RU2538947C1 - Способ управления скоростью передачи видеопотока - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области управления скоростью передачи видеопотока по протоколам RTP/RTCP при организации многоточечных сеансов видеосвязи. Техническим результатом является адаптация видеоформатов оконечных терминалов многоточечных сеансов видеосвязи под значения параметров качества обслуживания, характеризующих состояние каналов связи. В способе для каждого направления видеоконференцсвязи определяются параметры качества обслуживания, такие как задержка прохождения по каналу, джиттер задержки и коэффициент потери пакетов в канале связи, с использованием протоколов RTP/RTCP. На основе параметров качества обслуживания находят интегральный показатель качества обслуживания. Затем, используя функцию энтропии с учетом интегрального показателя качества обслуживания, рассчитывают вектор значений скоростей для каждого направления видеоконференцсвязи, суммарная скорость которого равна эффективной полосе пропускания, выделенной на сеанс. В соответствии с рассчитанной скоростью передачи для каждого терминала устанавливают видеоформат, адаптируя тем самым формат видеоизображения под значения параметров качества обслуживания в каналах связи. 2 ил., 5 табл.

Description

Изобретение относится к области телекоммуникаций и может быть использовано для управления скоростью передачи видеопотока по протоколам RTP/RTCP при организации многоточечных сеансов видеосвязи.

Известно изобретение "Способ конфигурирования сети связи" по патенту RU №2412549, H04L 12/28, 20.02.2011, заключающееся в повышении устойчивости сети к угрозам информационной безопасности за счет построения регулярной структуры безопасных маршрутов и распределения по ним информационных потоков таким образом, что выбранные маршруты имеют равномерную значимость в смысле информационной безопасности. Недостатком известного способа является то, что он не позволяет адаптировать видеоформаты оконечных терминалов многоточечных сеансов видеосвязи к значениям параметров качества обслуживания (QoS), характеризующих состояние каналов связи.

Также известно изобретение "Адаптивный способ оценивания скорости передачи мультимедийных данных" - патент RU №2305908, H04L 12/56, 10.09.2007. Сущность известного изобретения заключается в устранении завышения скорости передачи при больших потерях пакетов. Недостатком известного способа-прототипа является то, что он не позволяет адаптировать видеоформаты оконечных терминалов многоточечных сеансов видеосвязи к значениям параметров качества обслуживания, характеризующих состояние каналов связи.

Предлагаемый способ расширяет функциональные возможности способа-прототипа за счет введения дополнительных процедур и частичного изменения связей в логике работы предыдущего технического решения.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа-прототипа за счет адаптации видеоформатов оконечных терминалов многоточечных сеансов видеосвязи к значениям параметров качества обслуживания, характеризующих состояние каналов связи. Общая скорость, устанавливаемая для проведения сеанса видеосвязи, распределяется между оконечными терминалами в зависимости от значений показателей качества обслуживания на каждом направлении. Значение скорости определяет возможность использования соответствующих видеоформатов на оконечных терминалах.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что оно не следует явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники существование влияния существенных признаков заявленного изобретения на достижение указанного технического результата не выявлено. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

"Промышленная применимость" заявленного способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении назначения.

Способ управления скоростью передачи видеопотока, заключающийся в том, что для каждого направления в сети видеоконференцсвязи принимают пакет сообщения приемника протокола управления передачей в реальном времени (RTCP) от блока приема мультимедийных данных, определяют коэффициент потерь пакетов из пакета сообщения приемника протокола RTCP. Дополнительно введены следующие действия. На каждом направлении видеоконференцсвязи принимают пакеты протокола RTP, для каждого из этих пакетов определяют время прохождения по каналу связи T=[t_j], определяют количество пакетов n_i, для которых время прохождения по каналу связи t_j не превышает заданное время Т_зад, вычисляют вероятность P_ti(t≤Т_зад) того, что время прохождения по каналу связи t не превышает заданное время Т_зад, находят модуль разности между временем прохождения по каналу связи j и j+1 пакетов, определяют количество пар пакетов m_i, для которых джиттер задержки прохождения по каналу связи Δt_j,j+1 не превышает заданное значение Δt_зад, вычисляют вероятность P_Δti(Δt≤Δt_зад) того, что джиттер задержки прохождения по каналу связи не превышает заданное значение Δt_зад, для каждого направления видеоконференцсвязи находят нормированный интегральный показатель качества обслуживания $$A^{\prime }=\left[{a^{\prime }}_i\right]$$

