Approche de codage conjoint source canal pour l optimisation d une transmission vidéo MPEG-2 sur ADSL

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1 Approche de codage conjont source canal pour l optmsaton d une transmsson vdéo MPEG- sur ADSL M. Zwngelsten-Coln, M. Gharb, M. Gazalet IEMN-DOAE UMR CNRS 85 Unversté de Valencennes Le Mont Houy Valencennes Cedex 9 Emal : Mare.Coln@unv-valencennes.fr Résumé Dans le cadre d une transmsson vdéo MPEG- sur lgne téléphonque par la technologe ADSL, nous présentons un système de codage conjont source-canal par lequel les nformatons les plus pertnentes vs-à-vs de la qualté vsuelle à la récepton sont surprotégées en contreparte d une mons bonne protecton pour les données secondares. Nous montrons la fasablté d un tel système et ses performances en terme de taux d erreur bnare attents sur une lgne de test ADSL. Mots Clef Transmsson vdéo MPEG-, ADSL, Data Parttonnng, modulaton multporteuse DMT, transfert de pussance, qualté de servce. 1 Introducton Avec l émergence de l accès à Internet rapde, les servces vdéo comme la télévson dffusée et la vdéo à la demande sont amenées à prendre une place de plus en plus mportante au sen des systèmes de télécommuncaton. Dans ce contexte, nous nous ntéressons c à l optmsaton de la qualté de servce d une transmsson vdéo MPEG- sur lgne téléphonque par le bas de la technologe ADSL, consdérée compéttve pour la prochane génératon de télévson nteractve par câble ou satellte [1]. Cette dernère, normalsé par l ETSI et l ANSI [][3], permet d attendre des débts comprs entre 1,5 Mbps et 6 à 8 Mbps suvant la qualté et la longueur des lgnes téléphonques, grâce en partculer à l emplo de la modulaton multporteuse DMT (Dscrete MultTone [4]. Notre démarche est basée sur le fat que lors de la transmsson d un flux de vdéo MPEG-, la perte éventuelle d un bt aura une conséquence très varable sur la qualté vsuelle de la séquence reconstrute suvant la nature de l nformaton codée par ce bt : par exemple, la perte d un en-tête d mage I (Intra aura des conséquences mportantes sur la reconsttuton d une GOP (Group Of Pctures entère, alors que la perte d un coeffcent AC d une mage de type B (Bdrectonnel n aboutra qu à une très fable détéroraton dans une seule mage. C est pourquo l on peut concevor que l adopton d un schéma de codage conjont source-canal par lequel les nformatons essentelles du flux MPEG- (ex : en-têtes sont surprotégées, en contreparte d une protecton légèrement mons bonne pour les données plus secondares (ex : coeffcents AC permet d amélorer de façon mportante la qualté vsuelle de la séquence reconstrute après transmsson. Nous proposons un système orgnal de codage conjont source-canal dans lequel le flux vdéo utlse le codage hérarchque MPEG- Data Parttonnng (DP, et où la transmsson ADSL est adaptée (tout en restant compatble avec la norme actuelle pour fournr smultanément deux qualtés de transmsson aux données (transmsson b-résoluton (fgure 1. Les données MPEG- mono flux sont répartes entre le tran de base ( contenant les données essentelles à surprotéger et le tran complémentare ( contenant les nformatons plus secondares, en foncton du paramètre PBP (Prorty Break Pont de la norme MPEG-. En ce qu concerne le modem ADSL b-résoluton, nous avons chos de le réalser par un chox judceux de l allocaton des bts et de la pussance entre les sous-canaux de la modulaton multporteuse DMT retenue pour l ADSL. Codeur MPEG- classque (MP@ML TV de l utlsateur Tran MPEG- (mono flux Data Parttonnng Décodeur