Università degli Studi di Roma La Sapienza Ingegneria delle Telecomunicazioni Ingegneria delle Telecomunicazioni TESI DI LAUREA TESI DI LAUREA Metodi di

Università degli Studi di RomaUniversità degli Studi di Roma La Sapienza La Sapienza

Ingegneria delle Telecomunicazioni Ingegneria delle Telecomunicazioni TESI DI LAUREATESI DI LAUREA

Metodi di Allocazione delle Risorse per Metodi di Allocazione delle Risorse per Comunicazioni Video su Reti WirelessComunicazioni Video su Reti Wireless

Candidato : Giovanni CasaleCandidato : Giovanni CasaleRelatore : Marco ListantiRelatore : Marco Listanti

SommarioSommario

Sviluppo della TesiSviluppo della Tesi Modello Cross-Layer per l’Allocazione delle RisorseModello Cross-Layer per l’Allocazione delle Risorse Paradigmi delle attuali e future Reti WirelessParadigmi delle attuali e future Reti Wireless Strategie per un’efficiente Codifica VideoStrategie per un’efficiente Codifica Video Allocazione delle Risorse su Reti 3GAllocazione delle Risorse su Reti 3G Allocazione delle Risorse per Videoconferenze su WlanAllocazione delle Risorse per Videoconferenze su Wlan Allocazione di Risorse su Reti OFDMAllocazione di Risorse su Reti OFDM

Obbiettivi della TesiObbiettivi della Tesi Garantire la “fairness” tra gli utentiGarantire la “fairness” tra gli utenti Massimizzare l’efficienza del SistemaMassimizzare l’efficienza del Sistema

CASALE GIOVANNI

Modello Cross-Layer per Modello Cross-Layer per l’Allocazione delle Risorsel’Allocazione delle Risorse

Privilegiare il flusso informativo “verticalmente”Privilegiare il flusso informativo “verticalmente” Considerare le limitazioni “verticalmente”Considerare le limitazioni “verticalmente” Ottimizzare l’Allocazione delle Risorse Ottimizzare l’Allocazione delle Risorse

orizzontalmente tra gli utentiorizzontalmente tra gli utenti Eseguire l’Allocazione delle Risorse Eseguire l’Allocazione delle Risorse

dinamicamente nel tempodinamicamente nel tempo Allocare congiuntamente le risorse di rete con i Allocare congiuntamente le risorse di rete con i

parametri di codifica di sorgenteparametri di codifica di sorgente Minimizzare la Distorsione end-to-end,il Ritardo Minimizzare la Distorsione end-to-end,il Ritardo

end-to-end, e il Costo totale.end-to-end, e il Costo totale.

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Paradigmi delle attuali e future Paradigmi delle attuali e future Reti WirelessReti Wireless

Obbiettivo primario : sfruttare al meglio le limitate risorse Obbiettivo primario : sfruttare al meglio le limitate risorse radioradio

Utilizzare congiuntamente AMC e la Codifica AFEC migliora Utilizzare congiuntamente AMC e la Codifica AFEC migliora l’efficienza in banda e adatta il livello di protezione dagli l’efficienza in banda e adatta il livello di protezione dagli errori di canale.errori di canale.

Usare efficientemente l’energia nei dispositivi mobili Usare efficientemente l’energia nei dispositivi mobili Il Controllo di Potenza di Trasmissione è utile per garantire Il Controllo di Potenza di Trasmissione è utile per garantire

una certa qualità di collegamento e ridurre le interferenze co-una certa qualità di collegamento e ridurre le interferenze co-canale.canale.

L’assegnazione dinamica del canale può migliorare l’utilizzo L’assegnazione dinamica del canale può migliorare l’utilizzo delle risorse radio del sistema assegnate ad un utente.delle risorse radio del sistema assegnate ad un utente.

Le principali strategie utilizzate sono :Le principali strategie utilizzate sono : CDMACDMA OFDMOFDM OFDMA OFDMA

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Strategie per un’efficiente Strategie per un’efficiente codifica video (1/2)codifica video (1/2)

La Compressione Video:La Compressione Video:1.1. Discrete Cosine TransformDiscrete Cosine Transform

2.2. La Codifica PredittivaLa Codifica Predittiva

Viene effettuata tramite i Moving Vector Viene effettuata tramite i Moving Vector xxii che indicano lo che indicano lo spostamento nei MB dei frame successivispostamento nei MB dei frame successivi

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TAIAC ACAI T *

Strategie per un’efficiente Strategie per un’efficiente codifica video (2/2)codifica video (2/2)

La Codifica Scalabile :La Codifica Scalabile :1.1. Layered Scalable Video CodingLayered Scalable Video Coding

-Strato base-Strato base

-Strati superiori-Strati superiori

2.2. Fine Granularity Scalability (FGS)Fine Granularity Scalability (FGS)

-Strato base -Strato base

-Strato FGS : si può decodificare un qualsiasi bitstream -Strato FGS : si può decodificare un qualsiasi bitstream troncato ottenendo una qualità video proporzionale troncato ottenendo una qualità video proporzionale ai bit ricevutiai bit ricevuti

