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詹姆斯·南丁格尔,齐王,克里斯托·格列柯, ”绩效评估Multihomed移动网络的并行多路视频流”,国际期刊的数字多媒体广播我>, 卷。2013年, 文章的ID319594年, 20. 页面, 2013年。 https://doi.org/10.1155/2013/319594
绩效评估Multihomed移动网络的并行多路视频流
文摘
高质量的实时视频流在移动网络用户挑战是因为网络的动态变化路径,特别是有限的带宽和不同的端到端延迟。本文实证研究多路流的性能在multihomed移动网络的背景下。现有的方案,利用多路径的聚合带宽可以克服带宽限制在单一路径,但遭受重传丢失的数据包造成的效率损失可靠传输计划或路径切换开销不可靠的传输方案。本工作的重点是评估计划允许并发使用多条路径来实现视频流。一个全面的流媒体框架提出了并行多路视频流和实验评估,利用当前先进的h .可伸缩视频编码(h / SVC)和下一代高效视频编码(HEVC)标准。它提供了一个有价值的洞察的好处使用这种方案结合编码器特定数据包优先级机制quality-aware数据包调度和可伸缩的流。并发多路径的剩余的障碍部署方案确定,和挑战意识到基于HEVC并发多路流突出显示。
1。介绍
视频流的主要挑战之一是智能适应流,以应对不断变化的网络环境的方式试图最小化畸变影响收到不良网络环境的视频。h .可伸缩视频编码(h / SVC) (1)、可伸缩的扩展h .先进的视频编码标准(h . / AVC) (2),已经成为一种很有前途的方法适应视频流的网络条件,但尚未采取大规模流媒体视频内容的交付。在h / SVC,视频由一个可伸缩的层数,每一个都可以删除部分或全部适应不断变化的网络路径条件。适应一个h / SVC流可用带宽的变化在一个有线网络路径是一个容易理解的问题;解决方案,降低整个可伸缩层(3)或个人包一层(4)都是之前提出。
h / AVC是当前广泛部署,视频编码标准,及其扩展如h / SVC代表的当前状态的艺术。然而,在替代编码标准的h家庭已达到国际标准阶段与下一代高效视频编码(HEVC)公布的标准ITU H.265 [52013年6月)。HEVC提供h / AVC一样的视觉质量,同时减少50%的带宽要求。最初HEVC标准允许网络适应视频流的使用时间可伸缩性的时序预测子层。一个可伸缩扩展HEVC还计划与发展在2012年12月开始工作6]。
对于一个网络路径不提供足够的带宽视频流,计划使用多条路径的聚合带宽(7- - - - - -12提出了。游牧的用户流视频内容面临着更多的挑战与交付通过无线移动网络。移动网络连接到多个潜在访问网络的路径(称为multihomed移动网络)服务器和客户端之间提供了一个具有挑战性的环境对延迟敏感的流量,如视频流的交付。多路流方案提出的文学,我们最好的知识,只12,13)是专门为使用设计的h / SVC可伸缩视频流在尼莫14基于]multihomed移动网络环境。指出,任何方案,可以提供高质量的视频内容,如流媒体实时(或附近)的下行方向可能反向上行方向探索,例如,乘客提供实时安全监测的聚合带宽在公共交通场景中所有可用的网络路径。这种使用的可能性被认为是在该系统的设计。工作(12)是基于“最好连接”(ABC)模型multihomed王等人提出的移动网络(15]。在ABC模型中,应用程序流为例,一个视频是“交换”从一个网络路径到另一个基于策略驱动的机制,认为应用程序流的特点和当前的网络路径的条件。路径选择组件的方案提出了12]是一种h / SVC-specific[描述的一般模型的实例15]。因此,尽管可以使用所有可用的网络路径同时交付不同的应用程序(流),任何给定的应用程序流<我>按顺序我>之间的转换路径的路径选择和分组调度算法操作在流媒体服务器。
流控制传输协议(SCTP) (16支持multihoming)是另一种网络协议。SCTP,主机到主机的方法,与尼莫的不同之处在于,它仅支持单个multihomed主机。NEMO相比之下能够支持multihomed移动路由器,反过来提供流动性支持的所有移动主机在移动网络更有效的方式。移动主机在NEMO网络不需要迁移意识到或multihomed本身,而SCTP multihomed移动主机管理自己的移动性以及multihoming。提出了扩展(17]SCTP标准引入了并行多路径传输机制,cmt-SCTP。在cmt-SCTP,一个应用程序流分为substreams,每个并发传输在不同的端到端网络路径在一个SCTP协会。由于可靠的SCTP协议的性质,并发使用多条路径导致按顺序包交付,和“接收缓冲区阻塞”的问题(18,19)发生。
在[13]路径切换开销成立的最大限制因素强加于视频流的可行性在multihomed移动网络环境中,和CMT-NEMO方案提出了克服这种限制。在本文中,我们明显延长工作(13)通过提供一个综合分析的并行多路流multihomed移动网络,其中包括一项调查背景交通的影响CMT-NEMO方案介绍(13]。这项工作也扩展了并发多路流的评价包括额外的抖动指标和延迟以前没有评估移动网络的并行多路径传输。此外,展望未来,这项工作提供了一个及时的实证调查使用新标准的视频编码技术HEVC并发多路视频流。我们也提出一个简单,HEVC特定分组加权方案基于优先级的数据包调度和可伸缩的包交付(通过选择性包降至满足网络路径的带宽约束)。这项试验的结果HEVC实现提供有价值的见解将面临的挑战,研究人员试图进一步研究HEVC流单和多路径环境。
本文的其余部分组织如下。节2,相关工作在multihomed移动网络,h / SVC, HEVC,综述了多路径传输。试验台实现框架描述的部分3和数值结果实证实验报告部分4。部分5总结了纸。
2。相关工作
由于这项工作的多学科性质,结合网络、通信和视频信号处理、艺术的状态的相关研究领域进行了综述如下。
2.1。Multihomed移动网络