, находят максимум функции энтропии H(A',V'), определяют соответствующий найденному максимальному значению функции энтропии вектор $$V^{opt}=\left[v_i^{opt}\right]$$

, содержащий значения скоростей с учетом параметров качества обслуживания для каждого направления видеоконференцсвязи, передают команду H263VideoMode на каждый терминал видеоконференцсвязи, в которой указывают максимальную скорость передачи $$v_i^{opt}$$

, а также значение используемого формата изображения, переводят терминалы на режимы работы, соответствующие принятой команде.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

фиг.1 - схема реализации способа управления скоростью передачи видеопотока;

фиг.2 - пример технического результата заявленного способа.

Решение задачи достигается тем, что в соответствии адаптивным способом оценивания скорости передачи мультимедийных данных [Патент RU №2305908, H04L 12/56, 10.09.2007] для каждого направления в сети видеоконференцсвязи осуществляют прием пакета сообщения приемника протокола управления передачей в реальном времени (RTCP) от блока приема мультимедийных данных (бл.1 на фиг.1), определение коэффициента потерь пакетов из пакета сообщения приемника протокола RTCP (бл.2 на фиг.1). На каждом направлении видеоконференцсвязи принимают j пакетов протокола RTP (которые приходят в интервале между получением пакетов протокола RTCP) [RFC 3550 "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications"] (бл.3 на фиг.1). Для каждого из этих пакетов определяют время прохождения по каналу связи T=[t_j] (бл.4 на фиг.1) как разность момента времени приема пакета и значения поля TimeStamp принятого пакета RTP [RFC 3550 "RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications"]

$$t_j=TimeStam{p}_{RTPj}$$

Определяют количество пакетов n_i, для которых время прохождения по каналу связи t_j не превышает заданное время Т_зад (бл.5 на фиг.1). Далее вычисляют вероятность P_ti(t≤Т_зад) того, что время прохождения по каналу связи t не превышает заданное время Т_зад (бл.6 на фиг.1) как отношение количества пакетов, время прохождения которых по каналу связи не превышает заданное к общему числу принятых RTP пакетов

$$P_{ti}\left(t\le T_{зад}\right)=\frac{n_i}{j}$$

Находят модуль разности между временем прохождения по каналу связи j и j+1 пакетов (бл.7 на фиг.1)

$$\Delta t_{j,j+1}=\left|t_{j+1}-t_j\right|$$

Определяют m_i - количество пар пакетов RTP, для которых джиттер задержки прохождения по каналу связи Δt_j,j+1 не превышает заданное значение Δt_зад (бл.8 на фиг.1). Вычисляют вероятность P_Δti(Δt≤Δt_зад) того, что джиттер задержки прохождения по каналу связи не превышает заданное значение Δt_зад (бл.9 на фиг.1) как отношение количества пар пакетов, джиттер которых не превышает заданное значение к общему числу пар принятых RTP пакетов

$$P_{\Delta ti}\left(t\le \Delta t_{зад}\right)=\frac{m_i}{j-1}$$

Для каждого направления видеоконференцсвязи находят нормированный интегральный показатель качества обслуживания $$A\text{'}=\left[a_i^{\text{'}}\right]$$

