Способ минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений Российский патент 2022 года по МПК H04L12/805 

Изобретение относится к области оптимизации размера пакетов данных и может быть использовано для гарантирования требований качества обслуживания (QoS) при передаче трафика цифровых сжатых изображений.

Способность данного технического решения работать с любыми системами передачи данных, независимо от применяемых алгоритмов сжатия, позволяет использовать его в любых пакетных системах передачи цифровых сжатых изображений, что обеспечивает его широкую промышленную применимость.

Одной из особенностей современных систем передачи данных является широкое распространение мультимедийного трафика, который, как известно, является наиболее «тяжелым» и требовательным к задержке и джиттеру.

Другая особенность состоит в том, что в системах передачи данных повсеместно используются пакетные протоколы. При этом важным моментом является оптимизация размера пакета, так как это напрямую влияет на качество обслуживания телекоммуникационного трафика и в частности на задержку при передаче цифровых сжатых изображений, вызванную пакетированием.

Используемые в настоящее время механизмы обеспечения качества обслуживания телекоммуникационного трафика наиболее успешно справляются со своими функциями в условиях отсутствия пульсаций входного потока. Ввиду этого, одним из подходов призванным обеспечить максимальные гарантии качества обслуживания является оптимальное сглаживание без потерь.

Также необходимо отметить, что большинство используемых в настоящее время протоколов передачи потокового видео не учитывают задержку вносимую пакетированием и используют при передаче размеры пакета, обусловленные особенностями телекоммуникационного оборудования, а не требованием максимума качества обслуживания. В контексте предлагаемого способа под максимумом качества обслуживания понимается минимум задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений.

Более того, зачастую размер пакета для передачи всех видов трафика в конкретной системе является фиксированным.

Способы, описанные в RU 2459373, RU 2370907, RU 2601604, предназначенные для передачи пакетированных данных, ориентированы на обеспечение совместимости протоколов информационного обмена или исключение потерь и реализуют различные механизмы пакетирования, маршрутизации или сглаживания входного потока. При этом в данных способах основной упор сделан на текущее состояние сети связи, маршрут доставки, обеспечение отсутствия потерь и исключение дрожания.

В результате, способы-аналоги не позволяют обеспечивать минимизацию задержки, вызванной пакетированием, и при этом исключить потери пакетов из-за переполнения буферов, а также предотвратить опустошение буферов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа, является способ, описанный в Jean-Yves Le Boudec and Patrick Thiran. Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Online Version, December, 2019 (стр. 155-173).

Сущность данного способа заключается в том, что в побитовой телекоммуникационной сети производят оптимальное сглаживание входного потока, обеспечивая при этом отсутствие потерь из-за переполнения буфера и минимальные требования к задержке передачи и размеру выделенной буферной памяти. Для этого:

1. Формируют функцию поступления входного потока.

2. Производят min+свертку кривой обслуживания сети связи с кривой формы устройства сглаживания.

3. Определяют минимальный размер задержки предварительного просмотра, как максимальное горизонтальное расстояние между функцией поступления входного потока и кривой, являющейся результатом min+свертки кривой обслуживания сети связи с кривой формы устройства сглаживания, при которой обеспечивается оптимальное сглаживание без потерь побитового потока.

4. Определяют минимальную кривую поступления входного потока, посредством вычисления обратной min+свертки функции входного потока с самой собой.

5. Определяют минимальную задержку воспроизведения, как максимальное горизонтальное расстояние между минимальной кривой поступления входного потока и кривой, являющейся результатом min+свертки кривой обслуживания сети связи с кривой формы устройства сглаживания, при которой обеспечивается оптимальное сглаживание без потерь побитового потока.

6. Определяют минимальный размер буфера воспроизведения, как максимальное вертикальное расстояние между минимальной кривой поступления входного потока и кривой, являющейся результатом min+свертки кривой обслуживания сети связи с кривой формы устройства сглаживания, при котором обеспечивается оптимальное сглаживание без потерь побитового потока.

7. Конфигурируют сеть связи с учетом минимальной задержки предварительного просмотра, минимальной задержки воспроизведения и минимального буфера воспроизведения, при которых обеспечивается оптимальное сглаживание без потерь побитового потока.

8. Передают побитовый поток.

Способ прототип имеет следующие недостатки.

1. Не учитывают пакетирование входного потока, при получении кривой обслуживания сети связи.

2. Не минимизируют задержку передачи в условиях пакетирования.

3. Не учитывают увеличение объема передаваемых данных, вызванное добавлением к каждому пакету заголовка, содержащего служебную информацию.

4. Не учитывают ступенчатый характер функции поступления входного потока при передаче цифровых сжатых изображений.

5. Не учитывают степень компрессии покадрового потока цифровых изображений.

6. Не учитывает при передаче покадрового видео потока частоту кадров.

