Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services» DITEMOI Robustesse et efficacité pour la diffusion de contenu sur liens Internet sans fil
Le problème et les objectifs du projet La consultation de site Internet en situation de mobilité reste lente voire pénible Plusieurs erreurs peuvent dégradé la qualité du contenu reçu L objectif du projet DITEMOI est l amélioration de la robustesse et de l efficacité du téléchargement et de la diffusion de contenu sur les liens Internet sans fil.
L approche considérée Trois axes principaux d'amélioration, complémentaires entre eux: Techniques de codage et décodage robustes pour adapter le contenu aux liens et protocoles de transport considérés Introduction de techniques de diversité pour lutter contre les erreurs et les évanouissements sur le canal sans fil par utilisation d'antennes multiples Introduction de techniques de diversité pour lutter contre les erreurs et les évanouissements sur le canal sans fil par utilisation d'un routage adapté
Organisation du projet SP1: Techniques de codage/décodage robuste Robustification de flux H.264 (Thales) Codage à descriptions multiples (Telecom Paris Tech) Transmission robuste de sites web au format html (LSS) SP2: Techniques de diversité Diversité d'antennes et codage MIMO (Comsis) Diversité au niveau physique (Comsis) Diversité au niveau réseau par routage adapté (Thales) Diversité au niveau réseau dans un contexte multi-point à multipoint (Telecom Paris Tech) SP3: Chaîne de simulation (Tous) SP4: Plate-forme de démonstration (Tous)
Organisation du projet SP1: Techniques de codage/décodage robuste Robustification de flux H.264 (Thales) Codage à descriptions multiples (Telecom Paris Tech) Transmission robuste de sites web au format html (LSS) SP2: Techniques de diversité Diversité d'antennes et codage MIMO (Comsis) Diversité au niveau physique (Comsis) Diversité au niveau réseau par routage adapté (Thales) Diversité au niveau réseau dans un contexte multi-point à multipoint (Telecom Paris Tech) SP3: Chaîne de simulation (Tous) SP4: Plate-forme de démonstration (Tous)
Robustification de flux H.264 Le codec de référence (JM) travaille sur des fichiers et n est pas prévu pour une utilisation dynamique: au niveau du codeur (mise à jour des paramètres de codage) au niveau du décodeur (décodage au fil de l eau) Résultat de Ditemoi est un décodeurs «JM» dynamique, utilisé au fil de l eau et robustifié Décodage sur des portions de vidéo Robustesse contre les plantages Amélioration du masquage d erreurs Intégration de la fonctionnalité de mélange de trames Le décodeur temps-réel est intégré dans la démo
Codage par descriptions multiples : VidWav Codeur de référence : VidWav Codeur vidéo scalable par ondelettes 3D Filtrage temporel compensé en mouvement Transformée spatiale en ondelettes Codeur entropique par plans de bits: 3D ESCOT Train binaire généré Train binaire emboité par bloc 3D Paquets formés par différents blocs 3D Objectif : Codeur robuste (descriptions multiples) et scalable
Introduction des descriptions multiples dans la transformée temporelle Vidéo décomposée en approximation + détails Approximation redondante : présente dans le 2 descriptions Détails répartis entre les descriptions
Codage par descriptions multiples: schéma de décodage Une seule description reçue Décodeur latéral Sous-bande d approximation toujours présente Moitié des sous-bandes de détails présente Sous-bandes manquantes remplacées par des zéros Les deux descriptions reçues Décodeur central Décodage latéral des deux descriptions reçues Combiner les trames des deux descriptions Contribution de chaque description évaluée Stratégie optimale de combinaison
Transmission robuste de fichiers HTML Le http1.1 permet de télécharger des fichiers HTML comprimés selon le codage entropique «deflate» Vulnérabilité aux erreurs de transmission du flux deflate Pas de solutions dans la littérature Encapsulation du flux HTML comprimé : - Un CRC ou Checksum couvre une partie ou la totalité des données à transmettre à chaque niveau de la couche protocolaire - Un contrôle par le CRC ou le Checksum est réalisé sur les données reçues En-tête payload CRC Calcul du CRC sur les données reçues Comparaison Réduire le nombre de retransmission Rejet Demande de retransmission
Récepteur robuste basé sur un décodage source-protocole-canal conjoint I. Décodage source-canal conjoint du flux HTML comprimé (deflate) : Réalisation d un récepteur itératif basé sur le principe turbo construit à partir de deux décodeurs concaténés en série : Le décodeur canal Le décodeur source qui s appuie sur : - la structure des codes «Deflate» - la syntaxe et la grammaire du langage HTML II. Décodage protocole-canal conjoint des entêtes (Phy, MAC, IPv6 / UDP Lite /RTP) : Réalisation d un récepteur itératif basé sur le principe turbo construit à partir de deux décodeurs concaténés en série : Le décodeur canal Le décodeur cross-layer exploite les redondances qu il a extraites à partir des spécificités intra et\ou inter couches protocolaires du réseau utilisé.