(бл.10 на фиг.1), учитывающий вероятность потери пакета в канале связи Р_потерь, вероятность P_t(t≤Т_зад) того, что время прохождения по каналу связи t не превышает заданное время Т_зад и вероятность P_Δti(t≤Δt_зад) того, что джиттер задержки прохождения по каналу связи не превышает заданное значение Δt_зад

$$a_i=\left(1-P_{потерьi}\right)\cdot P_{ti}\left(t\le T_{зад}\right)\cdot P_{\Delta ti}\left(\Delta t\le \Delta t_{зад}\right)$$

$${a^{\prime }}_i=\frac{a_i}{{\displaystyle \sum {}_{k=1}^N{a}_k}}$$

Затем находят максимум функции энтропии H(A', V') (бл.11 на фиг.1) [Попков Ю.С. Теория макросистем (равновесные модели). - М.: Эдиториал УРСС, 1999. - 320 с.], где вектор нормированных интегральных показателей качества обслуживания $$A^{\prime }=\left[{a^{\prime }}_i\right]$$

- параметр функции, вектор нормированных скоростей $$V^{\prime }=\left[{v^{\prime }}_i\right]$$

- переменная, характеризующая распределение эффективной полосы пропускания между терминалами

$$H\left(A^{\prime },V^{\prime }\right)=-{\displaystyle \sum _{i=1}^N{v^{\prime }}_i}\cdot ln\frac{{v^{\prime }}_i}{{a^{\prime }}_i\cdot e}$$

$${\displaystyle \sum _{i=1}^N{v^{\prime }}_i=1}$$

Решая оптимизационную задачу по нахождению максимума функции H(A', V') любым из известных методов, например методом множителей Лагранжа [Попков Ю.С. Теория макросистем (равновесные модели). - М.: Эдиториал УРСС, 1999. - 320 с.; Таха, Хэмди, A. Введение в исследование операций, 6-е издание. Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 912 с.], определяют вектор нормированных скоростей $${V^{\prime }}^{opt}=\left[{v^{\prime }}_i{}^{opt}\right]$$

(бл.11 на фиг.1), соответствующий максимальному значению функции энтропии

$${V^{\prime }}^{opt}=ar{g}_{v^{\prime }}H\left(A^{\prime },V^{\prime }\right)\to max$$

Принимая во внимание, что

$$v_i={v^{\prime }}_i\cdot V_{max}$$

где V_max - эффективная полоса пропускания, выделяемая на сервере ВКС для проведения конференции, находят вектор значений скоростей $$V^{opt}=\left[v_i^{opt}\right]$$

оптимальным с учетом показателей качества обслуживания для каждого канала связи (бл.11 на фиг.1).

Далее по протоколу Н.245 на каждый терминал видеоконференцсвязи передают команду H263VideoMode [ITU-T H.245 "Control protocol for multimedia communication"] (бл.12 на фиг.1), в которой указывают максимальную скорость передачи $$v_i^{opt}$$

, а также значение используемого формата изображения (SQCIF, QCIF, CIF, 4CIF, 16CIF или некоторый заказной формат изображения), при этом формат изображения выбирается в соответствии с таблицей 1 [ITU-T H.263 "Video coding for low bit rate communication"] в зависимости от значения максимальной скорости передачи данных, выделенной для конкретного терминала. Затем терминалы переводят на режимы работы, соответствующие принятой команде (бл.13 на фиг.1).

Таблица 1
Соответствие скорости передачи мультимедиаданных и форматов видеоизображений
Формат изображения	Ширина, пикс.	Высота, пикс.	Требуемая полоса пропускания, Кбит/с
QCIF	176	144	64-256
CIF	352	288	256-512
4CIF	704	576	512-1024
16CIF	1408	1152	>1024

Способ управления скоростью передачи видеопотока может быть реализован следующим образом. Предположим, что необходимо адаптировать видеоформаты оконечных терминалов сети видеоконференцсвязи к значениям параметров качества обслуживания каналов связи. Общее число терминалов, участвующих в конференции, N=3, при этом на сервере ВКС для конференции выделяется эффективная полоса пропускания V_max=2048 Кбит/с. Заданное время прохождения пакета по сети в соответствии с рекомендацией для видео [ITU-T G.1080 "Quality of experience requirements for IPTV services"] составляет Т_зад=100 мс, заданное значение джиттера задержки в соответствии с рекомендацией [ITU-T G.1080 "Quality of experience requirements for IPTV services"] составляет Δt_зад=50 мс.