7. Не учитывают при передаче покадрового видео потока разрешение изображений.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в повышении качества обслуживания телекоммуникационного трафика посредством минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений, за счет определения оптимального размера пакета.

Технический результат заключается в минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений с целью повышения качества обслуживания телекоммуникационного трафика в условиях оптимального сглаживания без потерь, за счет определения оптимального размера полезной части пакета по критерию минимума задержки воспроизведения методом полного перебора возможных вариантов, с учетом кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений и сквозной кривой обслуживания сети связи.

Графические материалы, используемые для иллюстрации предлагаемого решения:

фиг.1 - функциональная схема способа минимизации задержки при передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений;

фиг. 2 - зависимость минимальной задержки воспроизведения, обеспечивающей сглаживание без потерь потока цифровых сжатых изображений, от размера полезной части пакета;

фиг. 3 - зависимость минимального размера буфера воспроизведения, обеспечивающего сглаживание без потерь потока цифровых сжатых изображений, от размера полезной части пакета.

На фигуре 1 представлена функциональная схема способа минимизации задержки при передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений, которая включает следующие элементы:

1. Параметры входного потока.

2. Минимальный размер полезной части пакета.

3. Максимальный размер полезной части пакета.

4. Параметры производительности сети связи.

5. Блок формирования кривой поступления потока цифровых сжатых изображений.

6. Блок перебора возможных размеров пакета.

7. Размер служебной части пакета.

8. Блок формирования кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части.

9. Блок формирования кривой обслуживания сети связи.

10. Блок вычисления минимальной задержки воспроизведения, обеспечивающей оптимальное сглаживание без потерь.

11. Блок оптимизации размера полезной части пакета.

12. Блок определения минимального размера буфера.

13. Поток цифровых сжатых изображений.

14. Устройство сглаживания.

15. Передатчик

16. Приемник.

17. Декодер.

18. Устройство воспроизведения.

Для решения задачи повышения качества обслуживания телекоммуникационного трафика, предлагается способ минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений, заключающийся в том, что:

1. Задают параметры входного потока 1 изображений в блоке формирования кривой поступления потока цифровых сжатых изображений 5.

Причем, в качестве параметров задают значения следующих величин:

L_изобр - это максимальный размер сжатого изображения;

fps - это частота следования кадров;

τ - это возможное дрожание потока изображений.

2. Задают минимальный размер полезной части пакета 2 в блоке перебора возможных размеров полезной части пакета 6.

3. Задают максимальный размер полезной части пакета 3 в блоке перебора возможных размеров полезной части пакета 6.

4. Задают параметры производительности (скорость обработки или пропускная способность) устройств обработки трафика 4 на маршруте следования потока цифровых сжатых изображений в блоке формирования кривой обслуживания сети связи 9.

5. Формируют в блоке формирования кривой поступления потока цифровых сжатых изображений 5 кривую поступления входного потока с параметрами 1 и передают ее в блок формирования кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части 8.

При этом в качестве кривой поступления входного потока используют аффинную кривую вида:

где: L_изобр - это максимальный размер сжатого изображения, fps - это частота следования кадров, τ - это возможное дрожание потока изображений.

Данная аффинная кривая является минимальной кривой поступления для потока цифровых сжатых изображений.

В сформированном виде кривая поступления входного потока представляет собой двумерный массив, в который записывают значения уровня потока с шагом времени в соответствии с выражением (1).

6. Задают текущее значение размера полезной части пакета в блоке перебора возможных размеров полезной части пакета 6 и передают его блок формирования кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части 8 и в блок формирования кривой обслуживания сети связи 9.

7. Задают размер служебной части пакета 7 в блоке формирования кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части 8 и в блоке формирования кривой обслуживания сети связи 9.

8. Формируют в блоке формирования кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части 8 кривую поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части и передают ее в блок вычисления минимальной задержки воспроизведения 10.

В сформированном виде кривая поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части, представляет собой двумерный массив, в который записывают значения уровня потока с шагом времени в соответствии с выражением вида:

где: l_пл- размер полезной части пакета, 1_сл - размер служебной части пакета.

Выражение (2) является результатом обратной min+свертки аффинной кривой поступления (1) и функции «всплеск-задержка»

9. Формируют в блоке формирования кривой обслуживания сети связи 9 кривую обслуживания сети связи и передают ее в блок вычисления минимальной задержки воспроизведения 10, обеспечивающей оптимальное сглаживание без потерь.