Quelques résultats de décodage robuste d en-têtes
Organisation du projet SP1: Techniques de codage/décodage robuste Robustification de flux H.264 (Thales) Codage à descriptions multiples (Telecom Paris Tech) Transmission robuste de sites web au format html (LSS) SP2: Techniques de diversité Diversité d'antennes et codage MIMO (Comsis) Diversité au niveau physique (Comsis) Diversité au niveau réseau par routage adapté (Thales) Diversité au niveau réseau dans un contexte multi-point à multipoint (Telecom Paris Tech) SP3: Chaîne de simulation (Tous) SP4: Plate-forme de démonstration (Tous)
MPDU/A -MPDU PLCP Scrambleur FEC Parseur Diversité au niveau physique Afin d améliorer la robustesse des transmissions par lien sans fils, une couche physique 802.11n incluant 3 types de diversité a été implanté dans la plateforme de démonstration : - Spatiale : code STC V-B/antennes multiples pour lutter contre l évanouissent et rendre les canaux «en vue directe» - Fréquentielle : OFDM pour transformer le canal à multi-trajets large bande en un ensemble de sous-canaux mono-trajet. - Temporelle : décalage cyclique (CS) pour créer des voies (informations) indépendantes. L-STF, L-LTF HT-STF, HT-LTF Mémoire Symboles Intrel. (I) Intrel. (II) Mapping (I) Mapping (II) STC Pilotes IFFT (I) IFFT (II) CS GI (I) GI (II) Filtre(I) Filtre (II) RF (I) RF (II) Diversités
Approche «crosslayer» : tolérance aux erreurs et interface de «feedback» Tolérance aux erreurs des trames de données : - la MAC 802.11n classique rejette les trames erronées - la MAC 802.11n Ditemoi différencie le type d erreurs dans les trames en introduisant un CRC partiel calculé sur l entête : Entête MAC Données MAC CRC partiel CRC total - Si le CRC total est incorrect mais le CRC partiel est correct : les trames sont fournies aux couches supérieures et utilisées par les décodeurs robustes Ditemoi. Interface de feedback : fournit des informations sur l état du lien et des indications sur les trames transmises et reçues. - RSSI - Nombre de trames transmises - Nombre de trames acquittées - Nombre de trames reçues - Nombre de trames erronées reçues (CRC total faux) - Nombre de trames reçues avec des entêtes erronés (CRC entête faux)
Diversité par routage adapté (1/3) Grace au développement d un décodeur vidéo robuste (SP1), la qualité du streaming vidéo sur des réseaux ad-hoc a été améliorée en: Evitant les retransmissions de paquets avec contenu erroné Réduisant le parcours entre source et destination par l introduction de proxy intelligents
Diversité par routage adapté (2/3) Nous avons combiné: La calcul du CRC et checksum de la couche transport partiels: Pour transmettre vers le bond suivant paquets avec en-têtes correctes mais contenu erroné Proxies intelligents capables de sauvegardé les paquets transférés: Pour répondre à des nouvelles demandes de streaming sans contacter le serveur: Si le contenu recherché est disponible et sans erreurs Si le contenu recherché est disponible mais erroné» On utilise un identifiant de la source pour déterminer s il s agit de la première requête pour le même contenu» En cas contraire on assume que le client n est pas équipé avec un décodeur robuste (tolérant aux erreurs) et la requête est transférée au serveur Pour remplacer un paquet sauvegardé et erroné avec un paquet à transférer reçu sans erreurs Pour remplacer un paquet erroné à transférer avec une copie correcte si disponible dans la mémoire tampon
Diversité par routage adapté (3/3)
ABCD Un protocole pour la diffusion vidéo sur réseau sans-fil ad-hoc (1/3) En l état actuel des protocoles réseau, il n existe pas un protocole spécifique pour la diffusion du contenu vidéo sur réseau sans-fil ad-hoc. L objectif du protocole ABCD est l exploitation des caractéristiques de broadcast des réseau sans fil et de propriété du codage par descriptions multiples pour l amélioration de la robustesse et de l efficacité du téléchargement de contenu vidéo sur les liens sans fil.
