СРАВНЕНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОТРАФИКА В БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ 802.11 В ЧАСТОТНЫХ ДИАПАЗОНАХ 2,4 И 5 ГГЦ

В настоящее время технология интерактивного телевидения (IPTV) заменила традиционное телевещание и продолжает набирать обороты. IPTV представляет собой современную технологию, которая, в отличии от эфирного, кабельного и спутникового, представляющих собой традиционные виды цифрового телевидения, передает данные по протоколу IP. IPTV значительно расширяет возможности телевидения, клиент вправе приостановить видеотрансляцию, записать ее, добавить в избранное, активировать дополнительные виды обслуживания.

Доступ к данной услуге интерактивного телевидения может осуществляться как проводным и беспроводным способом. Наиболее удобным для пользователя считается беспроводный способ по технологии Wi-Fi (802.11), которая позволяет минимизировать длину кабельной системы и обеспечить пользователю доступ к услуге в любой точке помещения. Однако, качество передачи потокового видео по беспроводной сети подвержено множеству факторов: многолучевое распространение, слабый уровень сигнала, межсимвольная интерференция, нестабильность радиосреды. Данные факторы могут вызвать такие явления, как пикселизация, зависание изображения, рассинхронизация речи и изображения[1].

В данной работе производится сравнение качества получаемого изображения при передаче потокового видео по беспроводной сети в частотном диапазоне 2,4 ГГц и 5 ГГц, а также рассмотрим методы по улучшению качества передачи видеотрафика.

Функциональная схема исследования представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная схема исследования качества IPTV-трафика

Для исследования передачи видеотрафика по сети Wi-Fi использовался фрагмент сети, представленный на рисунке 2, который включает в себя видеосервер, двухдиапазонную точку доступа и клиентский компьютер с программным обеспечением для оценки показателей качества видео.

Рисунок 2. Стенд по исследованию качества IPTV-трафика

Программное обеспечение, используемое на клиентском ПК:

• проигрыватель VLC – для потокового вещания и воспроизведения видеоконтента;
• анализатор трафика Wireshark для оценки показателей качества (QoS);
• анализатор радиосреды inSSIDer – для оценки уровня мощности сигнала (RSSI), анализа электромагнитной обстановки.

Перечисленное программное обеспечение имеет бесплатную лицензию и свободно распространяются в сети Интернет.

В данной работе будут оцениваться следующие показатели:

• RSSI (received signal strength indicator) – показатель уровня принимаемого сигнала;
• IPTD (IP Packet Transfer Delay) – абсолютная задержка пакета;
• IPDV (IP Packet Delay Variation ) – вариация задержки пакетов;
• IPLR (IP Packet Loss Ratio) – коэффициент потерянных пакетов;
• IPER (IP Packet Error Ratio) – коэффициент поврежденных пакетов[3].

Параметр IPTD определяется как абсолютное значение разности задержки между вводом и выводом пакета из сети [2].

Показатель IPDV (джиттер) используется для обозначения случайных изменений между моментами поступления последовательных пакетов речи в приемник. Джиттер проявляется в том, что регулярно передаваемые пакеты прибывают в нерегулярные моменты времени, следовательно, в результате действия джиттера речь становится неразборчивой, а изображение искажается. На величину джиттера могут повлиять такие явления как: отражение, интерференция, преломление, эффект Доплера.

Характерные  для IP-сетей  временные  задержки  и разброс  задержек  пакетов  (джиттер)  могут  серьезно  исказить  речевую  и  видеоинформацию.  При этом разброс задержек пакетов  гораздо сильнее влияет на качество передачи, чем абсолютное значение задержки. Для  трафика реального времени   максимальная  задержка  не  должна  превышать  нескольких  десятых долей секунды с учетом времени обработки информации в узлах[4]. Вариация задержки также должна быть минимизирована. Необходимо также учитывать, что при сжатии мультимедийная информация становится более чувствительной к  ошибкам,  возникающим  при  передаче,  и  их  нельзя  исправить  повторной передачей из-за необходимости передачи контента в реальном времени.