在IETF工作组开发了标准,如移动IPv4 [20.)和移动IPv6 (21移动节点的移动性管理。两个手机IPv4和IPv6地址个体移动主机的移动性。新兴的移动网络无线网络范式基于IETF移动网络(NEMO)标准(14]。NEMO网络,用户组一起旅行一致(例如,公共汽车或火车上)和附着在更广泛的基础设施通过移动路由器作为移动网络的网关。尼莫协议(14]进一步考虑整个移动网络的移动性需求通过扩展移动IPv6协议,包括其上使用一个新的实体,移动路由器(先生),负责管理移动代表所有单独的移动网络节点在移动网络(的内容)。
移动路由器称为被multihomed配备多个网络接口时,可以同时使用多个网络路径。multihomed移动网络的组件图所示1。在这个典型的场景中,一个移动网络节点远离本国记者联系的链接节点(CN)通过NEMO-enabled家代理(HA)。家代理维护绑定缓存表条目链接移动路由器的家庭住址(卖家)当前的地址(CoA)。multihomed的移动网络,配备有多个网络接口,第三个标识符称为绑定标识符(收购)是用于区分不同(HoA, CoA)绑定的绑定缓存。上的每个报价与网络接口。
当移动网络节点连接移动网络,所有流量从一个CN的内容首先是指向HA的数据包封装在IPv6包先生给目的地址先生的弱点。这包然后通过IPv6隧道传输HA和先生之间的数据包到达先生时,删除封装和数据包转发的内容。在multihomed移动网络,每个接口HA是连接到相应的接口由单独的IPv6隧道先生。图1显示了一个典型的multihomed移动网络媒体服务器是CN,和有两种截然不同的路径HA和先生之间可以看到,IPv6隧道连接HA先生。
与ABC multihomed移动网络的实现,例如在MULTINET提出项目15),应用程序流首先被描述为一个协会之间的两个端点(CN和MNN)使用(协议、源IP地址、源端口、目的IP地址,和目的港)五个一组来唯一地标识。因此,通过将这个流五个一组与尼莫,流绑定到一个特定的路径HA和先生之间的策略驱动的网络选择算法使用度量应用程序流(其带宽、延迟或其他服务质量需求)和当前的网络路径条件来决定最合适的路径HA和先生之间对于任何给定的应用程序流。“转移”到另一个应用程序流的网络路径通过改变之间的关联(公顷)其独特的五倍的流标识符和(肥厚性骨关节病变与肺部转移,辅酶a,出价)元组,惟一地标识一个路径从哈先生在ABC模型中,一个流只能关联一个网络路径在任何给定的时间,与流路径之间切换的网络选择算法。
2.2。可伸缩视频编码
视频流编码使用h / SVC (1)格式包含许多substreams(层)。一个h / AVC (2)兼容的基础层提供一个最低的视频质量,而连续增强层提高视频流的质量。h / SVC流提供一个三维的可伸缩性。图片分辨率、帧率和信噪比增强层提供空间,时间,分别和质量可伸缩性。图2显示了一个可伸缩的提取substream匹配指定的空间(CIF)、时间(20 Hz)和质量(32 dB PSNR)元组。h / SVC流很容易适应满足终端需求或以应对不断变化的网络路径条件。例如,发送者只会发送这些层接收者能够处理。哪里有足够的带宽来传输整个流,Media-Aware网络实体(鬃毛)可能放弃更高的增强层从而确保交付的基础层更重要和更低的增强层。
与此同时,用户仍然是提供一个可接受的(尽管较低)收到的视频质量。的用户的质量体验)因此管理通过提供一个优雅降级的流而不是破坏。作为一个例子,质量增强层块(用*)提取的位流图2可以减少带宽需求下降,同时保持一个可接受的质量收到视频所需的时空特征;或者流可以被下降调整时间或空间层,或事实上的某种组合不同的可伸缩层。
2.3。高效视频编码
HEVC一直ITU-T H.265, 2013年6月发布的新一代视频编码标准(5]。与标准的h家族一样,HEVC包含两个单独的层,视频编码层(VCL)和网络抽象层(部分)。VCL层提供了视频序列中的每个图片的编码表示,尽管NAL层提供了基本数据单元(NAL单元)的VCL存储或传输的数据封装。
提高压缩效率HEVC (h / AVC)相比,约50%是通过包含许多新的编码工具和采用较大的编码块大小自适应四叉树结构。唯一的可伸缩性提供在当前HEVC规范(5是时间可伸缩性。三种时间预测模式,第一个(<我>Intraprediction只我>)不允许时间可伸缩性。的<我>低延迟我>编码模式有一个瞬时解码器刷新(IDR)图片与所有后续的第一幅照片是广义P和B图片。这些广义P, B图片只能使用图片是之前自己输出顺序(图片顺序数较低(POC))作为参考图片。在第三(<我>随机存取我>)编码模式层次B图片结构类似于用于h / SVC是就业。流和印尼盾的图片开始intraencoded图片添加大约每秒;这些干净的随机存取(CRA)照片流中提供随机访问点。在解码顺序遵循CRA的照片,但照片之前它输出顺序可以使用图片,之前的CRA参考。
本文的实验进行了使用版本6 (HM6.0) HEVC参考软件。JCT-VC定期更新HEVC参考软件;当前版本(22是11.0版本(2013年6月)。
2.4。多路流算法
使用多个网络的聚合带宽发送方和接收方之间的路径已被建议作为一个方法的交付高质量的视频流与有限的带宽。Chebrolu和饶提出最早的传递路径优先(EDPF)方案7),一个数据包的到达时间估计为每个可用的网络上的数据包传输路径和路径提供最早的交货时间。在[8),同样的作者扩展他们的工作包括选择性下降不定位机制。费尔南德斯et al。9)进一步适应EDPF时分多址(TDMA)系统通过包含时间段政策机制。最近,Jurca和Frossard [10)提出了一个方案,同时仍然使用第一种方法最早的路径,认为视频包之间的依赖关系,只能成功传播这些数据包解码接收器。
这是通过删除任何数据包,这依赖于先前丢失的数据包解码的目的,从而防止网络资源的浪费,包不可行。的作者(11)发现了一个潜在的问题(10),从而导致按顺序包交付到客户端和提出了一种新的算法来克服这一限制。同样的观察是适用于所有最早path-type方案。我们的计划12)包括一种机制来阻止(按顺序包交付确认11]。在这项工作中,我们将一个额外的组件的客户端管理仍可能出现的任何按顺序到达由于测量不精确的带宽或瞬态干扰无线链接在我们的实验。
