部分4.4。1在应用程序级别),性能分析(部分4.4。2)。

4.1.1。覆盖网络行为分析

这里我们将显示结果在一些同行随机选择相应的类的代表。他们的上行带宽使用部分中描述的工具生成4所示。2。

我们有固定的同行的数量到85年,包括源,并分析了三个不同的扇出参数值的性能,。84同行(源已被视为高带宽服务器5 ?Mbit / s上行)随机选择从五个不同类型的同行(在不同的课程有不同的范围的同行的带宽值,作为讨论的部分4)根据均匀分布。由此产生的同行分布如下:

(我)12同行类1;(2)23二班的同学;(3)17同行的3班;(iv)19同行类4;(v)13同行的5类。

我们已经生成的跟踪时间间隔20分钟,等于考虑电影的长度跟踪。最后获得树木部分填充的水平,而完全填满。表1显示树的数量水平和同行的数量在最后三个考虑值的水平。

为了使用更有效的方案,已经介绍了部分3.3,叶节点分配给同行的倒数第二个水平循环的方式。

我们首先显示在图8,9,10系统的工作原理,分析三个代表同行的行为(类1左边列的同行,同行的3班在中间,和同行类5右边一个)作为代表相应的类。

更具体地说,对于每一个被认为是同行,数字8(一个)和8 (b)存在潜在的状态马尔可夫链的上行带宽,和生成的上行带宽,分别展示了马尔可夫模型能够打动带宽过程所需的时间相关。然后在数据9(一个),9 (b)和9 (c)一生中我们观察同行改变水平根据瞬时上行带宽的行为从源,因此深受他们属于的类。

数据10 (),10 (b),10 (c)显示时间的儿童数量的行为被认为是同行。类5的同行(第三列)通常是一片叶子的树,也就是说,它没有孩子,不经常成为内部节点。不同观测坚持认为同行类1(第一列),一直积极的儿童数量的值。为的同行1级水平经常变化,和,因此,它根据级别2或3个孩子它坐落的地方。3班的同行(第二列)水平经常改变它由于这个原因,它的儿童数量从0到2不等。

读者指出,数字8,9,10是严格相关。同行低带宽值低树中的位置,而同行更高的带宽值位于上部的水平。

例如,在即时200秒,类1(第一列)的同行有一个带宽迅速增加(见图8 (b)),因此,这个同伴立即从1级2级。因此,儿童的数量增加,它正好等于,对于每一个。

10/24/11。在应用程序级别的性能分析

在本节中,我们将展示一些数据关于视频的质量收到同行的来源我们正在考虑为每个类的代表。

表2显示了平均PSNR值和平均质量参数中定义的部分4所示。3(3),以目的地同行对整个序列的每个类为不同的值。

图11显示的PSNR每帧视频接收到三个代表同行(1级,3班和一个类5)基地和投篮层(黑色),传输和视频的PSNR区别传播基地和投篮层和视频传播只有基地层(灰色)。为每个值基地和投篮层都使用时,PSNR值总是更高,或者,最多、平等(差异= 0)。

作为讨论的部分2,我们已经考虑了QCIF格式的视频使用模式IBBPBB组图片(共和党)结构。由于这种模式的应用,我们的话,当一帧丢失,出现错误传播行动跟随。

(我)如果一个I-frame丢失然后所有其他帧相同的共和党和前共和党的两个结局B帧丢失。(2)如果P-frame丢失那么两个开始和两个结束B帧相同的共和党也失去了。(3)如果B-frame丢失然后什么都没发生,因为B帧不需要重建的其他帧。

每一帧的共和党,我们也损失比例(计算它)如图12。读者指出,引入部分3.1,I-frames优先传输的其他共和党坐标系因为I-frame亏损原因7更多损失。正是因为这一原因,在我们的系统中,它是更难招致I-frame损失(即。、图表如图12不显示任何I-frames)的损失。表中的每个表有同行类轴,和帧丢失百分比为轴。轴有五列的每个值相关的六个共和党帧(自相关I-frame总是0)。

图13显示了一个直方图的连续帧的数量丢失,三个代表同行和计算。让我们注意,没有连续超过5帧失:原因是没有失去I-frame (I帧应该引起了八个连续丢失帧数:BBIBBPBB)。相反,在某些情况下,有5个连续帧丢失,由于腐败的基础层P-frame(在这种情况下两B-frames前和后两B-frames失去P-frame无法解码,因此以下模式丢失:BBPBB)。让我们注意的损失导致三个或四个连续丢失帧不存在。