Для каждого из 3 терминалов сети видеоконференцсвязи на сервере принимают пакет RR приемника протокола управления передачей в реальном времени (RTCP) от блока приема мультимедийных данных.

Определяют коэффициент потерь пакетов из пакета RR протокола RTCP. Предположим, что коэффициенты потерь для каждого направления соответствуют значениям, приведенным в таблице 2.

Таблица 2
Значения коэффициента потерь для направлений видеоконференцсвязи
	Терминал 1	Терминал 2	Терминал 3
Рпотерь	0,05	0,15	0,25

В интервале между приходом на сервер пакетов RTCP для каждого из 3 терминалов сети видеоконференцсвязи принимают 20 пакетов протокола RTP. Для каждого пакета протокола RTP определяют время прохождения по каналу связи T=[t_j]. Предположим, что значения времени прохождения пакетов протокола RTP по каналу связи для каждого терминала сети соответствуют значениям, представленным в таблице 3.

На каждом из трех направлений связи определяют количество пакетов RTP, для которых время прохождения по каналу связи не превышает заданное Т_зад=100 мс. Количество таких пакетов в соответствии с таблицей 3 составляет

для терминала 1: n₁=19;

для терминала 2: n₂=16;

для терминала 3: n₃=12.

Вероятность того, что время прохождения пакета RTP по каналу связи не превышает заданное, составляет

для терминала 1: $$P_{t1}\left(t\le T_{зад}\right)=\frac{19}{20}=0,95$$

;

для терминала 2: $$P_{t2}\left(t\le T_{зад}\right)=\frac{16}{20}=0,8$$

;

для терминала 3: $$P_{t3}\left(t\le T_{зад}\right)=\frac{12}{20}=0,6$$

.

На каждом из трех направлений связи находят модуль разности между временем прохождения по каналу j и j+1 пакетов. В соответствии с таблицей 3 значения разностей представлены в таблице 4.

Определяют количество пар пакетов RTP, для которых джиттер задержки прохождения по каналу связи Δt_j,j+1 не превышает заданное значение Δt_зад=50 мс. Количество таких пар пакетов в соответствии с таблицей 4 составляет

для терминала 1: m₁=16;

для терминала 2: m₂=15;

для терминала 3: m₃=14.

Вероятность того, что джиттер задержки прохождения по каналу связи не превышает заданное значение, составляет

для терминала 1: $$P_{\Delta }{}_{t1}\left(\Delta t\le \Delta t_{зад}\right)=\frac{16}{19}\approx 0,842$$

;

для терминала 2: $$P_{\Delta }{}_{t2}\left(\Delta t\le \Delta t_{зад}\right)=\frac{15}{19}\approx 0,789$$

;

для терминала 3: $$P_{\Delta }{}_{t3}\left(\Delta t\le \Delta t_{зад}\right)=\frac{14}{19}\approx 0,737$$

.

Для каждого направления видеоконференцсвязи находят нормированный интегральный показатель качества обслуживания. Интегральный показатель качества обслуживания составляет

для терминала 1: $$a_1=\left(1-0,05\right)\cdot 0,95\cdot 0,842\approx 0,7599$$

;

для терминала 2: $$a_2=\left(1-0,15\right)\cdot 0,8\cdot 0,789\approx 0,5365$$

;

для терминала 3: $$a_3=\left(1-0,25\right)\cdot 0,6\cdot 0,737\approx 0,3317$$

.

Нормированный интегральный показатель качества обслуживания составляет

для терминала 1: $${a^{\prime }}_2=\frac{0,7599}{0,7599+0,5365+0,3317}=0,4668$$

;

для терминала 2: $${a^{\prime }}_1=\frac{0,5365}{0,7599+0,5365+0,3317}=0,3295$$

;

для терминала 3: $${a^{\prime }}_3=\frac{0,3317}{0,7599+0,5365+0,3317}=0,2037$$

.