MPEG- classque (MP@ML PBP Tran éms Tran éms Data Parttonnng nverse Tran reçu Tran reçu Émetteur ADSL b-résoluton Perturbatons Récepteur ADSL b-résoluton Fgure 1 : synoptque du schéma proposé pour la transmsson b-résoluton MPEG- sur ADSL Nous rappelons au paragraphe les prncpes généraux du mode DP de la norme MPEG- et de la modulaton DMT pour ensute poser clarement le problème à résoudre et présenter la soluton que nous proposons au paragraphe 3. Les résultats de smulaton sur une lgne de test ADSL seront alors présentés au paragraphe 4 avant de conclure. Rappel des prncpes de base.1 Le mode Data Parttonnng de la norme MPEG- Le standard de compresson d mages MPEG-, normalsée par l ISO [5] est basée sur l emplo de la Lgne d abonné

2 transformaton DCT assocée à la compensaton de mouvement pour rédure respectvement les redondances spatales et temporelles de la séquence vdéo. Ce standard offre la possblté d accéder à la mult résoluton par le bas de modes dts «scalable», par lesquels une vdéo à compresser donne leu à deux flux bnares : un flux bnare de base, dont le décodage seul donne une séquence vdéo basse résoluton, et un flux bnare complémentare dont le décodage, assocé au décodage du flux de base, fournt une séquence vdéo plene résoluton. Il exste quatre modes «scalable» : temporel, spatal, «SNR» et DP. Les tros premers permettent d obtenr deux nveaux de résoluton spatale, temporelle et de SNR pour la séquence vdéo décodée. Ces tros modes scalable permettent par exemple de chosr entre une qualté TV standard et une qualté TVHD sans nécessarement être assocés à une transmsson à pluseurs nveaux de protecton. Le mode DP a été spécalement conçu pour le cas où deux canaux de transmsson fournssant des degrés de protecton dfférents aux données seraent dsponbles. Dans ce mode, le flux MPEG- classque (non «scalable» est découpé en deux flux dstncts, sans ajout de données supplémentares : le flux de base content les données les plus crtques (en-têtes, vecteurs mouvement, coeffcents DCT basse fréquence et le flux complémentare transporte les autres données (essentellement les coeffcents DCT haute fréquence. La sélecton entre les données crtques du flux de base et les autres données est défne par la valeur du paramètre PBP (Prorty Break Pont de la syntaxe MPEG-. A ttre d exemple, la fgure présente une mage reconstrute à partr du seul tran de base du mode DP ans que l mage d orgne plene résoluton. Parm les quatre modes «scalable» exstant, le mode DP est le seul pour lequel aucune modfcaton de codeur et du décodeur n est nécessare. Il sufft smplement d ajouter un module de découpage des données en sorte du codeur, et un module de recombnason des données avant le décodeur (modules «data parttonnng» et «data parttonnng nverse» de la fgure 1. C est cette smplcté de mse en œuvre assocée à l adéquaton naturelle du mode DP à une transmsson b-résoluton qu ont condut notre chox vers ce mode «scalable». (a Fgure : Images basse résoluton (a et plene résoluton (b de la séquence football obtenues par codage MPEG- en mode DP, avec PBP=64 et un taux de compresson de 44,5.. La modulaton DMT (b Ben que d autres formes de modulaton aent été envsagées, c est la DMT qu a été retenue pour la normalsaton de l ADSL [][3]. L dée de base des modulatons multporteuse, et en partculer de la DMT, est de consdérer le canal de transmsson non pas comme une seule entté, mas comme la juxtaposton de souscanaux suffsamment étrots pour pouvor être assmlés à des canaux à brut blanc Gaussen et ans pourvor se rapprocher