虽然作者的10)被认为是一个通用的可伸缩视频流,这些方案解决了更高级别的粒度和h / SVC-encoded流中发现复杂的包依赖关系。我们的以前的工作12,23)被认为是与交付相关的具体挑战h / SVC multihomed移动网络中多个路径。HEVC标准(5)是一个非常最近的发展,没有专门针对HEVC多路流算法,到目前为止,在文献中被提出。
尼莫的额外mobility-related开销和路径的转换成本ABC-based NEMO网络减轻我们的优化路径选择和调度算法(OPSSA) [23]。进一步审查(13的h / SVC流的性能在multihomed NEMO环境识别ABC-related路径切换开销是主要限制因素的视频流。CMT-NEMO算法中描述的部分2.5提出了在13)克服限制ABC-NEMO路径切换开销。
2.5。并行多路径传输
大多数现有的并行多路径传输(CMT)计划是基于SCTP的传输层协议。SCTP是一个可靠的传输协议,重新传输数据包未能达到客户端和包含一个拥塞控制机制(16]。一个端到端的SCTP协会是由两个multihomed SCTP主机。大量的独立路径存在在这个协会。在SCTP multihoming,只有其中一个路径可以使用作为数据传输的主要路径与其他被用于重发和主要路径故障冗余。
Iyengar et al。17)提出了cmt-SCTP方案SCTP数据块从同一应用程序流可以使用所有可用的同时传播路径内的单端到端SCTP协会。机制将减少sender-initiated按顺序包送货,限制管理拥塞窗口的快速重发和更新频率。然而,可靠,序列号驱动SCTP协议的性质仍然会导致“接收缓冲区阻塞”的问题(18),当客户不得不等待重传丢失的数据块,它无法通过另一块在确认窗口应用程序。
的作者(24,25)提出了使用多个发送和接收缓冲区来解决在cmt-SCTP接收缓冲区阻塞的问题。元等。24]还介绍了SCTP协会内设施区分子流的服务质量(QoS)需求,同时在25,26)在无线环境中使用cmt-SCTP调查。mCMT [26],cmt-SCTP变体使用无线网络,采用多个发送和接收缓冲区在path-orientated多流道方案,也包含媒体独立的交接(MIH)方案27)个人主机移动性的支持。
除了许多其他cmt-SCTP基础方案,诸如[28,29日)并发多路径传播,许多通用的CMT计划也被提出。蔡et al。30.)提出了一个CMT计划合并前向纠错(FEC)和路径交叉适应选举委员会的块大小。廖等人在19SMOS提出,基于tcp的多路流sender-based多路径无序的调度器,在[31日]作者进一步考虑共享瓶颈的端到端路径的路径相关的问题,提出了一种新的通用multihoming子层。
尽管所有的上述方案,是否基于SCTP或TCP,提供解决方案与CMT有关的一些问题,他们都只考虑个人的情况下multihomed主机。之间有显著差异,环境和NEMO-based移动网络中的一个。NEMO网络是移动代理(HA和奥)multihomed而不是结束节点(CN和内容)。在SCTP中,端到端协会进行路径直接链接multihomed端主机的网络接口,每个接口的IP地址使用的个人路径的端点的协会。然而,在尼莫在应用程序流结束节点之间,只存在的独立路径之间的接口HA和先生CMT-NEMO [13)提供了一种机制使应用程序被分成子流与接口相关的正确的HA和先生以确保他们旅行所需的网络路径。每个其他的CMT上述提议是在传输层实现跨层的方式或在传输层和应用层之间,而CMT-NEMO计划运作的RTP / UDP / NEMO协议栈和能够支持multihomed移动网络。
在这工作的组件CMT-NEMO纳入,并成为不可分割的一部分,我们全面的多路视频流框架multihomed NEMO环境。细节的CMT组件与其他组件的交互框架提供了部分3。
3所示。框架实现
在这项工作中,我们介绍我们的综合多路流框架h / SVC和HEVC multihomed移动网络。框架是一个实质性的进一步发展之前提出的方案在12]。图3框架的概述(h / SVC-specific实现如图所示)。h / SVC和HEVC CMT-NEMO方案的具体实现(13)加上一个修改版的调度算法(12],它不再需要减轻NEMO路径切换延迟。我们还引入一个quality-layers-based分组加权方案h / SVC,一个简单的分组加权方案HEVC和一种改进的祖先检查方案,充分考虑h / SVC的粒度可伸缩性。平面流程和框架,数据传输视频数据包而控制飞机提供支持功能有关的网络路径条件,会话设置,等等。而完整的框架如图3和已经实现了h / SVC的当前状态的发展HEVC标准不,到目前为止,允许全面实施组件,利用多维可伸缩性等那些负责目标利率substreams派生和提取到目标带宽。
框架包括CMT-NEMO-based组件的一个会话设置控制结构来确定潜在路径的数量从闪流到客户端,建立一个应用程序流(绑定到一个单一的网络路径),为每个可用的路径。流解集机制克服了路径切换限制观察到在之前的计划和促进并行多路径传输。预处理模块使用历史数据从target-bit-rate派生子系统NEMO-based车载网络来确定目标比特率是使用的编码器和位流器,而基于率失真优化流提取使用质量层(32]。
编码和提取函数采用JSVM参考软件(33),这是用c++写的。分配给每个NAL单元的质量水平还用于提供一个数据包优先级方案,是特定于h / SVC和分组是用于我们的选择性机制在聚合带宽不足的情况下可用。
每个NAL单元的流解码使用新的可行性检查,更实用的实现祖先检查方案中使用(10]。这种机制更适合用于实时media-aware流情况下取代耗时的递归搜索方法(10]。NAL单元,通过解码可行性测试通过RTP传输UDP。路径选择和分组调度算法决定如果有客户端和一个可行的路径,如果找到一个以上的路径,路径选择提供最早的交付。按顺序包送货到客户端是减轻拖缆和客户端最小化需要延迟添加的方式防止乱序执行数据包到达客户端。最后,成功地将数据包传输使用选定的子消息流,与子被聚合到一个流之前在客户端通过h / SVC解码器。
3.1。框架设计注意事项
