L’adaptation du débit vidéo en fonction du débit Physique 802.11

L’objectif de cette adaptation est d’assurer une corrélation entre le codage source et le codage canal. Le codage source correspond au débit vidéo généré par le XLAVS et le codage canal correspond au débit physique utilisé par le XLAG. La correspondance entre ces deux débits est primordiale pour optimiser la QoS des flux vidéo tout en assurant une exploitation optimale du débit physique disponible.

Pour mettre en œuvre cette correspondance, le XLAVS doit se tenir informé du débit disponible au niveau physique. Ce débit est choisi par un algorithme de contrôle de débit (RCA) implémenté au niveau de la couche MAC 802.11. Une instance du RCA est associée pour chaque

station connectée au XLAG et le fonctionnement des instances est indépendant entre elles. Par conséquent, le XLAG peut utiliser un débit physique différent pour chaque station.

4.2.4.1 L’estimation du débit applicatif à partir du débit physique

L’un des défis majeurs que doit effectuer le XLAVS à travers son module « XLDP » pour concrétiser cette adaptation est l’estimation du débit applicatif qui peut être réalisé avec un débit physique. En effet, ces deux débits ne sont pas identiques malgré l’existence d’une certaine corrélation.

Afin d’expliquer la différence entre le débit applicatif et le débit physique, nous supposons un réseau 802.11 en mode infrastructure et nous étudions deux situations possibles : (1) une seule station connectée au point d’accès et (2) plusieurs stations connectées de sorte que le point d’accès utilise un débit physique différent pour chaque station. Nous détaillons ces deux cas par la suite : • Situation 1 - Une station : Lorsque le débit physique est fixé à un certain seuil au niveau du

point d’accès (AP), le débit applicatif, entre le point d’accès et la station qui peut être réalisé avec ce débit physique, est toujours inférieur. Effectivement, le débit physique est un débit théorique calculé à partir des modulations et des codages utilisés. Dans la réalité, ce débit n’est jamais atteint à cause d’un délai supplémentaire overhead introduit pour la transmission de chaque trame de données. Ce délai est causé principalement par : (1) les en-têtes des différentes couches réseaux (RTP, UDP, IP, LLC, 802.11 MAC et 802.11 PHY), (2) les intervalles de temps utilisés par la couche 802.11 MAC pour partager l’accès au canal et (3) l’attente de l’acquittement et la retransmission au niveau MAC. Le Tableau 4-2 donne le débit applicatif moyen réalisé avec les différents débits physiques. Ces mesures ont été obtenues en transmettant un flux UDP d’un point d’accès vers une station. La taille des trames est fixée à 1512 octets.

Débit physique _applicatif ^Débit _{débit APP/débit PHY} ^Ratio

54 Mbits/s 36 Mbits/s ^{66 %} 48 Mbits/s 32.8 Mbits/s ^{68 %} 36Mbits/s 26.3 Mbits/s ^{73 %} 24 Mbits/s 18.7 Mbits/s ^{78 %} 18 Mbits/s 14.5 Mbits/s ^{80 %} 12 Mbits/s 10 Mbits/s ^{83 %} 11 Mbits/s 8.15 Mbits/s ^{74 %} 9 Mbits/s 7.7 Mbits/s ^{85 %} 6 Mbits/s 5.2 Mbits/s ^{86 %} 5.5 Mbits/s 4.4 Mbits/s ^{80 %} 2 Mbits/s 1.7 Mbits/s ^85% 1 Mbits/s 900 Kbits/s ^{87 %}

• Situation 2 - plusieurs stations : Dans cette situation, l’AP peut utiliser un débit physique pour chaque station. Le débit physique est choisi par l’instance de RCA associée à chacune des stations. Si l’AP transmet simultanément des flux pour toutes les stations, le débit applicatif d’un flux transmis ne dépend pas seulement du débit physique utilisé par l’AP pour transmettre ce flux (Situation 1), mais il dépend aussi des débits physiques utilisés pour transmettre les autres flux vers les autres stations. Cette dépendance s’explique par deux raisons principales. La première raison est le partage équitable du canal entre toutes les stations, c’est-à-dire, la même quantité de données est envoyée pour chaque station durant un intervalle de temps t. La deuxième raison est liée au débit physique lui-même puisque la transmission avec un débit faible occupe le canal pour une durée plus longue. Par exemple, le temps nécessaire pour transmettre une trame de 1512 octets avec un débit de 54 Mbits/s est de 0.0267 ms, mais avec un débit de 1Mbits/s, le temps augmente à 1.44 ms. Ainsi, le débit physique le moins élevé tire vers le bas les débits applicatifs de tous les flux. Pour illustrer ce phénomène, le Tableau 4-3 donne le débit applicatif moyen de trois flux transmis d’un AP vers les trois stations en utilisant des débits physiques différents. Le tableau présente toutes les combinaisons possibles entre trois débits physiques : 1 Mbits/s, 11 Mbits/s et 54 Mbits/s. Nous constatons que les débits applicatifs des flux sont relativement égaux malgré la différence de débit physique. Ceci confirme le partage équitable du canal. De plus, il n’existe plus de corrélation entre le débit applicatif et le débit physique pour une station. Par exemple, dans la troisième combinaison, la station 3 possède un débit physique de 54 Mbits/s, mais son débit applicatif moyen est de 417 Kbits/s.

