Исследование проблем оказания услуг видеоконференцсвязи в беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11

DOI:

Системы видеоконференцсвязи (далее ВКС) в последние несколько лет стали активно использоваться в сфере бизнеса, образования и медицины. В начале 2020 года произошла вспышка вируса SARS-CoV-2. В результате многие сферы нашей жизни резко изменились. В настоящее время большое число сотрудников работают дистанционно с использованием средств видеоконференцсвязи и системы вебинаров. Также стоит заметить, что практически вся сфера образования перешла на дистанционный режим работы. Динамика рынка средств коллективной работы представлена на рисунке 1 [1].

В связи с высокой скоростью развития систем ВКС, большой загрузкой каналов связи в период пандемии, очень остро встает вопрос о качественном предоставлении услуг ВКС и влиянии различных параметров и характеристик каналов связи на уровень качества этих услуг. Ухудшение параметров канала связи может привести к различным негативным эффектам, среди которых можно выделить наиболее часто встречающиеся: отсутствие синхронизации аудио- и видеоряда (запоздание либо опережение звука), ухудшение разрешения изображения, ухудшение качества звука [2].

Во многих ситуациях использование проводных каналов для абонентов не всегда возможно в силу многих факторов (мобильность абонентов, невозможность прокладки кабеля и т. д.). В этой ситуации возможно использование беспроводных технологий, таких как Wi-Fi. Из-за принципа работы технологии Wi-Fi с увеличением количества активных пользователей снижается пропускная способность и увеличивается задержка в беспроводном канале связи. Уровень сигнала также оказывает сильное влияние на вышеперечисленные параметры.

В работе производится исследование зависимости качества предоставления услуг видеоконференции от уровня сигнала на приемном конце.

Для изучения этого влияния был разработан лабораторный стенд. Он изображен на рисунке 2.

Экспериментальный стенд состоит из ПК с установленной серверной программной средой TrueConf, маршрутизатора с интегрированными сервисами TP-LINK TL-WDR36, способным работать в двух диапазонах, а также 2х ПК, один из которых является мобильным.

Эксперимент состоял в создании сеанса видеоконференцсвязи между двумя ПК. Первый ПК имел станционное положение и подключался с помощью гигабитного проводного канала к маршрутизатору. Второй ПК являлся мобильным, и его местоположение менялось при каждом тестировании.

После того, как оба клиента занимали необходимые позиции, проводился сеанс видеоконференции с последующей записью видео, которое получал первый абонент (клиент). После этого сохранялись и обрабатывались два видеоряда – отправленный вторым клиентом

2009   2010   2011    2012   2013   2014   2015   2016   2017   2018   2019

Рис. 1. Динамика рынка средств коллективной работы (включая ВКС)

Рис. 2. Схема экспериментального стенда

(исходный) и полученное первым клиентом (конечный). Также в процессе сеанса связи, к беспроводной сети подключались дополнительные беспроводные устройства. Для фиксации уровня сигнала на приемном конце, использовалось ПО WiFi Analyser [3].

Для последующей оценки видео, были использованы объективные методы оценки качества передачи видео. Метод объективного тестирования – это использование специальных алгоритмов для анализа видео. Объективные методы, в отличие от субъективных не дают полное представление того, что видит человек на экране. В работе использовались две метрики – PSNR и VQM. PSNR измеряет пиковое отношение сигнала к шуму между исходным сигналом и сигналом на выходе системы. PSNR не позволяет измерить все специфические для видео параметры, поскольку точность представления изображения постоянно изменяется в зависимости от визуальной сложности изображения, доступной скорости передачи и даже метода компрессии. Таким образом, PSNR не может определить, насколько заметными эти искажения будут для пользователя. Одним из основных преимуществ PSNR можно назвать невысокую вычислительную сложность. Метод (VQM) Video Quality Measurement описан в Рекомендации МСЭ-Р BT.1683. Он основывается на том, что в большинстве случаев при оценке качества изображения наблюдатель менее внимателен к мелким деталям, в то время как его основное внимание концентрируется на крупных объектах. Для получения видео, пригодного для передачи по сети, оно подвергается кодированию и сжатию. В основном используемые сегодня методы сжатия информации являются методами с необратимыми потерями, которые возникают в ходе сокращения пространственной, временной и спектральной избыточности. Метод VQM оценивает видимый результат ухудшения видео, включая смазанность, дрожание, блочность, шум, искажение цвета. Далее все эти параметры комбинируются в одну метрику. Результаты тестирования показывают, что VQM имеет высокую корреляцию с субъективными методами оценки качества видео [4].