Controllo d’errore :Controllo d’errore :-Error Resilient all’encoder-Error Resilient all’encoder

-Error Concealment al decoder-Error Concealment al decoder

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Allocazione delle Risorse su Allocazione delle Risorse su Reti 3G (1/3)Reti 3G (1/3)

Al video viene applicata una codifica MPEG-4 FGSAl video viene applicata una codifica MPEG-4 FGS L’encoder FGS codifica tutti i bit plane per ogni frame e L’encoder FGS codifica tutti i bit plane per ogni frame e

lascia decidere al server quali inviare (strato FGS)lascia decidere al server quali inviare (strato FGS) Il protocollo è implementato alla stazione baseIl protocollo è implementato alla stazione base Ogni utente ha un encoder FGS che può inviare anche Ogni utente ha un encoder FGS che può inviare anche

informazioni R-D al protocolloinformazioni R-D al protocollo Il protocollo in base all’ informazione di canale minimizza Il protocollo in base all’ informazione di canale minimizza

la distorsione totale allocando dinamicamente codici,rate e la distorsione totale allocando dinamicamente codici,rate e potenza agli utentipotenza agli utenti

Il protocollo deve tener conto che i codici,i rate e la Il protocollo deve tener conto che i codici,i rate e la potenza da assegnare agli utenti sono limitatipotenza da assegnare agli utenti sono limitati

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Algoritmo per lo strato base

Assegnare Cj codici a tuttigli utenti,assegnando Tmax,

Per trasmettere lo stratobase Ro

Verificare che ci sianocodici disponibili per

tutti gli utenti

Verificare che la potenzarichiesta non superi la

massima potenza allocabilePsum>?Pmax

Ridurre Psum fineAlgoritmo per lo strato FGS

Verificare se ci sono altri codicidisponibili

Liberare Psum Psum>?Pmax

Assegnare un nuovo codice per

minimizzare laDistorsione

Ottenere laminima

DistorsioneFine

siNo

Ridurre la Distorsioneaumentando la potenza

si no

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no

si


Risultati di SimulazioneRisultati di Simulazione Paragoniamo l’algoritmo proposto ad un algoritmo che ad Paragoniamo l’algoritmo proposto ad un algoritmo che ad

ogni iterazione assegna un nuovo codice all’utente con la ogni iterazione assegna un nuovo codice all’utente con la più grande |dDj/dPsum|più grande |dDj/dPsum|

L’algoritmo proposto fornisce una maggiore fairness tra gli L’algoritmo proposto fornisce una maggiore fairness tra gli utenti e un guadagno medio di PSNR di 9dB. Al variare del utenti e un guadagno medio di PSNR di 9dB. Al variare del numero degli utenti ottiene miglioramenti del 45% sulla numero degli utenti ottiene miglioramenti del 45% sulla Distorsione totale.Distorsione totale.

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Allocazione delle Risorse per Allocazione delle Risorse per Videoconferenze su WLAN (1/3)Videoconferenze su WLAN (1/3)

Descrizione del SistemaDescrizione del Sistema Si considera il caso di una singola cella con N utenti e N/2 coppie Si considera il caso di una singola cella con N utenti e N/2 coppie

di conversazione, con videoconferenze punto-punto.di conversazione, con videoconferenze punto-punto. Il sistema è costituito da :un encoder video,un channel encoder, Il sistema è costituito da :un encoder video,un channel encoder,

un componente di trasmissione IEEE 802.11 e un allocatore di un componente di trasmissione IEEE 802.11 e un allocatore di risorse.risorse.

I video pacchetti sono inviati dall’utente al server e reinstradati I video pacchetti sono inviati dall’utente al server e reinstradati versoverso

l’ altro partner di conversazione.l’ altro partner di conversazione. Si considera lo standard IEEE 802.11a con 8 modi PHY.Si considera lo standard IEEE 802.11a con 8 modi PHY. Un utente alla volta occupa tutta la banda disponibile.Un utente alla volta occupa tutta la banda disponibile. Si utilizza una codifica MPEG-4 FGS.Si utilizza una codifica MPEG-4 FGS. Si applica la codifica FEC allo strato base e MD-FEC allo strato Si applica la codifica FEC allo strato base e MD-FEC allo strato

FGS.FGS.

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Ottimizzazione congiunta Uplink-DownlinkOttimizzazione congiunta Uplink-Downlink Scegliere i modi di trasmissione e il numero di pacchetti trasmessi per Scegliere i modi di trasmissione e il numero di pacchetti trasmessi per

ogni utente per minimizzare il massimo valore atteso della ogni utente per minimizzare il massimo valore atteso della Distorsione.Distorsione.

Soluzione per lo strato baseSoluzione per lo strato base Si trova il più piccolo numero di pacchetti di parità richiesto per ogni Si trova il più piccolo numero di pacchetti di parità richiesto per ogni

modo di trasmissione per ottenere una fissata probabilità di perdita di modo di trasmissione per ottenere una fissata probabilità di perdita di pacchetto.pacchetto.

