Distribui

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Distribuição de Mídia ContínuaRecuperação de
Erros

• Jussara M. Almeida

Junho 2005
2
Qualidade do Video e Audio

• Afetada pela perda de pacotes e atrasos na rede
• Uso de buffers no cliente minimiza impacto dos
  atrasos na rede
• E quanto a perda de pacotes?
• Mecanismos de controle de taxa de transmissao
  minimiza mas nao elimina perda
• Automatic Repeat Request (ARQ) retransmissao
• Aumenta latencia inadequado para aplicacoes ao
  vivo
• Forward Error Correction (FEC) envio de
  informacao redundante
• Nao altera latencia, mas aumenta consumo de banda

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Forward Error Correction

• Compromisso
• Enviar grande quantidade de informacao redundante
  aumenta a probabilidade de recuperacao frente a
  perdas
• Porem aumenta o consumo de banda na rede e,
  consequentemente, a taxa de perdas
• Logo mecanismo de FEC tem que ser acoplado a um
  esquema de controle de taxa de transmissao.
• Alem disto, a quantidade de informacao redundante
  que deve ser enviada depende
• Caracteristicas do processo de perdas de pacotes
  no momento
• Restricoes de atraso entre servidor e cliente
• Qualidade da informacao redundante

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Problema

• Dados a taxa total que o servidor pode suportar
  transmitir e o atraso maximo suportado pelo
  cliente, determinar a combinacao de informacao
  principal e informacao redundante que prove a
  melhor qualidade de audio percebida pelos
  usuarios
• Objetivo utilizar metricas subjetivas de
  qualidade de audio
• Simplesmente taxa de perda de pacotes nao e
  suficiente
• EX 10 perdas de 1 pacote cada espacadas vs. 1
  perda de 10
  pacotes consecutivos

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Modelo de Perda de Pacotes

• Area de pesquisa ativa
• Modelo mais simples modelo de Gilbert de 2
  estados

p
1-q
1-p
0
1
q
Probabilidade de perda p / (pq)
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Modelo de FEC 1 - mais simples

• Inclui no pacote n1, em adicao aos frames
  correspondentes, informacao sobre o pacote
  n que pode ser usado para reconstruir (uma
  aproximacao) do pacote n
• Esquema aprovado pelo IETF informacao redundante
  e uma codificacao com bitrate mais baixa do
  pacote n.
• Surpreendentemente, a qualidade subjetiva do
  audio reconstruido com este metodo foi avaliada
  como muito boa
• Mecanismo suporta recuperacao de perdas isoladas
• Se 2 pacotes consecutivos sao perdidos nao e
  possivel recuperar informacao sobre um deles

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Modelo de FEC 2

• Inclui no pacote n1, em adicao aos frames
  correspondentes, informacoes redundantes sobre os
  pacotes n e n-1, ou sobre os pacotes n, n-1 e
  n-2, ou sobre os pacotes n-1 e n-3, etc
• Mecanismo suporta recuperacao de perdas em
  rajadas
• Informacao redundante de um pacote e espalhada
  por multiplos pacotes
• Quanto mais info redundante e adicionada, maior o
  numero de pacotes perdidos que poderao ser
  reconstruidos
• Problema quantidade de informacao redundante
  depende do processo de perda na rede no momento
  em questao

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Modelo de FEC 3

• Algoritmo adaptativo simples
• Precisa saber o beneficio que cada informacao
  extra fornece para escolher a combinacao perfeita
• Para estimar este beneficio, usa o modelo de
  Gilbert para perdas de pacotes
• Ausencia de FEC
• Probabilidade de perda ?1 p / (pq)
• FEC com pacote n contendo info sobre pacote n-1
• Probabilidade de perda pos reconstrucao
  ?2 p (1-q) / (pq)
• ?2/?1 (1-q)
• Se q 0.7 (tipico), reducao na perda de 70

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Modelo de FEC 3
10
Modelo de FEC 3

• Algoritmo adaptativo simples
• Tendo uma taxa de perda de pacotes alvo como
  objetivo basta que o servidor escolha o metodo de
  redundancia que leve a taxa de perdas mais
  proxima do objetivo
• Precisa saber p e q
• Cliente pode medir e retornar em campos livres do
  RTCP
• Assume que processo de perda e Bernoulli p q
  1. Taxa de perdas (p / pq) observada e igual a
  p.

