Ивченко Александр Владимирович разработка и исследование

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературных источников из 161 наименования. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, включая 54 рисунка и 22 таблицы.
Во введении обоснована актуальность темы, ее теоретическая и практическая значимости, сформулированы цель и задачи исследования, приведены направления развития моделей оценки и сетевых протоколов.
В первой главе даны необходимые определения и термины в области метрологии качества обслуживания QoS и качества восприятия QoE, приведены их основные отличия (рисунок 1) и постановка задачи оценки и повышения QoE. Приведено описание технологии адаптивной передачи, которая подробно рассмотрена на контрасте между мультимедийными услугами, предоставляемыми с помощью IPTV, предоставляемым через управляемую оператором связи инфраструктуру (как правило, вплоть до конечного пользовательского оборудования), и OTT (Over-The-Top), обеспечивающей доставку контента по неуправляемой сети Интернет с использованием протокола HTTP, без задействования выделенных ресурсов инфраструктуры без понижения качества услуг.

Рисунок 1. Факторы, влияющие на QoE
Подробно рассмотрен транспортный уровень на примере двух типов потоковой передачи: потокового и сегментного.
Потоковые протоколы отличаются тем, что сервер и клиент предварительно проходят процедуру согласования: определяют полосу пропускания, оценивают состояние канала, выбирают соответствующую каналу битовую скорость кодека. Представителями являются: RTMP, webRTC, RTSP/RTP. Сегментные протоколы не обладают процедурами согласования настроек. Мультимедийный контент разделяется на сегменты различного качества, каждый сегмент начинается с опорного кадра. В зависимости от состояния канала и буфера на клиентской стороне, клиент запрашивает сегменты различного качества согласно своей стратегии адаптивности. Представителями являются: MPEG-DASH, Adobe HTTP Dynamic Streaming, Apple HTTP Live Streaming, Microsoft Smooth Streaming.
Среди всех указанных протоколов наибольшее распространение получил MPEG-DASH как по причине открытости стандарта и кода, так и из-за наивысшего предоставляемого QoE (рисунок 2).

Рисунок 2. Соотношение качество-задержка
Базовая логика (рисунок 3) является общей с некоторыми различиями в файле манифеста, рекомендуемом размере сегмента и пр. На стороне сервера целевое видео кодируется в нескольких уровнях качества (битовой скорости) и разбивается на сегменты характерной длины 2, 4 и 10 секунд. Распределение уровней качества и иная служебная информация представлены в файле манифеста (Media Presentation Description, MPD), который передается на сторону клиента.
На сетевом уровне передача обеспечивается с помощью протокола TCP. Протокол TCP гарантирует доставку и последовательность передачи пакетов. TCP предполагает, что любая потеря пакетов данных вызвана сетевыми перегрузками (переполнением буферов сетевых устройств). Протокол TCP/IP перезапрашивает недошедшие и поврежденные пакеты данных и контролирует их успешную доставку.
Этот механизм является основной причиной резкого понижения скорости передачи и практически полной невозможности связи при потерях в сети порядка 2-6% пакетов. Происходят задержки в буферах во время ожидания даже одного недостающего пакета, которые приводят к переполнению буферов и отбрасыванию успешно пришедших пакетов. В канале нарастает поток служебных данных – повторных запросов. Чем больше недошедших и отброшенных пакетов, тем больше перезапросов. На промежуточных маршрутизаторах растут и переполняются очереди данных на отправку.

Рисунок 3. Концепт передачи потокового видео с помощью технологии Dynamic Adaptive Video Streaming over HTTP (DASH)
Таким образом, характерными особенностями DASH являются:

1. 
   Задержка начальной буферизации. Для начала рендеринга требуется, чтобы буфер заполнился необходимым количеством данных.
   
2. 
   События замирания. Во время мультимедийной сессии в буфере может не оказаться достаточно данных для рендеринга видео.
   
3. 
   Переключения качества. В случае изменения состояния канала клиент запрашивает сегменты более высокого и более низкого качества с целью непрерывного воспроизведения. В зависимости от используемой адаптивной стратегии запас данных в буфере и частота переключений могут отличаться.
   
4. 
   Различное исходное качество. Видео может быть закодировано в различных уровнях качества путем настройки одного или нескольких параметров: пространственного разрешения, частоты кадров и параметра сжатия (квантования).
   

Вторая причина – базовый механизм борьбы с перегрузками в TCP, основанный на управлении размером окна перегрузки, то есть тем объемом данных, который отправитель передает в сеть за один раз. Контроль перегрузки в случае отсутствия подтверждения данных в течении таймаута устанавливает окно в половину текущего окна перегрузки. Таким образом, чем чаще срабатывает базовый механизм борьбы с перегрузками, тем больше провалов в скорости передачи и тем менее эффективно используется доступная для соединения полоса пропускания.
В отличие от проводных сетей, в беспроводных каналах связи кратковременные периоды потерь пакетов или резкого роста задержки доставки зачастую вызваны не перегрузкой сети. Они могут быть связаны с кратковременными изменениями условий в радиоканале, такими как замирания, помехи, выход принимающей стороны из зоны радиовидимости. Свою роль играют повторные передачи пакетов протоколами канального уровня; процедуры приоритезации трафика в промежуточных узлах, в результате чего остальные услуги могут испытывать вариацию задержки и т.п. Эти единичные события приводят к включению достаточно консервативного базового механизма управления перегрузками TCP, что влечет заметное снижение эффективности его работы и негативно сказывается на фактической пропускной способности: растет время открытия сессий передачи данных, скачивания данных и т.д., а полоса пропускания радиосети используется не полностью.
При возникновении потерь пакетов понижается утилизация канала. На рисунке 4 представлен случай равномерно распределенных потерь пакетов для проводного гигабитного соединения в локальной сети для протокола TCP с различными технологиями контроля окна перегрузки.

Рисунок 4 Утилизация канала в зависимости от потери пакетов при различных алгоритмах контроля перегрузки (Vegas, Cubic, Hybla, PCC).
Также в первой главе представлен литературный анализ моделей оценки качества восприятия и выделены наиболее значимые метрики, такие как частоты и амплитуды переключения качества, длительность и частота ребуферизаций, битрейт, типы контента и другие.
Проведен анализ доступных открытых баз данных и выбрана наиболее полная по типам искажений, сетевым условиям и количеству эталонных и тестовых видео база данных Waterloo SQoE-III. Кроме того, отмечена синтетичность и ограниченность баз, на которых
был создан ряд существующих методик.
Проведенный анализ показал, что требуется разработать более совершенные методики оценки качества, которые корректно и полно учитывают различные искажения при передаче и воспроизведении, а для улучшения качества нужно повысить утилизацию канала, которая страдает из-за наличия потерь пакетов, что можно сделать с помощью адаптивных методов помехоустойчивого кодирования (FEC).