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系統識別號 U0002-1407200811450300
中文論文名稱 適應性編碼技術基於服務品質之丟棄封包機制於IEEE 802.16e網路之研究
英文論文名稱 Scalable Video Coding of H.264/AVC Video Streaming with QoS-based Active Dropping in IEEE 802.16e network
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 江任鈞
研究生英文姓名 Jen-Chun, Chiang
學號 695450907
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-19
論文頁數 79頁
口試委員 指導教授-李維聰
委員-劉豐豪
委員-朱國志
中文關鍵字 適應性編碼  IEEE 802.16  WiMAX 
英文關鍵字 WiMAX  IEEE 802.16e  H.264/AVC  QoS  Scalable Video Coding (SVC) 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 IEEE 802.16是針對支援廣域都會型無線網路以及微波頻帶提出的一種新的通訊標準,並且以無線的方式取代最後一哩的寬頻網路接取。因為使用了高效率的無線訊號傳輸,所以傳輸距離最遠到達48km,末端的頻寬有300Kbps~2Mbps,與傳統的有線網路做比較,其硬體鋪設較為快速,且不受地形的影響以及低成本的特性,其主要是應用在單點對多點間的無線寬頻傳輸,並設定在無障礙空間範疇內傳輸。
早期的影像串流傳輸,其串流資料量相當龐大,因此需要較大的頻寬來支援,但無線網路的頻寬卻是有限且很珍貴。因此Joint Video Team(JVT) formed by the ISO/IEC MPEG and ITU-T develops the extension of H.264/AVC scalable video coding (SVC)。H.264/SVC提供使用者不同的畫面品質,跟據使用者所接收到的資料多寡。但若用極佳的畫面品質來服務每位使用者,將會耗費掉許多頻寬。
在先前的研究內容中,有利用控制傳輸率,並且降低用戶端的緩衝區,以提高影像畫面傳輸的完整性,達到維持畫面品質的效用。另外也有些研究室利用緩衝區的控管機制,去控制緩衝區內的資料量,並且在特殊的情況之下,丟棄那些較不重要的資料,提高影像串流的細緻度。
而在此研究中,目標在提供不同的使用者存取不同影像品質的影像服務。在早期影像串流都為單一的傳輸率,較不適用於現今的無線網路區域中,因此我們將使用適應性編碼技術,讓影像串流能有不同的傳輸率以配合不同的使用者存取。而不同的使用者也有不同優先權,根據這個用戶優先權,使用者能存取不同影像畫質的影像串流,這樣的優點能有效提升頻寬使用率。為了達成這樣的成果,我們提出一套QoS-based Active Dropping mechanism,利用這個機制,來選擇性丟棄資料封包。我們賦予使用者有三種使用權限,最高權限的使用者在任何情況下,能有最佳的畫面品質,而最低權限的使用者在網路使用率偏高的情況下,僅能擁有最基本的影像品質。在這套機制之中,搭配著封包丟棄機率,這機率為一線性分布,其組成為當前的網路使用率以及我們所提出的網路限制值。最後我們將進行這套機制的模擬,並觀察運作時的特徵,的確在機制運作時能提供更多的使用者來存取同一個網路系統,表示已有效提升頻寬使用率,而在使用者端的影像品質也能有所區分,符合現代服務的品質要求。
英文摘要 IEEE 802.16 is a new communication standard for supporting the Wireless Metropolitan Area Network. IEEE 802.16 replaces the last one mile by the way of wireless connects and fetches. Because it used high-efficiency wireless signal transmitting and treatment technology, it is farthest to 48km to transmit the distance, wide 300Kbps- 2Mbps bandwidth of end. Compared with the tradition wired network, IEEE 802.16 possesses the characteristics of the fast laying of hardware, being free from the effect of topography, and low cost.
Multimedia applications over mobile wireless network are becoming popular in recent years. High video quality depends on the wide bandwidth but the wide bandwidth restricts the number of users in the network system. Effective bandwidth utilization is the major problem in wireless network because the bandwidth resource in wireless environment is limited and precious.
For this reason, we propose an active dropping mechanism to deal with the effective bandwidth utilization problem. In the proposed mechanism, if the network loading exceeds the threshold, the dropping mechanism starts to drop the enhancement layer data for low level user and the dropping probability is varying with the different network loading. For the multimedia application, we use the characteristic of the Scalable Video Coding (SVC) extension of H.264/AVC standard to provide different video quality for different level user. By the dropping mechanism, base station increases the system capability and users can obtain better quality of service when the system is under heavy loading.
In this research, we study the network of the 802.16e standard and add the QoS-based Active Dropping mechanism to the MAC layer. The dropping mechanism works when the base station loading is exceeding the bandwidth threshold. We adjust the threshold value dynamically to balance between the bandwidth utilization and video quality. By the dropping mechanism, network system can release bandwidth which is used to transmit the dropped data before and base station can support more users to access this network system. In the simulation results, we improve the bandwidth utilization and the network capability and achieve the QoS for each user.