放置流适应、路径选择和分组调度代理在网络拓扑结构有一个实质性影响多路径传输方案的可行性。在[7- - - - - -9的特工被放置在一个网络代理部署路径分歧的时候(例如,HA multihomed移动网络)在(10- - - - - -12)代理居住在流媒体服务器(CN)。两个(10,11)只考虑multihomed主机直接连接的情况下独立路径通过多个网络接口。一个信号方案(12)发送控制消息的调度和路径选择代理CN实际点的散度在HA的路径切换模块直接流到所需的路径。在这项工作中,我们做了合理的假设商业多媒体内容服务器不太可能配备接口,直接将它们连接到多个异构的网络技术。路径分歧的目的是更容易在一个路由器在网络基础设施。multihomed移动网络,逻辑路径分歧是哈,关键路径的收敛是先生。
通过考虑潜在的双向使用流媒体的框架,进一步约束是对可能的部署这些代理。放置流适应、路径选择和调度代理的分歧将实质性的HA和负担,双向使用,这些设备都是先生已经处理整个移动网络的流动性需求。在该方案,代理被放置在流媒体服务器。所有流适应、路径选择和分组调度任务执行在CN或潜在的双向使用,在一个适当的资源本地固定节点(LFN)与有线连接到移动网络内的先生。
3.2。会话设置和控制
的<我>子消息流路径绑定我>子系统负责会话设置和将子流与可用路径。初始会话设置由一系列的控制消息,如图4。多神经网络会话设置代理的合作与CN建立流媒体会话。新的精简会议是由移动网络节点发送一个“流启动请求”消息(步骤1图4CN)。CN会发送一个“家代理发现”消息写给内容(步骤2图4)。此消息截获的HA HA先生的移动性管理回复“客户身份”消息路由的CN包含路径HA和先生之间的数量和报价识别它的每个接口先生(步骤3在图4)。接待“端口谈判”消息然后共同承担的CN和内容。同意接收端口号从会话设置代理传递给子流聚合剂的内容(步骤4在图4),打开CN监听端口,然后和客户回复消息(步骤5图做好了准备4)。在收到“客户准备”消息,CN发送一个“子消息流绑定”信息为每个可用路径先生(HA)到HA(步骤6在图4)。
这个消息包含(协议、源IP地址、源端口、目的IP地址,和目的港)五个一组识别子消息流和尼莫的报价应该相关联的子流。哈哈然后更新绑定缓存和确保数据包描述的子消息流的五倍的“子消息流绑定”消息是通过正确的接口(投标)先生子流协会建立后,HA将“流承认”消息发送到CN(步骤7图4),开始流到客户端已经在监听状态。CN维护投标绑定一个子表为每个流媒体会话。图5显示应用程序流的传播CN的内容。应用子(1)和(2),属于同一个h / SVC, HEVC,或其他应用程序类型的流动与尼莫出价100年和200年,分别在哈。
3.3。数据包权重和祖先检查(PWAC)
3.3.1。h / SVC PWAC方案
h / SVC-encoded流由一连串的逻辑数据单元称为网络抽象层(NAL单元,每一个都有一个1字节h / AVC [2兼容的头。而基础层NAL单元仅占1字节报头和有效载荷,增强层NAL单元和辅助增强所有信息(SEI)的消息也有三个字节的可伸缩性扩展报头。扩展头携带可伸缩性信息高级语法元素(如图三6)。这些语法元素(<我>dependency_id我>),(<我>temporal_id我>)和(<我>quality_id我>),分别描述了空间、时间和质量层NAL单元的特征。
分配不同的权重,选择性下降的数据包带宽不足的情况下,我们采用h / SVC基于[比特流提取方法32),每个NAL单元的率失真影响在比特流计算,然后利用分配质量水平(从0到63)NAL单元。质量水平的信息是在第四个高级语法元素(<我>simple_priority_id我>)扩展头(或选择性地陪同SEI消息)。质量水平后分配给每个NAL单元h / SVC流,一个可伸缩的比特流提取目标比特率的比特流器(也收到了目标提取的比特率<我>目标利率推导我>子系统)。
然后从JSVM提取流位流器<我>路径选择和分组调度我>子系统流适应发生的地方。在我们quality-layers-based数据包优先级计划,我们使用<我>simple_priority_id我>场体重的重要性NAL单元在决定哪些包应该下降的鬃毛。之前的方案多路径传输(10,12)少用了一个先进、框架和non-H。264 / SVC-specific加权方法的地方帧被赋予更高的权重比和框架等等。quality-layers-based方案,NAL单元畸变影响降至最低的适应网络路径变化的条件。
在一组照片(共和党)基础上,部分单位是按照优先级排列。NAL单元然后提交给祖先检查组件内<我>路径选择和分组调度我>子系统,包依赖先前丢失的数据包解码从流掉。这个保留带宽不发送数据包,不能被客户端成功解码。那些NAL单元通过祖先检查然后通过根据RFC 6190 (34]。”一位NAL单元/ RTP包”策略应用于增强层NAL单元(20)型,而一个“单一聚合包(堵塞)”策略是用于一个AVC基础层NAL单元(5)型一起通过一个NAL单元(14)型携带相关的可伸缩性扩展头基础层NAL单元。
从一个例子如图7它可以观察到,包编号6和13了,因为估计的交货时间比要求的客户后来解码过程。由于这些祖先的数据包被删除,他们的后代包编号9和15,这依赖于他们,也因为他们不能成功解码没有包6和13所示。发送数据包9和15浪费带宽。
祖先检查方案提出了(10)使用一个耗时的递归搜索方法要求所有路径的搜索队列是为每一个新的数据包到达调度器为了确定数据包的祖先的状态。在这项工作中,我们提出一个大大减少计算密集型的祖先检查方法更适合使用在实时环境中利用h / SVC可伸缩性的信息。采用可变大小的预取窗口,虽然本文的实验规模是固定在一个共和党。基于可伸缩层结构的h / SVC流,我们确定哪些数据包(解码)依赖他人在共和党内部,根据帧数和可伸缩性数据包含在NAL单元扩展头(图7)。帧数和可伸缩性的记录保持当前预取数据丢失的数据包窗口。这个记录是重置一个新的预取窗口的开始。对于每一个数据包到达祖先检查组件,一个简单的比较是由NAL单元的帧数和可伸缩性的信息(<我>dependency_id我>,<我>temporal_id我>,<我>quality_id我>在当前窗口内已知的失败。鉴于NAL单元在一个预取窗口的数量相对较少,我们的计划提供了一个相当更快和更有效的祖先方法检查h / SVC流相比,(10]。祖先检查在这工作仅限于NAL单元下降了调度程序,包括一个带外反馈机制的可能性提供及时的信息数据包在运输途中降至祖先检查组件将被认为是在未来的工作中。
