六、 ATM網路上MPEG-2分層架構的傳輸

      MPEG-2分層架構能在 ATM 網路上運用是因為 ATM 支援變動位元率
  (Variable bit rate:VBR)的傳送服務。然而在ATM交換器上的緩衝器容量
  是有限的,如果連續多個連結同時以峰值細胞率(Peak cell rate:PCR)來
  傳送,將會使緩衝器溢滿,造成網路壅塞及傳送的細胞遺失。為了防止雍塞
  及細胞遺失的問題,ATM提供有服務品質保證的連結,ATM網路制定了訊務控
  制的機制,主要包括下列兩個步驟: (1) 允入控制(Admission control)
  :在使用者需要傳輸服務時,向頻寬管理者提出服務品質的要求,頻寬管理
  系統會根據整體的網路狀況,在不影響到已建立連線的服務連線及是否仍有
  剩餘的網路資源可使用,決定是否提供服務。(2)使用量參數控制(Usage
  parameter  control:UPC):在連結的過程中,它會一直監測傳送端送出的
  訊務量,  是否有遵照服務品質的協議,假若有超出的訊務量,使用量參數
  控制則對超出的細胞有兩種處理方法:立即地被丟棄或者被標記(Tagging)
  傳送於網路,而後者當網路發生壅塞時將優先被丟棄。
 


 

  6.1傳統漏斗式訊務控制

      為了能夠避免網路的壅塞,ATM網路在使用者—網路介面(User-network
  interface:UNI)實施了壅塞控制,也就是使用量參數控制機制(UPC),這
  邊介紹的漏斗式訊務控制設計是比較廣泛地被使用的一個方法。如下圖所示
  ,包含一個輸入緩衝器 (input buffer) 、一個訊標桶(Token pool)。需要
  被傳送的資料必須先進到輸入緩衝器等待訊標,若此時有訊標(Token)存在
  訊標桶內,才可將資料傳出。在進入緩衝器前,資料被封裝成固定長度的細胞
  ,以一個時間區間為單位進入緩衝器內且等待訊標將細胞傳送出去,由於細胞
  長度固定佔用的時間區間也相同,所以每一個細胞會消耗掉一個訊標。當訊標
  桶內的訊標都已消耗盡了,表示目前沒有多餘的頻寬可供使用者傳送,細胞將
  會先在緩衝器內等待,直到新的訊標產生,才會被傳送出去。新的訊標以訊標
  產生率(Token generation rate)的速率產生,產生速率越大,表示網路狀
  況可以提供使用者傳送的資源越多,但是當訊標桶內的訊標發生溢滿時,則超
  出的訊標將被丟棄。

      當一直有大量新的細胞傳到緩衝器內時,因為之前未得到訊標積在緩
  衝器內的細胞佔掉緩衝器的空間,而緩衝器都已經被等待傳送的細胞填滿
  ,則有下列兩種處理方式:

      (1)直接將舊的細胞丟棄。
      (2)將先前存在緩衝器頭端的細胞設定成低優先權的細胞傳送於網路
           ,也就是將這些細胞標記起來,而新的細胞則被允許進入緩衝器
           ,當網路中有壅塞情況發生時,這些被標記的細胞則優先被丟掉。

      在使用者要求建立連線時,頻寬管理系統經過網路協商的程序後, UPC
  的參數值就已決定了,給定的 UPC 是用來監測訊務量是否超過所給予的頻
  寬資源。然而實施UPC機制的漏斗式訊務控制,則以幾個參數來表示最大可
  被保證的訊務量。BI為輸入緩衝器的大小,BT為訊標桶的大小(Token pool
  size),輸入緩衝器有緩和突暴性訊務(Burst traffic)傳送於網路的功用
  ,但太大的緩衝器將會導致傳送的細胞有較長的延遲(Delay),訊標桶只是
  一個邏輯上的計數器,用來監測送出網路的訊務量。
 


 