11
Modelo de FEC 3

• Exemplo

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Modelo de FEC 3

• Desvantagens
• Algoritmo minimiza taxa media de perdas (apos
  reconstrucao), que nao necessariamente implica
  melhor qualidade de audio
• EX qualidade seria pobre se qualidade da info
  usada para reconstrucao e baixa
• Adicionar info redundante aumenta demanda por
  banda precisa acoplar algoritmo a um mecanismo
  de controle de transmissao
• Objetivo e que servidor dinamicamente ajuste a
  taxa de transmissao e a quantidade de info
  redundante enviada para minimizar a perda
  percevida pelos clientes

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Modelo de FEC 4

• Modelo de otimizacao conjunto para otimo FEC e
  taxa de transmissao
• Seja f(x) qualidade de um audio com taxa x
• Sejam ?0 e ?1 as probabilidades de um pacote ser
  recebido e ser perdido, respectivamente
• Calculadas de uma cadeia de Markov
• Seja um esquema de FEC que envia K copias de cada
  pacote (K-1 redundantes 1 principal)
• Seja ainda T o atraso maximo entre enviar a
  primeira e a ultima copia de um pacote

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Modelo de FEC 4

• Questao 1 Dados que vamos transmitir k copias de
  cada pacote e o atraso maximo T, como devemos
  espacar as copias de forma a maximizar a
  probabilidade de que pelo menos uma copia seja
  recebida?
• Seja p11(t) a probabilidade de que o processo de
  perdas esteja no estado 1 (perda) no instante t
  ?, dado que ele estava no estado 1 no instante ?
• Probabilidade de perder TODAS as K copias de um
  pacote

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Modelo de FEC 4

• Questao 1 Dados que vamos transmitir k copias de
  cada pacote e o atraso maximo T, como devemos
  espacar as copias de forma a maximizar a
  probabilidade de que pelo menos uma copia seja
  recebida?
• Solucao otima as K copias devem ser igualmente
  espacadas no intervalo 0,T

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Modelo de FEC 4

• Questao 2 Dado que K copias serao transmitidas
  igualmente espacadas no intervalo de tamanho T,
  quais as taxas de codificacao a serem usadas para
  cada copia, a fim de maximizar a qualidade de
  audio, sujeito a restricoes na taxa maxima
• Informacao principal deve ser codificada usando a
  maior taxa possivel
• A ultima copia deve ter maior taxa que todas as
  outras copias
• Algoritmo heuristica para alocacao de taxas
  discretas
• Confuso

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Avaliacao

• Impacto da funcao de qualidade de audio
• f0(x) x
• Solucao otima sempre aloca a taxa maxima para a
  informacao principal e nao envia nenhuma info
  redundante
• f1(x) baseada na razao sinal/ruido
• f2(x) baseada no mean opinion score (MOS)
  (subjetivo)
• f3(x) 1 para x ? 0 e f3(0) 0
• Funcao e maxima se pelo menos alguma informacao e
  recebida, independente da qualidade dela
  minimiza taxa de perdas, enviando muita info
  redundante

18
Avaliacao

• Impacto da funcao de qualidade de audio

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Avaliacao

• Funcionamento
• (T4)
• Encontra combinacao otima de info redundante ao
  inves de pegar uma combinacao fixa que leva a uma
  taxa alvo
• Leva em consideracao banda disponivel e perdas
  ocorridas no momento e restricao de atraso

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Avaliacao

• Funcao que leva a melhor qualidade percebida e a
  f2(x), baseada nos MOS scores
• Pouca diferenca entre usar f0 (sem FEC) e
  otimizar f1 (signal/noise ratio)
• Otimizar para SNR leva a qualidade pobre

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Avaliacao

• Impacto de T (ou numero de copias redundantes)