3.3.2。HEVC PWAC方案
HM6 HEVC NAL单元(版本)由一个两字节头载荷紧随其后。三个字段在一个HEVC头影响数据包的方式可以优先考虑。这些字段可能是受雇于选择性包机制如受雇于一个鬃毛。的<我>nal_ref_flag我>(N在图8)是一个字节标志指示是否这NAL单元所属的图片作为参考图象序列中的其他图片。
的6-bit<我>nal_type我>指出NAL单元类型为h一样变异;然而,字段扩展从h . 5到6位HEVC容纳数量的增加NAL单元类型HEVC所使用的目前和预期设想HEVC扩展所需的。的<我>颞Layer_ID我>字段标识时间预测层NAL单元有效负载中包含的图片所属。Substreams代表时间层HEVC编码流可以从更高的时间成功解码时NAL单元层缺失或从流中删除。
在这个工作我们提出和使用一个简单的包加权方案HEVC提供最高水平的重要性NAL单元瞬时译码器的图片刷新(IDR)图片,干净的随机存取图片(CRA)或标记为用于参考的<我>nal_ref_flag我>头字段。NAL单元然后进一步根据时间优先层它们所属的最高水平的重要性被附加到最低的时间预测层。
祖先检查在这个试点实施并行多路径HEVC流仅限于确保,在一组照片(共和党),NAL单元的高时间层只是传播如果NAL单元的时间层的预测已经成功地传播。
3.4。路径选择和分组调度
一个<我>路径状态监测我>子系统,先前描述的(12),提供了路径条件到路径选择组件。该组件还提供完整的网络数据包的大小包括所有NEMO-related隧道开销。估计到达时间计算在每个可用的网络路径,而且,如果没有路径能够按时交付包到客户端使用的解码过程,它被删除。在哪里找到一个可行的路径,数据包被传递到吗<我>流解集我>子系统,它传输的子消息流与选择相关的网络路径在子流绑定表。多找到一个可行的路径,路径上的数据包传输提供最早的估计到达时间为客户端。
图7显示了流的数据包通过<我>路径选择和分组调度我>子系统的<我>流解集我>子系统。使用尼莫协议导致额外的网络开销由于IPv6隧道HA和先生在我们之间流框架,我们考虑所有的网络开销,当包到达时间估计的路径选择客户的目的。
100字节的网络开销增加每NAL单元(或片段NAL单元)中发送一个水平NEMO基于移动网络(即。没有其他移动网络,如个人区域网络内嵌套移动网络)。这些网络开销由最初的IPv6报头包含目标地址的内容(40个字节),隧道IPv6报头(40字节)包含的地址(CoA)的移动路由器,一个8字节UDP报头,和一个由RTP报头(最低)。平均HEVC编码比特流的传输所需带宽增加了9%在NEMO环境中由于这些网络开销。这种观察是基于策略的NAL单元/ RTP数据包。
3.5。按顺序包处理
按顺序交付包到客户端在多路传输系统是一个重要的问题。特别流行的异构网络中每个路径有不同的特征,如可用带宽和端到端延迟。资源受限的移动设备可能有限的可用内存分配接收缓冲区的客户机应用程序。重要的是要注意,分组交换网络的本质往往意味着某种程度的按顺序交付到客户端通常是不可避免的。
一个路由器有多个路径的选择一个目的地,它可以选择发送一些相同的应用程序流的数据包在不同的链接,例如,避免拥挤在一个特定的链接或负载平衡的目的。特别是在繁忙的无线环境中,可能会有突然的变化可用带宽或端到端延迟由于节点加入或离开网络或争用的无线网络,需要重发。自从sender-based方法已经被证明产生更好的性能在处理一堆包(19,35),我们采用sender-based乱序执行减排计划,在客户端是补充了额外的实用措施。
CN,估计到达时间一个数据包p我在每个可用的路径计算充分利用网络数据包的大小和端到端延迟。每个包都有一个解码的最后期限或时间,它必须到达客户端才能使用的解码过程。解码包的最后期限是计算从视频的帧率和相对于第一个数据包流的解码时间。解码包打开的窗口解码的最后期限(相对于第一个包)和关闭+Δ,Δ在客户端播放延迟。如果没有可用的路径可以提供一个估计到达时间流光,就将数据包丢弃,并为当前的预取窗口失败点更新,以确保任何后续包依赖这个数据包解码也下降了。
如果只有一个可行的路径,数据包被传递到<我>流解集我>子系统和放在子流与发现的可行路径。多个路径可以交付数据包解码窗口内的路径提供最早到达时间。为了防止数据包的按顺序交付客户,两个因素被认为是在<我>延迟包我>功能描述(13]。
首先,如果,包将其解码窗口的打开时间之前到达,将占领解码器缓冲区,直到其解码的最后期限的到来。依赖在客户端播放缓冲区的大小,数据包到达解码前窗口打开时可能导致按顺序交付。阻止一个数据包到达开始之前的解码窗口()可能无法阻止按顺序发货,只能保证当。因此,当考虑到估计一个数据包到达的时间在任何给定的路径,如果,数据包需要被推迟了路径上,以确保它不会前到达前面的包。
必要时推迟等浮电缆的包(CN),防止乱序执行数据包交付到客户端(的内容),最低的路径添加延迟是选择。增加延迟是考虑在计算下一个数据包路径的估计到达时间延迟增加了,从而防止任何时间漂移的估计到达时间计算。
3.6。流解集
ABC方法切换应用程序流在网络路径NEMO-based移动网络曾被用于(12,15]。交换机接口之间的应用程序流的哈,从而改变路径之间使用HA和先生。
介绍了137 ms的平均延迟为每个路径切换操作。时间的延迟由CN发送路径切换消息哈,路径的实现开关的哈,和等待时间,直到CN接收路径切换确认哈。试验台的整体延迟测量可能是更高的CN之间在真正的实现路径和HA可能有更高的延迟。
我们的结果的解释15]表明路径切换女士在200年和300年之间。本文基于CMT-NEMO框架将应用程序流分为许多子CN。每个子消息流与一个单独的监听套接字的内容和HA与特定的网络接口。
子穿越的道路注定,所有的mobility-related问题是由现有的NEMO协议运行在HA和先生。