au meux de la lmte de Shannon qu est la capacté du canal [4]. tran bnare Allocaton bnare 1/T b bts b 1 bts b N-1 bts Mse en constellaton X X 1 X N-1 α α X α 1 X 1 α 1 α N-1 α N-1 X N-1 Ajustement des pussances Sym étre Hermtenne (N N ponts TFDI x x 1 x N-1 // sére {x n} T e=t/n CNA +PB Fgure 3 : synoptque d un modulateur DMT. La partcularté de la modulaton DMT est de réalser ce découpage en sous-canaux par une transformée de Fourer dscrète nverse, comme cela apparaît sur la fgure 3, ce qu rend son mplémentaton relatvement peu complexe du fat de l exstence de l algorthme rapde IFFT/FFT. Les données bnares à émettre sont répartes entre les sous-canaux DMT (allocaton bnare. Cette répartton se fat en foncton des caractérstques du canal qu sont estmées au cours de la phase d ntalsaton du modem. Chaque mot bnare présent à l entrée d un sous-canal est alors assocé à un pont du plan complexe I/Q au cours de la mse en constellaton. Des facteurs d échelle sur ces valeurs complexes permettent d optmser le spectre du sgnal éms, là auss en foncton des caractérstques du canal. La symétre Hermtenne effectuée avant le bloc TFDI permet d obtenr des valeurs réelles à émettre sur le canal. Du fat de l orthogonalté de la transformée de Fourer, on consdère généralement que la modulaton DMT est équvalente à la juxtaposton de N modulatons MAQ ndépendantes aux fréquences k/t, k=,1,,n-1 où T est la durée du symbole DMT et N est le nombre de ponts de calcul de la IFFT, ben qu'en pratque l exste des nterférences nter-symboles et nter-canaux [6]. Avec cette approxmaton, le taux d erreur bnare moyen de la DMT s exprme smplement comme la moyenne statstque des taux d erreur bnare de chaque souscanal : N 1 b TEB = TEB, = R où TEB et b sont le taux d erreur bnare et le nombre de bts assocés au sous-canal et où R est le débt total de la transmsson exprmé en bts/symbole DMT. Pour des valeurs de TEB nféreures à 1-1, le taux d erreur bnare TEB peut s exprmer en foncton du taux d erreur par symbole MAQ TES de la façon suvante [7] : x(t

3 ( b e TEB = TES. b Dans cette expresson, e(b représente le nombre moyen de bts en erreur dans un symbole MAQ erroné. Il a été montré dans [8] que le TES d une modulaton MAQ peut s exprmer de la façon suvante 1 : ε TES = D. Q où E b / 4( 1 1 pour les constellatons rectangulares (b par D = ( b + 1 / 1 1 pour les constellatons crosées(b mpar > 3 et b ( η 3( 1 pour les constellat ons rectangulares (b par E = b ( η 3 ( pour les constellat ons mpares (b mpar > 3 Dans cette expresson, ε représente l énerge moyenne du symbole MAQ dans le sous-canal et η le brut équvalent à l entrée du sous-canal défn par : η = σ H où σ ² est l énerge du brut par dmenson et H le gan complexe du sous-canal. 3 Poston du problème et soluton retenue Comme nous l avons mentonné dans la parte ntroductve, non proposons d optmser la qualté de servce d une transmsson de vdéo MPEG- sur ADSL par les moyens suvants : - codage source : utlsaton du mode DP de la norme MPEG-. Dans le cadre de cette étude, nous avons chos de fxer la valeur du paramètre PBP. L optmsaton de la valeur du PBP en foncton des caractérstques de la lgne pourra fare l objet d une seconde étude. Ans, la source à transmettre est consttuée de deux flux : le flux (Tran de Base et le flux (Tran Complémentare dont les débts sont respectvement R et R, avec R +R =R =débt des données MPEG- mono flux (avant DP. - codage canal : l objectf est de transmettre les données et avec des protectons dfférentes contre les erreurs de transmsson ( TEB TEB. Pour un taux d erreur bnare moyen fxé pour les données ( TEB, dont la valeur est drectement lée à la qualté de servce mnmale à la récepton, l objectf est de rechercher les réparttons optmales des bts (b et de la pussance (ε entre les sous-canaux DMT au sens de la mnmsaton du taux d erreur bnare des données ( TEB pour une pussance totale P et les débts R et R fxés : mn b, ε x, ( TEB N-1 b = avec = R N-1, ε = P.T et TEB fxé. Ce problème d optmsaton n admet pas de soluton suffsamment smple pour pouvor être envsagée en 1 t 1 ( x = Q e. dt π x = pratque. La soluton que nous proposons c-après offre l avantage, tout comme les solutons proposées dans [9][1], d une grande smplcté au coût d une certane sous optmalté. Elle se décompose en tros étapes : 1. allocaton mono résoluton : le débt total R et la pussance totale P sont répartes entre les sous-canau sans se préoccuper de l aspect b-résoluton. De nombreux algorthmes comme [11][1] ont été proposés pour optmser ces réparttons. A l ssue de cette premère étape, l ensemble des R bts et de la pussance P sont réparts entre les sous-canau donnant leu à un TEB moyen pour l ensemble des données que nous notons TEB.. allocaton b-résoluton, 1 er stade: les melleurs souscanau c est-à-dre les sous-canaux pour lesquels le TEB est le plus fable, sont attrbués aux données (généralement stués dans la parte basse fréquence du spectre ADSL où la lgne présente souvent les melleures caractérstques. Les autres sous-canaux sont attrbués aux données. L allocaton des bts et de la pussance détermnée à l étape 1 est conservée. Dans le cas où cette allocaton serat détermnée sous l hypothèse d un TES dentque entre les sous-canau on montre faclement que, à l ssue de ce premer stade, les TEB moyens des données et s écrvent : TES ( TEB,1 = e b R S TES TEB,1 = e( b R S où S et S représentent respectvement l ensemble des sous-canaux et. 3. allocaton b-résoluton, ème stade : on effectue un transfert de pussance depus les données vers les données de façon à satsfare la contrante du TEB. L allocaton des bts est nchangée. Pour ce fare, nous proposons smplement de multpler la pussance ntalement allouée aux sous-canaux et d un facteur constant α>1 et β<1 respectvement. La pussance totale P devant être conservée au cours de cette opératon, les couples (α,β sont lés par la relaton : ε S HP β = 1+ ( 1 α. ε SBP ε x (f : allocaton ntale de la pussance entre les dfférents sous-canaux P =constante Mono-résoluton: données mélangées TEB unque f α.ε x (f ( et β.ε x (f ( : allocaton fnale de la pussance B-résoluton: données séparées +transfert de pussance TEB <TEB Fgure 4 : prncpe du schéma retenu pour l obtenton de la b-résoluton sur ADSL La fgure 4 llustre le prncpe de l obtenton de la brésoluton par séparaton des données et assocée au transfert de pussance. f

4 L apport du transfert de pussance peut être évalué en exprmant le rapport TEB TEB, 1 en foncton du rapport TEB TEB, où, 1 TEB et TEB sont les TEB moyens des données et à l ssue du transfert de pussance. Avec la même hypothèse d un TES dentque entre les sous-canaux à l étape 1 et en utlsant une approxmaton de la foncton Q, on montre faclement : TEB TEB log e = A.log e + B TEB TEB,1,1 avec α 1 A = et 1 1 B = log e ( α + log e ( β. β 1 ( α 1 ( β 1 On vot que le coeffcent drecteur A n est autre que le rapport de la somme des pussances ntalement affectée aux sous-canaux sur la somme des pussances ntalement affectées aux sous-canaux. 