論文目次 目 錄
第一章 緒論 - 1 -
1.1 前言 - 1 -
1.2 動機與目的 - 2 -
1.3 論文章節架構 - 4 -
第二章 H.264/AVC與其適應性編碼技術 - 6 -
2.1 H.264視訊壓縮標準簡介 - 6 -
2.2 H.264/AVC視訊壓縮標準 - 7 -
2.2.1 H.264/AVC的基本架構 - 7 -
2.2.2 三種不同類別之特性 - 12 -
2.3 H.264/AVC之適應性編碼技術簡介 - 21 -
2.4 H.264/AVC之適應性編碼技術架構 - 22 -
2.5 H.264/AVC適應性編碼之封包架構 - 25 -
第三章IEEE 802.16e-2005無線網路 - 28 -
3.1 無線網路的分類 - 28 -
3.2 IEEE 802.16網路標準簡介 - 29 -
3.3 IEEE 802.16e-2005網路架構 - 31 -
3.3.1 媒體存取控制層的結構 - 32 -
3.3.2 媒體存取控制層的運作流程 - 34 -
3.4 Service Flow的種類 - 39 -
第四章 模擬環境及模擬結果分析 - 43 -
4.1 模擬環境之架構 - 43 -
4.2 模擬環境之參數設定 - 44 -
4.2.1 網路系統參數設定 - 45 -
4.2.2 影像串流參數設定 - 46 -
4.3 具服務品質之主動丟棄封包機制 - 47 -
4.3.1 丟棄封包演算法 - 48 -
4.3.2 丟棄封包方程式 - 51 -
4.4 主動式丟棄封包機制模擬結果與分析 - 54 -
4.5 動態調整門檻值之研究與分析 - 60 -
4.5.1 使用者層級為導向之門檻值調整 - 60 -
4.5.2 流量使用導向之門檻值調整 - 63 -
第五章 結論與未來展望 - 75 -
參考文獻 - 78 -

圖目錄
圖2.1 VCL和NAL間的運作流程圖 - 9-
圖2.2 Encode端VCL編碼過程 - 10-
圖2.3 NAL header欄位定義 - 11-
圖2.4 各Profile內部技術支援比較表 - 14-
圖2.5 以13個Slice所組成之GOP編碼順序 - 17-
圖2.6 時間性加權預測示意圖 - 20-
圖2.7 H.264/AVC之適應性編碼技術架構 - 25-
圖2.8 適應性編碼之網路提取層標頭 - 26-
圖3.1 現今無線網路的分類比較 - 29-
圖3.2 IEEE 802.16e媒體控制存取層架構 - 33-
圖3.3 SS的資料傳送流程 - 37-
圖3.4 IEEE 802.16e標準中的框架架構 - 39-
圖4.1 本論文之模擬模型 - 44-
圖4.2 丟棄封包演算法的流程圖 - 49-
圖4.3 BS不同網路負載所能提供之服務人數 - 54-
圖4.4 BS不同網路負載所能提供之服務人數 - 56-
圖4.5 各層級使用者所獲得的影像品質 - 57-
圖4.6 各層級使用者之丟棄率 - 58-
圖4.7 不同頻寬負載門檻值的影響 - 59-
圖4.8 動態調整門檻值p之結果 - 62-
圖4.9 影像使用頻寬與剩餘頻寬量表 - 64-
圖4.10 步階式模型之調整結果 - 65-
圖4.11 相對剩餘量模型之調整結果 - 67-
圖4.12 不同門檻初始值的影響 - 69-
圖4.13 歷史相依性模型之調整結果 - 71-
圖4.14 不同α值之模擬結果 - 73-

表目錄
表4.1 網路系統環境參數 -45-
表4.2 各種維度的SVC影像串流平均位元率 -46-
參考文獻 [1] Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY) specifications. ANSI/IEEE Std 802.11: 1999 (E) Part 11,ISO/IEC 8802-11, 1999.
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[16] http://tools.ietf.org/html/draft-wenger-avt-rtp-svc-03
[17] http://wimaxforum.org/home/
[18] Ching Yao Huang; Hung-Hui Juan; Meng-Shiang Lin; Chung-Jun Chang “Radio resource management of heterogeneous services in mobile WiMAX systems” Wireless Communications, IEEE [see also IEEE Personal Communications] Feb 2007.
[19] http://www.dslforum.org/home
[20] IEEE.802.16e-2005: Air Interface for fixed and Mobile Broadband Wireless Acess Systems- Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands. Standard, 28 February 2006.
[21] Heiko Schwarz, Detlev Marpe, and Thomas Wiegand” Overview of the Scalable Video Coding Standard,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, scheduled March 2007.
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