表1比较CMT流在尼莫(CMT-NEMO)与最好连接在尼莫(ABC-NEMO)和cmt-SCTP流。
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流解集方案由软件代理CN,哈,和内容。CN将复制的特工在LFN和HA复制先生的双向流。应用程序流分成子通过创建一个监听套接字为每个可用路径的内容和提供聚合和一个子流程的内容按顺序缓解剂。这样的设计适用于应用程序超出了视频流使用h / SVC或HEVC。
3.7。算法总结
算法1- - - - - -3突出的主要算法实现流媒体框架。拖缆,CMT-NEMO从[13]是完全集成与更新<我>路径切换和数据包调度我>模块从[12),现在包括一个修订祖先检查计划,增强按顺序缓解,CMT-NEMO数据包流分布。
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预处理步骤详细的算法1使用h / SVC为例,流在哪里使用路径度量的预处理<我>道路监控我>和<我>目标利率推导我>子系统。流相匹配的网络条件下,中描述和数据包优先算法3。子聚合在客户端,其他按顺序缓解也执行算法所示2。HEVC试点实施,能够提取视频目标带宽还没有可用的,网络的带宽路径设置为匹配HEVC比特流的要求。
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3.8。控制飞机子系统
我们的框架中包含三个子系统控制飞机。的<我>道路监控我>状态信息子系统提供了路径可用带宽和延迟调度算法。
网络仿真软件运行在一个核心路由器在每个主剂之间的网络路径和移动路由器自动更改每个路径的带宽和端到端延迟。据报道,这些变化等浮电缆使用一系列的低开销控制消息。使用一个默认消息的频率每秒;然而,当网络模拟器使更改路径(例如,通过减少可用带宽)来模拟插入背景流量,控制消息立即触发。虽然没有实现在我们的测试场景中,一个带外反馈拥塞控制机制被认为是未来工作。例如,一个h / SVC拥塞控制方案在UDP开发(36),这是兼容,可以结合我们的框架(一个HEVC特定拥塞控制方案还有待设计的)。的<我>子消息流路径绑定我>子系统中描述的部分3所示。2。一个<我>目标利率推导我>子系统使用当前和历史的结合路径度量来做出明智的决定一个可伸缩的流的比特率应该是编码和提取最佳匹配预期的网络条件。子系统,这些子系统控制平面和数据平面描述之前构成实用和功能齐全的流媒体系统的并行多路径的h / SVC或HEVC视频移动网络用户。
3.9。物理实验实现
我们的框架上实现一个现实的,基于硬件的multihomed移动网络测试平台进行测试和评价的目的。图9显示实际的实验。试验台的基本拓扑图中描述的是一样的1的核心路由器访问网络上提供广域网模拟HA和先生访问路由器之间的路径修改路由器运行开源软件OpenWRT WRT54GL无线路由器。除了CN,这是一个英特尔酷睿i5电脑4 GB RAM和固态硬盘,所有剩余的节点在试验台是标准的英特尔奔腾4个人电脑1 GB RAM。所有电脑运行Ubuntu Linux操作系统与开源网络移动性(NEMO)软件安装在HA和先生。
组件框架实现的Linux用户空间使用c++和Python的预处理和后处理任务。核心路由器运行广域网(WAN)仿真软件和可配置的改变每个路径的带宽或延迟。
选项可用运行静态测试,路径中保持不变的特征流媒体会话或动态地和独立地改变每条路径的性质(上、下定义的范围内)。
4所示。实验评价
h / SVC评价四个著名的视频测试序列(<我>公共汽车我>,<我>工头我>,<我>巴黎,我>和<我>足球我>)与JSVM引用编码软件使用范围的空间分辨率(QCIF、CIF和4 CIF)和时间分辨率(15、30和60 fps)。作为流预处理步骤中,使用生成的数据质量水平<我>QualityLevelAssignerStatic我>软件工具JSVM参考。然后提取的位流的比特率等于最高可用的聚合带宽配置实验环境中特定的测试序列。
聚合带宽从64 kbps到3 Mbps和路径延迟的测试期间使用的20 ms - 250 ms。进行一些测试使用静态(流媒体会话期间)带宽和延迟而在其他竞争背景交通的影响(从网络中的其他节点)是模拟一个会话期间当带宽和延迟变化动态。
HEVC评价两个标准兼容HEVC测试序列(<我>赛马我>,<我>BQSquare我>)编码使用版本6的HEVC参考软件(22]。每个序列编码使用的标准HEVC一致性的配置文件<我>Intraprediction我>只有,<我>低延迟我>和<我>随机存取我>时序预测编码模式。两个空间分辨率(,)和两个时间分辨率(30 fps, 60 fps)工作。视频编码比特率是不被任何方式除了选择不同时间的预测模式。
HEVC实验的比特率视频序列编码使用标准的一致性配置被认为是目标比特率,和WAN仿真软件是提供这些值。
数据从CN,哈,CR1、CR2,多神经网络和收集日志文件,和网络分析工具Wireshark [37)是运行在哈,CR1、CR2,允许收集和检查先生在飞行包”。“日志文件CN细节每个数据包的调度决策包括使用的数据做决定(数据包大小、优先级权重、可伸缩性和帧数数据,和估计到达时间在每个可用的路径)。多神经网络的日志记录所有收到并检测数据包的到达时间。
HA日志显示子消息流绑定数据,和CR日志包含路径状态改变的细节和路径状态更新,传播控制消息CN。强调本文结果之间的比较是最好联系尼莫(ABC-NEMO) [12)和视频流框架,它包含CMT-NEMO (13]quality-layers-based优先级的描述支持子系统,流线型的祖先检查和改进按顺序包处理。
4.1。使用h / SVC画面质量比较
在每个图(图10,11,12,13,14),方案比较时,可用带宽被分配在一个50:50分之间的路径(等于路径)和一个80:20分之间的路径(微分或diff.路径)。在每个图传奇表示CMT-NEMO用于简洁和识别结果包含CMT-NEMO使用综合流框架中来。
并行多路径传播执行最佳在平等的道路场景中CMT-NEMO因为按顺序降低发病率的包交付当路径是相等的。基础框架,在CMT-NEMO sender-based按顺序包减排机制“抑制”数据包前到达之前发送数据包。