4.5。的投篮表现评估

在本节中,我们展示了我们的视频传输系统大大提高了场景创建树但不是更新根据对等上行带宽变化(因此它是静态的),或增强层(即视频传输不发送。、投篮编码不是应用)。更具体地说,在接下来我们将考虑比较上述四种组合情况,可以分类,如下:

(1)动态+基地/投篮(DF):一个对等网络)同行组织与树拓扑的变化动态地使用这两种基础和投篮视频传输层;这是我们在本文中提出的新方法;(2)动态+基地(DB):一个对等网络),同龄人都是非常有条理地树拓扑动态变化;在这种情况下每个对等只接收基础层整部电影;(3)静态+基地/投篮(SF):一个对等网络同行被组织在一个静态树(对等位置是固定在树上对整个传输),和源使用基地和投篮都为视频传输层;(4)静态+基地(某人):一个对等网络同行被组织在一个静态树(对等位置是固定在树上对整个传输);在这种情况下每个对等只接收基础层的电影。

对于这样的场景,为每个类的同行和价值观我们展示了PSNR,值,连续帧的帧丢失比例和分布的损失。

我们已经显示上面的参数我们在本文中提出的方法(例如,动态+基地/投篮)表2和数字12和13。的损失百分比和连续帧损失而言,我们只注意到基极层框架有助于他们的计算;因此,方法动态+基地/投篮和动态+基地产生相同的结果(如图12和13对他们来说)。然而,PSNR和值动态+基地方法不同,因为投篮层提供更多细节的视频质量。表3显示这些值。正如所料,PSNR和为每个组合值和同行比相应的PSNR和类通过应用值动态+基地/投篮方法,表所示2。

PSNR值和产生的值静态+基地/投篮和静态+基地方法如表所示4和5,分别。类似的考虑了动力学方法持有:如图14和15产生相同的结果连续帧的损失和损失。此外,从图15我们可以注意到静态方法产生的连续帧的损失比的高得多动态方法。

如上图所示的动力学方法,PSNR和的值静态+基地/投篮方法比产生的静态+基地方法。

为了更好地分析应用方法的影响在连续帧的数量,我们计算的平均长度为连续时间的损失静态和动态的方法,。结果如图所示16。

最后,我们产生了图17显示全球上面的四个方法讨论的结果为每个变量的利益(损失和PSNR,帧值),为每个值。每个值计算的平均每个性能参数在网络中的所有同行。很明显的PSNR和值是更好的方法(例如,动态+基地/投篮)。动态的方法,,现在略高帧损失的价值:这是由于基础层的规模更大,因此更脆弱,比获得使用静态方法。

5。结论和未来的工作

提出了一种多点视频传输框架在一个异构的内容分发P2P网络。源生成的视频流量通过使用一个mpeg - 4 /投篮编码器,这样损失发生在基础层流的数量最小化,即使在短期带宽波动的存在。

投篮层发送连同基地层,但优先级较低。源使用速度控制器来调节基本层的编码速率,根据覆盖网络的带宽估计bottlenck链接。定义的协议是为了提供这种信息的来源。

介绍了一个案例研究来评估拟议的框架和改进的性能获得关于参考的投篮不是应用的情况和/或覆盖网络拓扑结构并不是动态重组。组织树的问题即时讨论和提出了一些技术和比较。

作为未来的工作,我们计划调查的可能性提出方案申请3 d视频播放几个应用场景:三维电视(3 d电视),自由视点电视(民),多视点视频编码(MVC)。

考虑到另一个任务是执行统计分析延误,特别是延迟抖动,节中讨论3.3可能结果的关键拓扑变化频繁,特别是对于实时应用程序。

一个可行的解决方案是设计一个自适应上演缓冲减少数据包丢弃在目的地,和拓扑管理策略能够明智地决定树中的每个点的位置,以避免延迟抖动,不能使用一种自适应补偿甚至上演缓冲区。

最后但并非最不重要,高流失率,暂时的同行的管理将追究为了保持尽可能更健壮的架构。

承认

这项工作是支持的部分意大利MIUR普林斯顿2007项目“一超越”。此外,导致这项发明得益于奖学金工作第七框架计划的欧洲共同体(7°PQ / 2007 - 2013)关于授予协议n。pirg03 - ga - 2008 - 231021。

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