Соответственно, наибольший интерес представляют абсолютная задержка и вариация задержки (джиттер), так как именно они визуально отражают качество получаемого изображения и звука.

На рисунке 3 представлены графики зависимостей параметров качества от расстояния между приемником и передающей точкой доступа в частотных диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц, полученные в результате эксперимента.

Рисунок 3. Графики зависимости параметров качества от расстояния на частотах 2.4 и 5 ГГц

Из полученных зависимостей видно, что при удалении клиентского ПК от точки доступа на расстоянии до 7-8 метров при использовании диапазона 5 ГГц показатели RSSI и IPDV ниже, чем для диапазона 2,4 ГГц. При дальнейшем увеличении расстояния показатели уровня принимаемого сигнала и джиттера для диапазона 5 ГГц начинают превышать соответствующие показатели для диапазона 2,4 ГГц. Соответственно на малом расстоянии (7-8 метров) лучше использовать диапазон 5 ГГц. Данный факт можно объяснить тем, что диапазон 2,4 ГГц зашумлен соседними точками доступа, в то время как диапазон 5 ГГц используется меньше

При удалении на расстояние более 7-8 метров величина потерь для диапазона 2,4 ГГц меньше, чем при 5 ГГц. Это объясняется тем, что на больших частотах величина затухания сигнала больше, следовательно, и число потерянных (ошибочных) бит будет увеличиваться. Соответственно, на дальнем расстоянии (7-13 метров) предпочтительной для пользователя будет частота 2,4ГГц, но при этом качество видео будет средним.

Для уменьшения влияния вариации задержки на качество видеотрафика  можно использовать следующие варианты:

увеличение размера джиттер-буфера на приемной стороне. Чем больше показатель IPTD, тем больший размер джиттер-буфера необходим для компенсации задержек, в противном случае часть пакетов будет отброшена, если они придут позже момента воспроизведения. При максимальном размере джиттер-буфера появляется возможность свести количество отбрасываемых пакетов к минимуму, но это внесёт задержку на отображение всего потока видео, при этом изображение станет плавным и без искажений.

Следовательно, размер джиттер-буфера должен динамически меняться во времени, в зависимости от текущего состояния сети.

Ниже представлены кадры из видеоролика, который передавался по беспроводной сети на расстоянии 12 метров до получателя на разных частотных диапазонах.

Рисунок 4. Качество изображения на частоте 2.4 ГГц (слева) и на частоте 5ГГц (справа) при 12 метров от передатчика

Как видно, на рисунке справа явно наблюдается пикселизация изображения, что связано с потерей и искажением пакетов данных. Также при воспроизведении На том же расстоянии, на частоте 2.4 ГГц качество изображения можно оценить, как хорошее.

Основные выводы:

1. На расстоянии 7-8 от точки доступа до абонента предпочтительно использовать каналы в частотном диапазоне 5 ГГц. С увеличением расстояния желательно переходить на диапазон 2,4 ГГц.
2. Для минимизации влияния вариации задержки можно увеличить размер джиттер-буфера на приемной стороне, но при этом пользователю придется ожидать наполнения буфера дольше необходимого времени, определяемого скоростью передачи данных.
3. Уровень сигнала при работе точки доступа в диапазоне  5ГГц на малых расстояниях выше, чем при 2,4ГГц. Это следует из того, что диапазон 5ГГц реже используется и менее зашумлен, по сравнению с диапазоном 2,4ГГц, на котором работают ИК-устройства, технология Bluetooth и т.д.

Список литературы:

1. Ибраева Л.О. Анализ проблем обеспечения качества в мультисервисных сетях //SCIENCE AND WORLD. – 2013. – С. 38.
2. Олифер В.Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд //СПб.: Питер. – 2006. – Т. 958.
3. МСЭ-Т Recommendation Y.1540. IP Packet Transfer and Availability Performance Parameters// Техническая документация – 2019. – [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1540-201912-I (дата обращения: 25.09.2020).
4. МСЭ-Т Recommendation Y.1541. Network Performance Objectives for IP-Based Services// Техническая документация – 2015. – [электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-Y.1541 (дата обращения: 25.09.2020).