Для проведения оценки качества имеющегося видеоряда с помощью метрики PSNR использовалась специальная созданная в Москов- ском государственном университете программа MSU Video Quality Measurement Tool. В основе ее функционала лежит использование как более распространенных метрик, например, таких как SSIM, PSNR, VQM, Delta, но также и специально разработанных метрик, которые позволяют измерить уровень блочности и резкости оцениваемого видеоряда. Программа является условно бесплатной, имеется PRO версия для использования в коммерческих целях.

Результаты метрики PSNR при измерении в частотном диапазоне 2,4 ГГц представлены на рисунке 3.

Чем больше параметр PSNR, тем лучше. Стоит уточнить, что нестабильность показаний на частоте 2,4 ГГц объясняется наличием большого числа беспроводных сетей, работающих в этом диапазоне, приводящим к межканальной интерференции.

Стоит заметить, что разница по нагрузке сети при уровне сигнала в -26 дБм почти не влияет на качество оказываемых услуг, в то время как при уровне сигнала -61 дБм оказывается сильное воздействие. Также стоит отметить, что в динамике, при увеличении числа абонентов, качество видеоряда падет значительно.

Результаты метрики PSNR при измерении в частотном диапазоне 5 ГГц представлены на рисунке 4.

На рисунке 5 представлен кадр, прошедший обработку в программе MSU Video Quality Measurement Tool при уровне сигнала -25 дБм.

Зеленым и синим цветом обозначены сильные запоздания видео и изменение качества изображения относительно исходника. Красным цветом обозначены незначительные изменения и черным – отсутствие изменений.

Как можно заметить, при работе в частотном диапазоне 5 ГГц наблюдается гораздо меньше помех. Эксперты, оценивающие качество видео, объективно отмечают, что задержек по звукопередачи не наблюдалось, в отличие от диапазона 2,4 ГГц. Это объясняется тем, что на данном диапазоне работает большое множество других устройств, которые занимают эфир.

Представим графики по метрике VQM (см. рис. 6, 7).

Из проведенных экспериментов можно сделать вывод, что характеристики каналов связи оказывают непосредственное влияние на качество услуг видеоконференцсвязи.

-♦- 1 клиент

-■-2 клиента

3 клиента

Рис. 3. Зависимость метрики PSNR от уровня сигнала беспроводной сети, диапазон 2,4 ГГц

Рис. 4. Зависимость метрики PSNR от уровня сигнала беспроводной сети, диапазон 5 ГГц

Рис. 5. Кадр из исходного видео и видео, прошедшего обработку PSNR для Logitech Pro HD Webcam C910, уровень сигнала -47dbm

Рис. 6. Зависимость метрики VQM от уровня сигнала беспроводной сети, диапазон 2,4 ГГц

о >

^^“1 клиент

-■—2 клиента

3 клиента

Уровень сигнала 5 ГГц, дБм

Рис. 7. Зависимость метрики VQM от уровня сигнала беспроводной сети, диапазон 5 ГГц

При использовании в работе средств видеоконференцсвязи с помощью беспроводной связи автором приводятся следующие рекомендации: использовать в качестве основного частотный диапазон, равный 5 ГГц, а также перед началом видеоконференции следует протестировать частотный диапазон и найти каналы, которые не пересекаются с другими, чтобы уменьшить помехи и добиться высокого уровня сигнала. В случае использования частотного диапазона 2.4 ГГц не рекомендуется снижения уровня сигнала ниже -50 дБм.