ABCD Un protocole pour la diffusion vidéo sur réseau sans-fil ad-hoc (2/3) Les contributions principales concernent : 1. Une technique de broadcast fiable au niveau MAC/PHY ; 2. Une fonction locale de choix pour la creation de topologies efficaces ; 3. Une stratégie de minimisation de l'over-head du protocole basée sur la capacité de nœuds d intercepter des messages adressés à leurs voisins.
ABCD Un protocole pour la diffusion vidéo sur réseau sans-fil ad-hoc (3/3) Nombre de nœuds [%] Le protocole a été testé dans plusieurs cas d utilisation, avec différents nombres de nœuds, densité, churn et modèle de mouvement. 50 % déconnections Reconnections 2 Déscriptions reçues 1 Déscription reçue 0 1 2 3 4 5 6 Secondes Les résultats montrent que la réceptions des nœuds est parfaite, même quand la moitié des nœuds se déconnecte sans préavis (voire figure) Le delai de transmission est tout à fait acceptable, dans l ordre de quelques millisecondes.
SP3: Chaine de simulation optimisée
SP4: Implantation matérielle (1/2) Implantation dans le MIMOkit Comsis : De la couche physique robuste 802.11n Ditemoi fournissant : - Des informations souples pour le décodage robuste des champs SIG et DATA - Une estimation du signal RSSI - La programmation du canal RF (permettant la création de plusieurs réseaux), du gain d émission et des modes de transmission (modifiant la robustesse) De la MAC 802.11n Ditemoi avec le protocole de «feedback» via Ethernet permettant la remontée des informations vers les couches applicatives De la MAC 802.11n Ditemoi (HW et SW) avec de la tolérance aux erreurs : les trames data avec des erreurs dans le «payload» (détectées par la MAC HW) sont transférées aux couches applicatives après correction des checksums de différents protocoles (réalisé par la MAC SW)
SP4: Implantation matérielle (2/2) Implantation dans le MIMOkit Comsis de mécanismes de fragmentation IPv4/IPv6 au niveau de la MAC software 802.11n: - Le lien Ethernet (entrée au MimoKit) limite la taille de la trame à 1500 octets - La fragmentation de trames par le protocole IP réduit les performances : latence et retransmission - Puisque le lien 802.11n permet des trames d au moins 2324 octets, la défragmentation IPv4/IPv6 (avant émission sans fils) et la fragmentation IPv4/IPv6 (après réception sans fils) ont été implantée dans la MAC software 802.11n Ditemoi. Réalisation des interfaces utilisateur : - Programmation (recherche et sélection des canaux, paramètres) - Interface de capture de signaux «hardware» (pour le traitement robuste off-line) - Visualisation des données provenant de l interface de «feedback» Réalisation et intégration du codeur temps-réel et du décodeur robuste H.264, des module RTSP et RTP et de la diversité de parcours
Résultats majeurs Transmissions robuste d un fichiers HTML compressé sur des réseaux sans fils Transmission vidéo robuste: H.264/AVC (cas point à point) à descriptions multiples (cas multipoint à multipoint) Deux nouvelles méthodes de distribution vidéo Pour du point à point dans réseaux ad-hoc Pour du point à point dans réseaux ad-hoc Simulateur système qui peut être réutilisé par tous les partenaires pour des nouvelles études Réalisation d un démonstrateur temps-réel Plus de 20 articles acceptés pour publication 3 brevets
Les perspectives Génération de contenu adapté à la qualité de la communication Codage et protection adaptatif Adaptation du contenu precodé à la bande passante, aux pertes et aux erreurs qui caractérisent la communications Codage en temps-réel avec un choix approprié des paramètres Gestion appropriée du contenu dans le réseaux: Allocation des ressources et ordonnancement prioritaire en fonction des besoins