Для формирования кривой обслуживания сети связи используют правило конкатенации обслуживающих устройств, математически выражаемое через min+свертку кривых обслуживания всех обслуживающих устройств на пути следования потока цифровых сжатых изображений. В сформированном виде кривая обслуживания сети связи представляет собой двумерный массив, в который записывают значения уровня обслуженного потока с шагом времени в соответствии с выражением вида:

где: β⁽¹⁾ кривая обслуживания передатчика (15), β⁽²⁾ - кривая обслуживания приемника (16), β⁽³⁾ - кривая обслуживания декодера (17), l_n - размер пакета с учетом служебной и полезной частей, R₁ - производительность передатчика (15), R₂ - производительность приемника (16), R₃ - производительность декодера (17).

При этом кривые обслуживания β⁽¹⁾ β⁽²⁾ и β⁽³⁾ характеризуют пакетировщик данных и описываются в соответствии с выражениями вида:

10. Вычисляют в блоке вычисления минимальной задержки воспроизведения 10 минимальную задержку воспроизведения, обеспечивающую сглаживание без потерь.

При этом осуществляют вычисление максимального горизонтального отклонения между кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части и кривой обслуживания сети связи, в соответствии с выражением вида:

11. Передают полученное минимальное значение задержки воспроизведения и соответствующий ей размер полезной части пакета из блока вычисления минимальной задержки воспроизведения 10 в блок оптимизации размера полезной части пакета 11.

12. Зацикливают блок вычисления минимальной задержки воспроизведения 10 на блок перебора возможных размеров полезной части пакета 6.

При этом под перебором понимается использование всех возможных размеров пакета в диапазоне от минимально размера пакета 2 до максимального размера пакета 3.

13. Производят в блоке перебора возможных размеров полезной части пакета 6 перебор всех возможных размеров полезной части пакета в диапазоне между минимальным размеров полезной части пакета 2 и максимальным размером полезной части пакета 3.

При этом на каждой итерации повторяют шаги (5-12) и тем самым формируют в блоке оптимизации размера полезной части пакета 11 зависимость, представленную на фигуре 2.

Анализ фигуры 2, позволяет сделать вывод, что оптимальное решение по критерию минимума задержки воспроизведения существует и может быть найдено полным перебором в блоке оптимизации размера полезной части пакета 11.

В блоке оптимизации размера полезной части пакета 11 данные фигуры 2 представлены в виде двумерного массива отражающего зависимость минимальной задержки воспроизведения от размера полезной части пакета.

14. Определяют в блоке оптимизации размера полезной части пакета 11 размер полезной части пакета, при котором обеспечивается минимум задержки воспроизведения.

Для отыскания минимума перебирают все элементы массива (минимум задержки) и попарно сравнивают их друг с другом.

15. Конфигурируют передатчик 13, приемник 14 и декодер 15 в соответствии с оптимальным размером полезной части пакета.

16. Передают из блока определения оптимального размера полезной части пакета 11 в блок определения минимального размера буфера 12, оптимальный размер полезной части пакета.

17. Вычисляют минимальный размер буфера воспроизведения в блоке определения минимального размера буфера 12.

Для вычисления минимального размера буфера используют выражение

вида:

При этом зависимость (8) имеет вид в соответствии с фигурой 3. Анализ фигуры 3 позволяет сделать вывод, что оптимальные значения для задержки и размера буфера достигаются при одинаковом размере пакета. Поэтому размер буфера в блоке определения минимального размера буфера 12 вычисляют по выражению (8) при оптимальном размере полезной части пакета из блока 11.

18. Конфигурируют устройство воспроизведения изображений 16 в соответствии с минимальным размером буфера.

19. Передают покадровый поток цифровых сжатых изображений 17 на устройство сглаживания 18.

20. Сглаживают поток цифровых сжатых изображений 17 в устройстве сглаживания 18 и передают на передатчик 13.

21. Разбивают на пакеты сглаженный поток цифровых сжатых изображений и предают по каналу связи пакетированный сглаженный поток цифровых сжатых изображений на приемник 14.

22. Принимают по каналу связи пакетированный сглаженный поток цифровых сжатых изображений в приемнике 14 и передают на декодер 15.

23. Производят декомпрессию пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений и передают его на устройство воспроизведения 16.

24. Воспроизводят покадровый поток цифровых изображений на экране устройства воспроизведения 16.

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его с использованием, как программируемых интегральных схем, так и телекоммуникационного оборудования с программным управлением.

Сопоставление заявленного способа минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Формируют функцию поступления входного потока.

2. Производят min+свертку кривой обслуживания сети связи с кривой формы устройства сглаживания.

3. Определяют минимальный размер задержки предварительного просмотра.

4. Определяют минимальную кривую поступления входного потока.

5. Определяют минимальную задержку воспроизведения.

6. Определяют минимальный размер буфера воспроизведения.

7. Конфигурируют сеть связи с учетом минимальной задержки воспроизведения и минимального буфера воспроизведения, при которых обеспечивается сглаживание без потерь.

8. Сглаживают поток.

9. Передают поток.

10. Принимают поток.

11. Производят декомпрессию потока.