Далее находят максимум функции энтропии H(A', V'). Согласно таблице 5 максимальное значение функции энтропии H(A', V')=0,99773 соответствует вектору нормированных скоростей V'^opt=[0,5; 0,3125; 0,1875], вектор V^opt=[1024; 640; 384] соответственно. Таким образом, для каждого направления видеоконференцсвязи необходимо установить следующие скорости:

для терминала 1: 1024 Кбит/с;

для терминала 2: 640 Кбит/с;

для терминала 3: 384 Кбит/с.

Далее сервер видеоконференцсвязи передает на каждый терминал команду H263VideoMode, в которой указывает: для терминала 1 максимальную скорость передачи 1024 Кбит/с, используемый формат изображения 16CIF в соответствии с таблицей 1; для терминала 2 максимальную скорость передачи 640 Кбит/с, используемый формат изображения 4CIF в соответствии с таблицей 1; для терминала 3 максимальную скорость передачи 384 Кбит/с, используемый формат изображения CIF в соответствии с таблицей 1. Затем терминалы переводят на режимы работы, соответствующие принятой команде.

При равномерном распределении эффективной полосы пропускания, устанавливаемой для проведения сеанса, без учета показателей качества обслуживания, на каждое направление связи выделяется одинаковое значение максимальной скорости передачи (по 640 Кбит/с), что соответствует формату изображения 4CIF (таблица 1). Т.е. все три терминала осуществляют связь в режиме 4CIF со скоростью 640 Кбит/с. Однако ввиду невыполнения требований по качеству обслуживания в 3 канале связи изображение от 3 терминала будет иметь дефекты, замирания, потери макроблоков, что отражено в верхней части фиг.2.

При использовании предложенного способа для проведения сеанса, с учетом показателей качества обслуживания, увеличили максимальную скорость передачи (до 1024 Кбит/с) по сравнению с равномерным распределением для 1 канала связи, обладающего лучшими характеристиками качества, а соответственно увеличили формат изображения (с 4CIF до 16CIF). Для 3 канала связи, обладающего худшими значениями показателей качества обслуживания, максимальная скорость передачи была снижена (до 384 Кбит/с), соответственно был уменьшен формат изображения (до CIF) с целью недопущения появления дефектов, замираний и потери макроблоков в видеоизображении. Пример использования предложенного способа отражен в нижней части фиг.2.

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков, за счет введения новых процедур и связей между ними, появляется возможность адаптировать видеоформаты оконечных терминалов многоточечных сеансов видеосвязи под значения параметров QoS, характеризующих состояние каналов связи.

Предлагаемый способ может быть использован в подсистемах управления сеансами видеоконференцсвязи.

Claims (1)

1. Способ управления скоростью передачи видеопотока, заключающийся в том, что для каждого направления в сети видеоконференцсвязи принимают пакет сообщения приемника протокола управления передачей в реальном времени (RTCP) от блока приема мультимедийных данных, определяют коэффициент потерь пакетов из пакета сообщения приемника протокола RTCP, отличающийся тем, что на каждом направлении видеоконференцсвязи принимают пакеты протокола RTP, для каждого из этих пакетов определяют время прохождения по каналу связи, определяют количество пакетов, для которых время прохождения по каналу связи не превышает заданное время, вычисляют вероятность того, что время прохождения по каналу связи не превышает заданное время, находят модуль разности между временем прохождения по каналу связи j и j+1 пакетов, определяют количество пар пакетов, для которых джиттер задержки прохождения по каналу связи не превышает заданное значение, вычисляют вероятность того, что джиттер задержки прохождения по каналу связи не превышает заданное значение, для каждого направления видеоконференцсвязи находят нормированный интегральный показатель качества обслуживания, находят максимум функции энтропии, определяют соответствующий найденному максимальному значению функции энтропии вектор, содержащий значения скоростей с учетом параметров качества обслуживания для каждого направления видеоконференцсвязи, передают команду H263VideoMode на каждый терминал видеоконференцсвязи, в которой указывают максимальную скорость передачи, а также значение используемого формата изображения, переводят терминалы на режимы работы, соответствующие принятой команде.

Images