Маколкина Мария Александровна. Разработка и исследование моделей оценки качества передачи видео в IP-сетях

Краткое описание

Маколкина Мария Александровна. Разработка и исследование моделей оценки качества передачи видео в IP-сетях: диссертация ... кандидата технических наук: 05.12.13 / Маколкина Мария Александровна;[Место защиты: Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича], 2014.- 187 с.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича»
Маколкипа Мария Александровна
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ПЕРЕДАЧИ ВИДЕО В IP-СЕТЯХ
05.12.13 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
На правах рукописи
04201459626

L
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель
доктор технических наук , профессор
Кучерявый Андрей Евгеньевич
Санкт-Петербург - 2014

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ КОНЦЕПЦИЙ
ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ УСЛУГ IPTV 13
1.1 Структура построения IPTV 13
1Л.1 Услуги 1PTV 14
1.1.2 Архитектура IPTV 19
1.1.2.1 Головная станция и узел кодирования 21
1.1.2.2 Подсистема Видео по требованию 23
1.1.2.3 Сервисная платформа Middleware 27
1.1.2.4 Абонентское устройство 29
1.1.2.5 Подсистема условного доступа 29
1.1.3 Режимы передачи трафика и протоколы в ІР-сетях 32
Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2 АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ОБСЛУЖИВАНИЯ В IPTV 40
2.1 Показатели качества обслуживания в NGN 40
2.2 Механизмы обеспечения QoS в NGN 43
2.3 Методы оценки качества передачи видео 47
2.3.1 Субъективные методы 47
2.3.1.1 Mean Opinion Score 46
2.3.1.2 Picture Quality Rating 50
2.3.1.3 Difference Mean Opinion Score 51
2.3.1.4 Subjective Assessment Method for Video Quality evalution.. .52
2.3.1.5 Quality of Experience 52
2.3.2 Объективные методы 58
2.3.2.1 Media Delivery Index 59
2.3.2.2 Video Quality Measurement 61
2.3.2.3 Moving Picture Quality Metric 62
2.3.2.4 Noise Quality Measure 63
2.3.2.5 Peak Signal to Noise Ratio 63
Выводы по главе 2 69

з
ГЛАВА З РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ МОДЕЛИ ОБЪЕКТИВНОЙ
ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ВИДЕО В IP-СЕТЯХ 70
3.1 Базовая модель 71
3.2 Моделирование влияния различных кодеков 74
3.3 Оценка разработанной модели 78
3.3.1 Оценка модели с помощью IxChariot 79
3.3.2 Экспериментальная оценка 87
3.3.3 Моделирование влияния различных кодеков
в зависимости от уровня потерь 91
3.4 Выводы по результатам моделирования 95
3.5 Относительная метрика оценки качества видео 96
Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ САМОПОДОБИЯ ТРАФИКА
НА ОЦЕНКУ КАЧЕСТВА ВОСПРИЯТИЯ 100
4.1 Исследование аномалий трафика 102
4.1.1 Описание иммитационной модели 103
4.1.2 Методы оценки параметра Хёрста 105
4.1.3 Расчёт параметра Хёрста 109
4.1.4 Результаты моделирования 115
4.2 Взаимосвязь коэффициента Хёрста с субъективной оценкой
качества передачи видео 120
Выводы по главе 4 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
Приложение А. Листинг программы 146
Приложение Б. Акты о внедрении 183

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации разработаны и исследованы модели оценки качества передачи и качества восприятия видео в IP-сетях. Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. На основе анализа существующих моделей предоставления услуг передачи видео и трансляции телевизионных каналов выявлены особенности их функционирования, которые должны учитываться при разработке моделей оценки качества передачи и качества восприятия на примере предоставления услуг 1PTV.
2. Разработана математическая модель, основанная на отношении «потери - искажения», которая позволяет оценить качество передачи видео и может быть использована в существующих IP-сетях. В модели учтены различные параметры, относящиеся как к специфическим характеристикам видеопотока, так и характеристикам, отражающим состояние сети.
3. Проведено моделирование в зависимости от разного уровня потерь, типа кодека, схемы маскировки ошибок, периода исследования и формата видеокадра, в результате которого доказано влияние различной реализации кодеков на качество передаваемого видео в зависимости от разного уровня потерь и размера видеокадра;
4. Установлено, что одним из доминирующих факторов при оценке качества передачи видео является количество потерянных пакетов. На окончательную оценку качества также оказывают влияние специфические параметры видео, такие как способ пакетизации, размер видеокадра, схема маскировки ошибок, которые в зависимости от конфигурации кодека по разному реагируют на одинаковый уровень потерь.
5. Предложено использование коэффициента, позволяющего отобразить взаимосвязь субъективных и объективных оценок качества передачи видео, и учитывающего характеристики видеопотока при оценке искажений, возникающих в ходе потери отдельных блоков видеокадра. Проведен ряд экспериментов для

130
верификации модели, нацеленных на сравнение оценок качества, полученных при использовании модели, с оценками известных субъективных и объективных методов оценки качества передачи видео. В результате экспериментальных исследований установлено, что предложенная модель позволяет с достаточной для практики степенью точности, оценить качество передаваемой
видеопоследовательности и, в тоже время, по сравнению с другими методами учитывает при расчете и основные показатели сети и характеристики видеопотока, не требуя при этом подробного разбора и анализа видеопотока, что позволяет использовать одну модель для получения исчерпывающих оценок качества вместо нескольких моделей, параллельно используемых в настоящее время на сети.
6. Разработана имитационная модель фрагмента сети, нагруженной потоками разнотипного трафика, позволяющая проводить исследования, нацеленные на оценку параметра Хёрста при различных условиях работы сети. Определен состав факторов, влияющих на процесс оценки степени самоподобия агрегированного потока. Проведены отсеивающие эксперименты, на основании которых сформирован перечень параметров, в наибольшей степени оказывающих влияние на изменение значений параметра Хёрста для трафика в исследуемой сети.
7. Установлено, что при моделировании зависимости параметра Хёрста от уровня потерь добавление к видеопотокам трафика с переменной скоростью не влияет назначение параметра Хёрста вплоть до аномально высокого уровня потерь в 95 %. В то же время, добавление к потокам видеотрафика потока с постоянной скоростью, например, трафика речи, при достаточно небольших скоростях приводит к значимому изменению параметра Хёрста.
Определено, что размер пакета исследуемого потока оказывает влияние на значения параметра Хёрста для всего агрегированного потока. Также на оценку степени самоподобия влияет длина очереди в узле и шаг увеличения скорости
потока.

131
8. Выявлена взаимосвязь значений параметра Хёрста с субъективными методами оценки качества восприятия видео. Определена зависимость субъективных оценок QoE видео от значений параметра Хёрста.
9. Предложен метод объективной оценки качества восприятия видео на основе выявленной взаимосвязи путем измерения параметра Хёрста. Параметр Хёрста может быть использован как объективная метрика оценки качества восприятия видео по аналогии с /^-фактором, используемым для оценки передачи речи в рекомендациях Международного Союза Электросвязи.