22
Avaliacao

• Impacto de T (ou numero de copias redundantes)
• Adicionar 1 copia (adicionar info redundante em
  pacote n sobre pacote n-1) melhora
  significativamente qualidade
• Exceto para f1 (signal/noise ratio) que e proxima
  de f0 (sem FEC)
• Observar diminishing returns adicionar pouca
  quantidade de redundancia ja leva a maioria do
  beneficio provido por FEC
• Notar variacao da qualidade com a funcao
  utilizada
• Necessidade de escolher f cuidadosamente

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Distribuição de Mídia ContínuaProtocolos de
Transmissao com Recuperação de Erros

• Jussara M. Almeida

Junho 2005
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Base

• Digital Fountain
• Download com recuperação de erros
• Erasure codes
• Alta latência inicial
• Transmissão sob demanda com compartilhamento de
  fluxos
• Periodic Broadcast, Patching, Bandwidth Skimming
• Recuperação de erros local error concealment
• Adequado para baixas taxas de perdas
• Dificil extensão para recuperação de outras
  perdas
• Transmissão de pacotes o mais tarde possível

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Base

• Novos protocolos baseados em periodic broadcast
  (Harmonic Broadcast)
• Cada segmento recebido inteiramente antes de
  playback
• Extensão para uso de erasure code fácil
• Mas
• Cliente tem que escutar todos segmentos
  simultaneamente (b5,10)
• Grande quantidade de buffer no cliente

26
Revisão

• Skyscraper Broadcast (b 2)
• Parametros e tamanho dos segmentos

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Revisão

• Harmonic Broadcast
• Divisão do arquivo em segmentos de tamanho
  iguais, segmento k transmitido a taxa 1/k
• Clientes escutam todos segmentos simultaneamente,
  comeca a tocar cada segmento depois de recebe-lo
  inteiramente
• Alta latência, alto b

28
Revisão

• Bandwidth Skimming
• Closest Target (b2), Partition (b lt 2)

29
Revisão

• Bandwidth Skimming

30
Revisão

• Banda do Servidor para Protocolos com d gt 0

31
Revisão

• Banda Media do Servidor Minima

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Objetivo

• Novos protocolos baseados em periodic broadcast e
  bandwidth Skimming com as características
• Conveniência baixa latência (dentro de limite)
• Tolerância a taxas de perdas e heterogeneidade
• Confiabilidade recuperação de erros se taxa de
  perda acumulada dentro de um limite pre-definido
• Eficiência mínimo feedback do cliente, mínima
  quantidade de dados para clientes
• Mídia de Alta Qualidade max taxa de transmissão
  do cliente limitada (eg 25 maior que taxa de
  playback)
• Escalabilidade demanda por banda do servidor
  próxima da mínima
• Espaço de Trabalho Fig 4

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Recuperação de Perdas

• Três classes de estratégias
• Erasure code (FEC)
• Retransmissão via unicast
• Retransmissão via multicast
• Análise qualitativa
• Complexidade de implementação
• (De)codificação X implosão de retransmissão/feedba
  ck
• Latência inicial
• Mesma magnitude esperada em todas estratégias
• Mais facilmente estimada para erasure code

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Recuperação de Perdas

• Escalabilidade
• Retransmissão via multicast
• Alguns clientes podem receber dados
  desnecessários
• Erasure code
• Um dado redundante usado para recuperar perdas
  diferentes
• Maior escalabilidade esperada

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Recuperação de Perdas

• Escalabilidade avaliação analítica
• Retransmissão via multicast solução numérica

36
Recuperação de Perdas

• Escalabilidade avaliação analítica

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Reliable Periodic Broadcast

• Optimized Periodic Broadcast
• Max progressão de tamanhos de segmentos para
• Taxa de transmissão de cada segmento r ( r lt 1)
• Número de fluxos simultâneos cliente pode
  escutar s
• Cliente recebe cada segmento inteiramente antes
  de tocá-lo
• Recuperação de perdas local
• Min latência para banda do servidor fixa ou
  vice-versa
• Objetivo explorar trade-offs para b rs lt 2