此外,图14显示流媒体的结果<我>巴黎我>序列在低比特率使用64 kbps的编码器基础层利率目标。总的来说,并行多路径传输对平等的路径,执行最好提供一个非凡的平均PSNR提高6.08 dB在所有测试场景8.72 dB的最大进步是实现一些测试。
路径在哪里差,CMT-NEMO仍然大大优于ABC-NEMO平均为4.20 dB,最高8.33 dB在某些测试序列。
随着延迟造成的乱序执行缓解不平等的道路场景中,可以更好地利用可用的路径导致改善数据包的数量准时到达客户端,从而合成PSNR。图15显示数量的数据包到达客户端和那些可用在解码过程中对每一个方案。
从图可以看出15更多的数据包通过平等的路径交付使用CMT-NEMO基础框架,对于ABC-NEMO相反的是如此。ABC-NEMO,路径切换频率是更好的控制微分路径情况比相同路径场景。路径切换只发生如果当前(去年使用路径)再也不能交付数据包解码期限内。
特点(延迟和带宽)可用的路径是相等的,ABC-NEMO更有效数据包分布更均匀地分布在多个路径,形成更高的路径切换频率。每个路径转换添加一个切换开销,从而减少数据包的数量,可以在给定的时间交货。因此,ABC-NEMO性能更好的传递的数据包数量和微分的PSNR值路径的情况。在并行多路径传输,对适用于性能更好的路径相同。
按顺序包交付给应用程序运行在客户端是低并发多路流框架和ABC-NEMO计划不到1%。然而,指出,在ABC-NEMO按顺序包交付主要发生在路径切换操作仅由于连续的传输方式,从而打破顺序包交货率很低。相比之下,由于CMT-NEMO并发传输流媒体框架为基础,按顺序包交付可能发生,因此必须解决更严格地通过发送方和接收方缓解机制。
由于强劲的减排方案,发送的数据包数量按顺序在CMT-NEMO客户端最小化,甚至低于ABC-NEMO,如图16。
延迟由发送方的乱序执行减排计划的主要原因是在微分路径情况下降低吞吐量。我们的框架给包交货率在客户端(图15)比ABC-NEMO高出24%。quality-layers-based权重用于选择性包下降,确保数据包下降率失真优化的方式。高数量的数据包到达客户端有助于大大提高PSNR值序列。并行多路径的PSNR值结果流代表减少高达68%的中标识的“性能差距”(38平等路径和55%微分路径。
获得的结果是有效的在整个范围的视频序列和测试场景用于我们的实验。表2提供了额外的测试结果使用替代的组合空间和时间分辨率为每个测试序列。
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4.2。使用HEVC画面质量比较
的HM6版本HEVC参考软件(22)部署在我们的框架和实验不提供任何固有的弹性包丢失;因此我们采用基于帧复制”的错误隐藏方法,缺少图片由于失去NAL单位复制要么立即从以前的图片(输出顺序)或最近的参考图象HEVC短期参考图象列表如果可用在参考图像列表中。数据包的优先级权重方案采用那些照片为重点用于参考。一般来说,在<我>低延迟我>和<我>随机存取我>HEVC的配置,都是interpicture预测模式,我们的实验表明,最高的时间层未使用的照片供参考,可以安全地丢弃满足带宽约束。在<我>Intraprediction我>只有配置模式所有图片intraencoded时序预测或依赖关系。
图17比较了基于PSNR通过ABC-NEMO和CMT-NEMO流框架时<我>赛马我>(@ 30 fps)序列通过多条路径进行传输。聚合带宽设置为2.253 Mbps的编码带宽是通过编码使用<我>低延迟我>主要配置文件配置的量子化参数值27。PSNR值达到当遇到没有包丢失时显示为“编码比特率。“在图18的<我>BQSquare我>序列显示(@ 60 fps)。HEVC示例如图17和18进行了使用相同路径设置的可用带宽也同样分为两种路径。丢包率和按顺序交付率HEVC编码序列是一致的与h / SVC实验表明该框架下表现一致而交付应用程序流编码两个视频编码标准。总体的结果从一个小测试5个样品测试运行HEVC编码器配置和测试序列组合表明,PSNR损失相对的编码序列在传输比h / SVC HEVC略高。
损失相比ABC-NEMO原始序列,平均0.32 dB为HEVC比h / SVC和高,平均0.28 dB当比较并行多路径传输。我们认为这个性能问题相对不成熟的分组加权方案和错误隐藏机制用于这对HEVC试点实施。我们HEVC实验的结果表明,我们的综合视频框架用于multihomed移动网络可以方便地改编自首次实现h / SVC其他视频编解码器,可以应用于并行多路径传播的一种普遍形式其他类型的应用程序流。
4.3。延迟和抖动
除了PSNR-based视频质量测量和丢包统计,我们也考虑端到端延迟和interpacket延迟变异(IPDV)或抖动计算根据RFC 1889 (39]。这两个指标有重要影响用户的体验质量(40,41]。
在数据19来21我们举例说明典型的延迟和IPDV比较ABC-NEMO CMT-NEMO使用<我>巴黎我>CIF分辨率序列和30 fps。固定延迟25女士介绍的WAN仿真模块对每个网络路径。1.5 Mbps的可用带宽被分配在一个50:50分之间的路径(等于路径),相当于1500 Kbps测试点如图14。正在运行的IPDV如图19。
虽然计划保持意味着IDPV低于50 ms,基于CMT-NEMO框架执行更好在不到10 ms的插图所示。每个包的瞬时IDPV绘制在图20.,造成的“峰值”路径切换引起的延迟ABC-NEMO可以明确确定。类似的峰值也可以运行IPDV(图中观察到19)和延迟(图21)。CMT-NEMO提供的改善显著减少延迟和IPDV,可产生有益影响客户端缓冲区的大小和减轻潜在的缓冲问题,导致退化的体验质量。表3显示最大和平均IPDVs减少了152.1和23.7毫秒,女士分别,当使用CMT-NEMO与ABC-NEMO相比。
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在数据20.和21,激增IPDV和延迟CMT-NEMO发生在该地区的包10号。这是由于一个h / SVC流的性质会有很大变化在NAL单元(因此包)的大小。最初几个数据包流的参数集NAL单元,相比非常小的后第一个视频编码层(VCL) NAL单元,即瞬时解码刷新(IDR)单位,因此,通常是最大的流。