12. Воспроизводят поток.

Отличительные признаки предлагаемого решения.

1. Учитывают пакетирование входного потока, при получении кривой обслуживания сети связи, посредством использования конкатенации кривых обслуживания (4, 5, 6) для пакетировщиков в соответствии с выражением (3).

2. Минимизируют задержку передачи в условиях пакетирования, для потока цифровых сжатых изображений, посредством отыскания размера полезной части пакета обеспечивающего минимум минимальной задержки воспроизведения при сглаживании без потерь.

3. Учитывают увеличение объема передаваемых данных, вызванное добавлением к каждому пакету заголовка, содержащего служебную информацию, посредством использования функции «всплеск-задержка», которая преобразует кривую поступления входного потока (1) к виду (2).

4. Учитывают ступенчатый характер функции поступления входного потока при передаче цифровых сжатых изображений, посредством применения аффинной кривой поступления входного потока описываемой выражением (1).

5. Учитывают степень компрессии покадрового потока цифровых изображений, посредством принятия в качестве максимального всплеска в выражении (1) максимального размера сжатого кадра.

6. Учитывают при передаче покадрового видео потока частоту кадров, посредством использования в выражениях (1, 2, 7, 8) произведения максимального размера изображения и частоты их следования.

7. Учитывают при передаче покадрового видео потока разрешение изображений, посредством использования при формировании кривой поступления входного потока максимального размера сжатого кадра, который непосредственно зависит от разрешения исходного изображения.

Для экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа была взята телекоммуникационная сеть, по которой осуществлялась передача цифровых сжатых изображений в соответствии исходными данными, представленными в таблице 1.

Для исходных данных, представленных в таблице 1 оптимальный размер пакета равен

При передаче по выбранной для эксперимента телекоммуникационной сети, трафика цифровых сжатых изображений с размером пакета 744 байта, обеспечивалась гарантированная доставка данных при минимальной задержке, чем подтверждается работоспособность предлагаемого способа минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений.

Изобретение относится к области оптимизации размера пакетов данных и может быть использовано для гарантирования требований качества обслуживания (QoS) при передаче трафика цифровых сжатых изображений. Техническим результатом является обеспечение минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений с целью повышения качества обслуживания телекоммуникационного трафика в условиях оптимального сглаживания без потерь, за счет определения оптимального размера полезной части пакета по критерию минимума задержки воспроизведения методом полного перебора возможных вариантов, с учетом кривой поступления входного потока цифровых сжатых изображений и сквозной кривой обслуживания сети связи. Предложен способ минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений. Способ содержит этап, на котором задают параметры входного потока. Далее задают параметры устройств обработки трафика, формируют кривую поступления входного потока. А также формируют кривую обслуживания сети связи. Вычисляют минимальную задержку воспроизведения, определяют оптимальный размер полезной части пакета. 3 ил., 1 табл.

Способ минимизации задержки при гарантированной передаче пакетированного сглаженного потока цифровых сжатых изображений, заключающийся в том, что: задают параметры входного потока; задают параметры устройств обработки трафика; формируют кривую поступления входного потока; формируют кривую обслуживания сети связи; вычисляют минимальную задержку воспроизведения; определяют оптимальный размер полезной части пакета; конфигурируют сеть связи; вычисляют минимальный размер буфера; конфигурируют устройство воспроизведения; передают покадровый поток; сглаживают поток; разбивают поток сжатых изображений на пакеты и передают по каналу связи; принимают по каналу связи поток и передают на декодер; производят декомпрессию потока и передают его на устройство воспроизведения; воспроизводят поток, отличающийся тем, что: задают параметры входного потока изображений в составе: максимального размера сжатого изображения, частоты следования кадров, возможного дрожания потока изображений; задают параметры устройств обработки трафика в составе: минимального размера полезной части пакета, максимального размера полезной части пакета, размера служебной части пакета и производительности; формируют кривую поступления входного потока цифровых сжатых изображений, при этом кривая поступления - это аффинная кривая, представляющая собой двумерный массив, полученный с учетом параметров входного потока цифровых сжатых изображений после пакетирования с добавлением служебной части; формируют сквозную кривую обслуживания сети связи, с использованием правила конкатенации обслуживающих устройств, выражаемого через min+свертку кривых обслуживания всех обслуживающих устройств на пути следования потока цифровых сжатых изображений, при этом в сформированном виде кривая обслуживания сети связи представляет собой двумерный массив; определяют оптимальный размер полезной части пакета, обеспечивающий минимум минимальной задержки воспроизведения при сглаживании без потерь, посредством перебора всех возможных размеров полезной части пакета в диапазоне между минимальным размером полезной части пакета и максимальным размером полезной части пакета; конфигурируют передатчик, приемник и декодер с учетом оптимального размера полезной части пакета.