  6.2傳統漏斗式訊務控制的雙層可調性視訊傳送

      利用MPEG-2分層壓縮技術將音視訊資料分成基礎層和增強層兩種。基
  礎層壓縮視訊包含基本的視訊資料及移動補償的資訊且能單獨地解碼,若
  在傳送時發生錯誤或細胞的遺失,也會像單層視訊一樣,造成所對應的畫
  面內區塊的位置產生嚴重的損害區塊,因為基礎層傳送的是畫面中較重要
  的資料,所以一但發生錯誤,對影像所造成的影響將會更大,畫面內同一
  片段(Slice)隨後的區塊位置也受到空間性的錯誤蔓延 (Error
  Propagation),而隨後的畫面參考到這個區塊的位置也會受到時間性的錯
  誤蔓延,如此一來將會嚴重影響影像品質。而增強層視訊包含原始視訊與
  基礎層視訊的差異資訊以及較高頻的DCT係數,若錯誤發生在這一層並不會
  造成影像的錯誤蔓延,解碼時只要忽略增強層的錯誤的區塊,則能保有基
  本的畫面品質,且畫面中損害區塊的位置也不會很明顯地被識別,因此兩
  層視訊有不同的重要特性。
      而分層的視訊若是利用傳統的漏斗式訊務控制器來傳送,被MPEG-2壓
  縮出來的基礎層資料流和增強層資料流必須進入緩衝器中等待訊標才可以
  傳送出去,而傳統式漏斗視訊務器並沒有提供高優先權和次優先權的緩衝
  器,而是將兩層資料隨意的放入緩衝器中,而超出保證服務細胞量的資料
  將有可能是增強層亦有可能是基礎層,也就是被標記的細胞將隨機的選擇
  增強層和基礎層的資料,如此一來,當網路雍塞發生時,被優先丟掉的細
  胞中包含帶有影響影像品質的重要係數的基礎層細胞,若基礎層細胞被丟
  棄將造成嚴重的影像品質損害及錯誤的蔓延,若遺失的細胞為增強層視訊
  ,錯誤的細胞將被丟棄不解碼出來而只用基礎層的資料,所以將只造成輕
  微的影像品質損害。因此這種方法傳送的影像品質將介於傳統漏斗式訊務
  控制的單層編碼視訊傳送與下面介紹的優先權漏斗式訊務控制的兩層編碼
  視訊傳送之間。
 


 

  6.3優先權漏斗式訊務控制雙層可調式視訊傳送

      為了改善傳統漏斗式控制器的缺點,所以設計兩層視訊以優先權漏斗式
  訊務控制的方法傳送—將基礎層視訊標示為種類I的細胞流,傳送前進入緩
  衝器 I 等待訊標;而增強層視訊標示為種類II的細胞流,傳送前進入緩衝器
  II等待剩餘的訊標。在單位時間內,基礎層視訊的細胞將優先被傳送,而增
  強層視訊的細胞則需等待基礎層細胞傳送完之後有剩餘的訊標才能傳送。訊
  標產生率為 ,每個傳送出去的細胞都會消耗掉一個訊標,而基礎層視訊將優
  先以高優先權的細胞傳送,而被標記的細胞將幾乎都落在增強層。
      若基礎層的細胞在傳送時,而訊標桶內的訊標已經耗盡,則會發生基礎
  層的細胞被標記,然而這種情形非常少,不過當這種情況發生時即表示網路
  頻寬不足以供應此等急得視訊服務,使用者必須降低位元輸出率使基礎層的
  資料流都能順利得到訊標被順利的傳到解碼端。因為增強層的存取優先權比
  基礎層低,一般情形被標記的細胞都會位於此層,當發生網路壅塞時,標記
  的細胞被丟棄,對於解碼的影像不會造成太大的損害,因為不包含重要資訊
  的增強層的細胞被丟棄後,解碼端可以利用提供基本影像品質的基礎端解碼
  ,所以只有對該片段 (Slice) 的影像品質有影響,而以後的畫面或片段需要
  參考畫面時也不會造成空間以及時間的錯誤延續,這就是 SNR分層機制遺失封
  包的錯誤復原力(Error resilient),因此對整體影像的影響則更小,有助
  於提升整體的影像品質。因此這種方法相較於前兩種方法傳送有較高的影像品
  質