4 Résultats de smulaton En accord avec la norme ADSL [], nous avons smulé le système DMT b-résoluton dans les condtons suvantes : P =11 mw, R =4 bts/symbole DMT, IFFT/FFT sur N=51 ponts, T=5µs, préfxe cyclque de 3 échantllons. Une marge de brut de 6 db est ncluse. La lgne étudée est la lgne de test amércane CSA5 dans une confguraton de brut blanc gaussen à - 11 dbm/hz assocé à une daphone ADSL FEXT 1,1% worst case. Les nterférences entre symbole résduelles après égalsaton par TEQ [13] sont estmées pendant la phase d ntalsaton et donc prses en compte dans la smulaton. Un codage FEC consttué d un code Reed Solomon (55,39. Les résultats en terme de TEB donnés c-après correspondent au TEB après décodage FEC. La table 1 représente l évoluton des TEB moyens des données et par rapport au TEB moyen monorésoluton avant transfert de pussance (étape. On s aperçot que, pour le cas habtuel d un pourcentage de données égal à 3%, le TEB moyen des données est rédut d un facteur envron 18 alors qu en contreparte le TEB moyen des données n est augmenté que de mons d un facteur 3. 1% % 3% 4% 5% TEB TEB,1 61 6,9 18,1 13 8,9 TEB, 1 TEB 1,4 1,9,6 3,7 5,3 Table 1 : Evoluton des TEB moyens des données et par rapport au TEB moyen mono-résoluton avant transfert de pussance sur la lgne de test ADSL CSA5. L évoluton des TEB moyens des données et due au seul transfert de pussance (étape 3 est représentée sur la fgure 5. Les dfférents ponts des courbes ont été obtenus pour dfférentes valeurs du paramètre α x 1 Q( x e avec une erreur nféreure à 1% pour des x π valeurs de x supéreures à 3 comprses entre 1 et 1,5. Toujours pour le cas habtuel d un pourcentage de données égal à 3%, on vot que le seul effet du transfert de pussance permet de rédure le TEB moyen des données d un facteur 1 alors que celu des données complémentares n est augmenté que d un facteur. 5 Concluson Nous avons présenté un système de transmsson vdéo sur ADSL basé sur un codage MPEG- en mode DP assocé à une transmsson b-résoluton. Les résultats de smulaton en terme de TEB permettent de valder l ntérêt d un tel système pour amélorer la qualté de servce à la récepton. TEB TEB, % % 3% 4% 5% TEB TEB,1 Fgure 5 : Evoluton des TEB moyens des données et par transfert de pussance sur la lgne de test ADSL CSA5. Bblographe [1] P. Merrman, «Archtecture pour les servces vdéo sur la DSL», Revue des télécommuncatons d Alcatel, 4ème trmestre. [] «Asymmetrc Dgtal Subscrber Lne (ADSL Metallc Interface», ANSI T [3] Transmsson and multplexng (TM; Asymmetrc Dgtal Subscrber Lne (ADSL; Requrements and Performance, ETSI Techncal Report n 38, DTR/TM-61November [4] T. Starr, J.M. Coff, P.J. Slverman, Understandng dgtal subscrber lne technology, Prentce Hall, [5] ISO/IEC ITU-T recommandaton H.6, «Informaton technology Generc codng of movng pctures and assocated audo Part : vdeo», [6] A.D. Rzos, T.Q. Nguyen, Comparson of DFT and cosne modulated flter banks n multcarrer modulaton, proceedngs of GLOBECOM 94, pp , November [7] L.L. Yang, L. Hanzo, A recursve algorthm for the error probablty evaluaton of M-QAM, IEEE Communcatons Letters, vol. 4, n 4, October. [8] J.M. Coff, Dgtal data transmsson, course notes, wnter [9] L.M.C. Hoo, J. Tellado, J.M. Coff, Dscrete dual QoS loadng algorthms for multcarrer systems, IEEE Internatonal Conference on Communcatons, [1] M. Coln, C. Modln, M. Gharb, M. Gazalet, QoS consderatons for DMT-based ADSL and VDSL systems, ICASSP 98. [11] P.S. Chow, J.M. Coff, J.A.C. Bngham, A practcal dscrete multtone transcever loadng algorthm for data

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