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Reliable Periodic Broadcast

• Basic Reliable Periodic Broadcast
• Recuperação de perdas com erasure code
• Taxa de perda acumulada ao final de
  cada segmento ? p
• Reliable Periodic Broadcast
• Rajadas maior taxa de perdas nos primeiros
  segmentos
• Heterogeneidade de clientes e transmissão com
  perdas maiores que o limite pre-definido p

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Optimized Periodic Broadcast

• Perda de pacotes local error concealment
• Segmento inteiramente recebido antes de iniciar
  visualização
• Protocolo

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Optimized Periodic Broadcast

• Protocolo
• Novo cliente imediatamente começa a escutar os
  primeiros s fluxos
• Quando primeiro segmento completamente recebido
• Cliente inicia visualização e
• Começa a receber segmento s1
• Max progressão dos tamanhos dos segmentos
• r 1
• r lt 1
• Extensões para incluir overhead de decodificação
  e de estabelecer conexão multicast

41
Optimized Periodic Broadcast

• Desempenho

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Optimized Periodic Broadcast

• Desempenho
• Banda do servidor
• Optimized PB competitivo com Skyscraper apesar de
  exigir recebimento total de cada segmento antes
  de visualização
• Menor r melhor desempenho
• Menor latência para banda fixa ou menor banda
  para latência fixa
• Frequência de Multicasts
• Lower bound 1/(xd)
• Dados no mesmo segmento transmitidos na mesma
  freq.
• Menor r, maior k, menor tamanho do segmento

43
Basic Reliable Periodic Broadcast

• Cada segmento transmitido como digital fountain
  usando erasure code

44
Basic Reliable Periodic Broadcast

• Cada segmento transmitido como digital fountain
  usando erasure code
• Sem limites de segmentos
• Poucas perdas no início levam a início dos
  próximos segmentos mais cedo e permite mais
  perdas no final (desde que acumulada esteja
  limitada a p
• Premissa taxa de perda de pacotes acumulada ao
  final do recebimento de cada pacote limitada a p

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Basic Reliable Periodic Broadcast

• Nova progressão de segmentos
• a 1/(1-p) pacotes recebidos
• a pode incluir acréscimo devido a redundancia
• p0.2 e eficiência de decodificação 1.05
  p 1.051.25 1.3125

46
Basic Reliable Periodic Broadcast

• Desempenho do Basic RPB

47
Basic Reliable Periodic Broadcast

• Desempenho do Basic RPB

48
Basic Reliable Periodic Broadcast

• Desempenho do Basic RPB
• Tradeoff entre latência e banda para perda fixa.
• Menor r, maior desempenho (diminishing returns)
• Mas menor r, maior segmentos, segmentos
  menores, menor overhead de decodificação.
• Extensão para rajadas de perdas
• Segmentos iniciais, menores, mais afetados
• Parâmetro a 1/1 p eficiência de
  decodificação
• Segmentos iniciais tem valores de a maiores

49
Basic Reliable Periodic Broadcast

• Max perda permitida para diferentes posições do
  arquivo usando valores de a variáveis

50
Heterogeneidade de Clientes

• Soluções
• Simulcast diversas versões do objeto
• Codificação em camadas
• Pode-se acomodar heterogeneidade de clientes
  (limitada) com o RPB
• Explorar trade-offs entre latência, taxa de
  perdas e taxa de transmissão para cliente
• Políticas específicas future work

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Reliable Bandwidth Skimming

• Transmissão em dois fluxos a
  taxa total 1/(1-p)
• Primário, a taxa 1
• Secundário a taxa p/(1-p) deslocado no tempo
  para prover melhor proteção contra rajadas
• Merges ocorrem como no BWSkim básico entre fluxos
  primários e entre fluxos secundários.

52
Reliable Bandwidth Skimming

• Desempenho

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RPB vs. RBS

• RBS
• Banda de servidor é função da carga (se carga
  leve, demanda pequena)
• Suporte para interatividade
• RPB
• Um pouco mais eficiente com respeito a quantidade
  de dados recebidos por cada cliente
• Mais tolerante a rajadas de perdas sem
  interrupção