这种差异在传播时间最小的和最大的NAL单元流导致延迟和IPDV飙升。表3表明IPDV进一步减少在CMT-NEMO初始参数设置包过滤。然而,应该注意的是,这些数据包过滤ABC-NEMO上相反的效果打折的每个参数组之间的非常小的IPDV数据包的增加意味着IPDV测试范围。
4.4。背景流量注入
此外,当背景交通仿真通过减少可用带宽路径在网络中,我们观察到之间有一个时间延迟减少和调度器反应发生改变(而不是在这里说明简洁)。通常情况下,两个或三个数据包经历一个额外的延迟20 ms和50毫秒之间增加抖动(IPDV),在系统适应新的带宽时统一增加延迟(但不是抖动)反映了降低带宽。
许多真实的实验背景介绍了视频流量等浮电缆服务器和客户端之间的节点。流媒体框架的性能测量一系列的背景下交通率。背景流量是通过一个路径和传播也同时在多个路径。为每个系统中的路径可用带宽设置在WAN模拟器(Kbps),为每个背景流系统中使用的带宽流量(Kbps)。背景流量注射速率背景流量的总和吗除以路径带宽的总和
总传动效率流媒体系统是一个衡量的聚合带宽的利用所有可用的路径,而有效的传输效率的多少是衡量聚合带宽被用来提供可用的负载到客户端视频解码器。为每一个包NAL单元的大小(kb) (s)包含在包的有效载荷,将它们封装所需的网络开销传输的RTP / UDP NEMO环境。完整的网络资源(kb)要求提供一个包。数据包的数量成功地交付给客户,可用的包包含NAL单元的数量可以成功解码(抵达时间在解码过程中使用的,没有满足的依赖关系或缺失的片段)。流媒体会话的持续时间在秒。考虑
在(2)的最大潜在的吞吐量可以通过显示了一个应用程序流的情况流媒体会话期间保持不变。等情况下,如图22,在那里不一在流媒体会话期间每30到50秒,使用的最大吞吐量潜在效率计算的总和吗,在那里在这时间段吗(例如,图都是固定不变的22,从运行时间是恒定的,50% = 40秒,直到时间= 70秒)。
扭曲效率达到视觉质量的比值来衡量吗最大可能的视觉质量为每一个编码序列
从图22可以看出,ABC-NEMO和CMT-NEMO流机制响应率的变化背景流量注入。CMT-NEMO提供持续比ABC_NEMO更高的PSNR值。后发现,在短时间内的任何变化,两种方案都降低了一个或两个帧PSNR作为拖缆适应背景流量的变化。这个最初的PSNR下降后的变化一直在比CMT-NEMO ABC-NEMO。
从图可以看出12图16之间的相对差异的带宽和延迟路径的多路流媒体系统导致不同测量接收到的视频质量。注入背景流量,当应用到一个路径,路径之间的带宽和延迟率变化。这将导致增加平均偏差PSNR值为每个测试序列。例如,在一个系统有两个不平等的路径,如果添加到更高的带宽路径流量,这导致一个平衡路径的特征。CMT-NEMO执行更好的在平等的道路情况下,PSNR下降由于添加背景交通部分抵消增加方案的有效性,而在ABC-NEMO走向平等的路径使得方案低效率损失PSNR是减少计划加剧了效率。反过来也如此当流量注入一个路径在一个平等的道路系统。在图23它可以清楚地看到,CMT-NEMO传输效率大约是20%高于ABC-NEMO导致扭曲效率大大增加。在这两个方案之间的相对差异总传动效率和有效传输效率略有增加增加;然而扭曲效率()减少增加。
5。结论
在本文中,我们提出了并发流和经验评估全面优化框架,有效地交付h / SVC和HEVC视频流移动网络中多个路径。并集成的框架由多个关键组件提供一种手段,首先适应视频流的网络条件率失真优化的方式,然后使用多个网络路径的聚合带宽同时克服带宽限制任何单一路径。框架包括NEMO-based移动网络的并行多路径传输方案,可以全面的并行多路径交付NEMO环境中不同类型的应用程序流。其他组件包括一个视频编解码器特定数据包优先级方案优化选择包掉在低聚合带宽情况下,一个新的减排计划减少按顺序交付,一个“动态”编码特定的祖先检查计划适合实时应用程序包括可伸缩视频流基于h / SVC和新一代视频编码标准HEVC。
拟议中的CMT-NEMO流媒体系统上实现一个现实的、基于硬件的多路径移动网络的实验,实验结果为h / SVC和HEVC显示收到的质量在很大程度上改善ABC-NEMO流与先前提出的系统。在h / SVC的情况下,平均PSNR提高6.08 dB和4.20 dB实现在所有四个视频序列在平等和微分路径情况下,分别与最大的改进/ 8 dB中观察到的一些测试。框架已被实验证明改进的可行性多路视频流在移动网络提供超过24%的视频数据包在同一网络,同时减少平均抖动和23.7毫秒的最大抖动151 ms。试点实施框架HEVC进一步表明,它可以很容易适应需求的新兴视频编码方案,拥有明确的性能收益与替代ABC-NEMO方案。
虽然这些结果显示显著的性能改进,达到要求的最大用户的体验质量multihomed移动网络环境是一个地区,将受益于进一步的研究。框架在接近95%的总传输效率高于ABC-NEMO几乎是20%,但是进一步的工作仍然需要提供更有效的带宽聚合和按顺序交付缓解,使最优的传输效率。同样,而扭曲效率也超过90%,进一步改善包HEVC加权方案将提高这一阈值。降低效率观察到当使用HEVC相比,使用h / SVC表明,进一步研究不仅包权重和选择性下降而且错误隐藏方案是必需的。最后,所有的工作在这个评估使用客观视频质量的测量;未来的工作将考虑使用主观质量的经验和/或pseudosubjective评价技术。
利益冲突
所有作者声明没有潜在的利益冲突,包括经济利益、关系或从属关系,有关这篇文章的主题。
确认
这项工作是由英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)批准号EP / J014729/1:为新一代移动视频应用的推动者。作者要感谢高通(qcom . o:行情)的塞尔吉奥·戈马博士,在这个项目上提供指导和监督。
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