Si calcolano i corrispondenti tempi di trasmissioneSi calcolano i corrispondenti tempi di trasmissione Si cercano i modi PHY per ottenere il più basso ritardo di trasmissioneSi cercano i modi PHY per ottenere il più basso ritardo di trasmissione

Soluzione per lo strato FGSSoluzione per lo strato FGS Si cerca una serie efficiente Si di modi PHYSi cerca una serie efficiente Si di modi PHY Si ottiene la serie corrispondente Ti dei ritardi di trasmissioneSi ottiene la serie corrispondente Ti dei ritardi di trasmissione Si ordina Ti in modo crescenteSi ordina Ti in modo crescente Si calcola la funzione ritardo-distorsione per l’utente iSi calcola la funzione ritardo-distorsione per l’utente i Si calcolano i ritardi di trasmissione che minimizzano la massima Si calcolano i ritardi di trasmissione che minimizzano la massima

distorsione,e si ricavano i modi di trasmissione. distorsione,e si ricavano i modi di trasmissione.

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Paragoniamo l’algoritmo proposto a un algoritmo che alloca Paragoniamo l’algoritmo proposto a un algoritmo che alloca ottimamente le risorse in modo individuale sia per l’uplink ottimamente le risorse in modo individuale sia per l’uplink che per il downlink.che per il downlink.

L’ algoritmo proposto ottiene una qualità video maggiore e L’ algoritmo proposto ottiene una qualità video maggiore e più fair tra gli utentipiù fair tra gli utenti

Aumentando il numero degli utenti nel sistema si hanno Aumentando il numero degli utenti nel sistema si hanno miglioramenti da 3.67 a 8.65 dB.miglioramenti da 3.67 a 8.65 dB.

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Allocazione delle Risorse su Allocazione delle Risorse su Reti OFDM (1/3)Reti OFDM (1/3)

Descrizione del Sistema :Descrizione del Sistema : Codifica video : 3-D Embedded Wavelet Video Coding.Codifica video : 3-D Embedded Wavelet Video Coding. Sistema a singola cella multiuser OFDM.Sistema a singola cella multiuser OFDM. Il sistema ha N sottoportanti di banda W e K utenti.Il sistema ha N sottoportanti di banda W e K utenti. Il server memorizza i GOF di ogni video nei bufferIl server memorizza i GOF di ogni video nei buffer Un GOF alla volta viene inviato all’encoder 3-D EWV,e Un GOF alla volta viene inviato all’encoder 3-D EWV,e

viene codificato in un flusso di coding pass.viene codificato in un flusso di coding pass. I coding pass vengono raggruppati in cluster e poi I coding pass vengono raggruppati in cluster e poi

trasmessitrasmessi L’allocazione delle risorse viene fatta dall’Allocatore L’allocazione delle risorse viene fatta dall’Allocatore

delle Risorse in base alle informazioni R-D e alle delle Risorse in base alle informazioni R-D e alle informazioni di canale. informazioni di canale.

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Ottimizzazione nell’Allocazione delle Risorse :Ottimizzazione nell’Allocazione delle Risorse : Scegliere ottimamente A,R,dT per minimizzare la massima Scegliere ottimamente A,R,dT per minimizzare la massima

Distorsione pesata tra tutti gli utenti considerando i limiti di Distorsione pesata tra tutti gli utenti considerando i limiti di assegnazione di sottoportante,rate e potenza massima assegnazione di sottoportante,rate e potenza massima allocabile.allocabile.

Algoritmo propostoAlgoritmo propostoOttenere i GOF R-D di tutti i coding pass non inviati per tutti gli utenti

Calcolare il rate richiesto per ottenere una fissata Distorsioneper tutti gli utenti

Verificare la realizzabilità dei rate

Rate ancora disponibile?

Raffinamento della Qualità

si

no

noSi aumenta la Distorsione fissata si

Si diminuisce laDistorsione fissata

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Risultati di SimulazioneRisultati di Simulazione Paragoniamo l’algoritmo proposto ad un algoritmo simile al TDMA,che Paragoniamo l’algoritmo proposto ad un algoritmo simile al TDMA,che

assegna tutte le sottoportanti in un intervallo di trasmissione solo assegna tutte le sottoportanti in un intervallo di trasmissione solo all’utente con la maggiore Distorsione.all’utente con la maggiore Distorsione.

L’algoritmo proposto ottiene un PSNR maggiore specialmente quando L’algoritmo proposto ottiene un PSNR maggiore specialmente quando aumenta il numero degli utenti.aumenta il numero degli utenti.

L’algoritmo proposto ottiene una deviazione di PSNR al variare del L’algoritmo proposto ottiene una deviazione di PSNR al variare del numero dei frame in un intervallo più piccolo rispetto all’altro algoritmo.numero dei frame in un intervallo più piccolo rispetto all’altro algoritmo.

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