Débits Physiques Débits Applicatifs

Station 1

Mbits/s ^{Station 2} Mbits/s ^{Station 3} Mbits/s ^{Station 1 Station 2 Station 3}

1 1 1 289 Kbits/s 303 Kbits/s 310 Kbits/s 1 1 11 416 Kbits/s 411 Kbits/s 446 Kbits/s 1 1 54 423 Kbits/s 425 Kbits/s 417 Kbits/s 1 54 54 858 Kbits/s 828 Kbits/s 834 Kbits/s 1 11 54 808 Kbits/s 804 Kbits/s 805 Kbits/s 1 11 11 732 Kbits/s 730 Kbits/s 737 Kbits/s 11 11 11 2.70 Mbits/s 2.74 Mbits/s 2.69 Mbits/s 11 54 11 3.62 Mbits/s 3.65 Mbits/s 3.75 Mbits/s 11 54 54 5.54 Mbits/s 5.82 Mbits/s 5.79 Mbits/s 54 54 54 12.10 Mbits/s 12.04 Mbits/s 12.11 Mbits/s

Tableau 4-3 : Les débits applicatifs réalisés avec différentes combinaisons de débits physiques

À partir de cette étude, nous avons proposé un modèle mathèmatique pour calculer le débit physique effectif pour chaque station au niveau d’un AP en utilisant les débits physiques théoriques de toutes les stations connectées. Ce modèle se base sur le fait que le canal est partagé équitablement entre les stations. Par conséquent, le nombre de trames transmises de l’AP vers chaque station est identique durant une seconde. Nous supposons aussi que la taille des trames est identique pour toutes les stations. Tout cela se traduit par l’équation Eq. 4-2.

s r fs Nbf r fs Nbf r fs Nbf r fs Nbf r fs Nbf sta Nb i 1 3 2 1 = + + + + + + _{KK KK} Eq. 4-2

Nbf : Le nombre de trames transmises fs : La taille des trames

ri : Le débit physique théorique utilisé pour transmettre les trames à la station i Le débit physique effectif réalisé par chaque station Riphy est calculé par l’équation Eq. 4-3

fs Nbf

Ri_phy = Eq. 4-3

Le Nbf dans l’équation Eq. 4-4 est calculé à partir de l’équation Eq. 4-2

∑

En replaçant l’expression du Nbf dans l’équation Eq. 4-3, le calcule du Riphy peut être simplifié en utilisant l’équation eq. 4-5

∑

Il important de préciser que le débit physique effectif est supérieur au débit applicatif puisqu’il ne considère pas les délais supplémentaires introduits par les en-têtes des couches réseaux et le mécanisme d’accès 802.11 MAC. Cependant, il permet une meilleure estimation du débit applicatif avec un taux d’écart acceptable comparé au débit physique théorique. Le Tableau 4-4 présente le débit effectif calculé à l’aide de l’équation Eq. 4-5 et la moyenne des débits applicatifs des stations 1, 2 et 3 pour toutes les combinaisons du Tableau 4-3. En comparant les deux dernières colonnes du Tableau 4-4, nous constatons clairement que le débit physique effectif offre une meilleure estimation du débit applicatif.

Débits Physiques Station 1

Mbits/s ^{Station 2}Mbits/s ^{Station 3} Mbits/s

Débits Physiques effectifs calculés par l’équation

Eq. 4-5

Débits applicatifs moyens pour les stations 1, 2 et 3 1 1 1 341 Kbits/s 300 Kbits/s 1 1 11 489 Kbits/s 424 Kbits/s 1 1 54 507 Kbits/s 421 Kbits/s 1 54 54 988 Kbits/s 840 Kbits/s 1 11 54 924 Kbits/s 805 Kbits/s 1 11 11 867 Kbits/s 733 Kbits/s 11 11 11 3.7 Mbits/s 2.71 Mbits/s 11 54 11 5.05 Mbits/s 3.67 Mbits/s 11 54 54 7.93 Mbits/s 5.71 Mbits/s 54 54 54 18 Mbits/s 12 Mbits/s

Tableau 4-4 : Les débits physiques effectifs calculés pour différentes combinaisons de débits physiques

4.2.4.2 Mise en œuvre de l’adaptation du débit au niveau du XLAG

Au niveau du XLAG, l’adaptation du débit vidéo est exécutée par le module « transcoder » en variant la résolution SNR comme nous l’avons expliqué dans la section 4.2.3.2.2. Toutefois, le débit vidéo est décidé par le module « XLDP » qui doit récupérer le débit physique de chaque station connectée au XLAG. XLAVS Application Transport Network 802.11 MAC RCA Cross Layer Decision Point XLDP Transcoder 802.11 PHY

Figure 4-9 : L’interaction entre les modules au niveau du XLAG pour l’adaptation du débit vidéo en fonction du débit physique

La Figure 4-9 illustre les interactions entre les différents modules qui mettent en œuvre l’adaptation dynamique du débit vidéo. Périodiquement, le module « XLDP » interroge le module RCA qui gère les débits physiques au niveau de la couche MAC 802.11. Cette interrogation permet de récupérer deux informations importantes : (1) le nombre de stations connectées et (2) le débit physique de chaque station. Elle est effectuée par un appel de fonction « liste_station (sta_nb,

phy_rate[]) » interne au XLAG.

Par la suite, le module « XLDP » calcule le débit physique effectif Riphy en utilisant l’équation Eq. 4-5 proposée dans la section précédente. À partir de ce débit, le module « XLDP » calcule le débit vidéo de chaque session IPTV en permettant au flux vidéo d’occuper une proportion du débit physique effectif. Cette proportion doit prendre en considération la différence entre le débit physique effectif et le débit applicatif. De plus, elle doit empêcher le flux vidéo d’occuper toute la bande passante, par exemple, le débit vidéo occupe 50% du débit physique effectif. La valeur de la proportion fait partie de la politique d’adaptation qui peut être configurée par un administrateur externe.

Enfin, le débit vidéo est communiqué au module « transcoder » qui réinitialise l’algorithme de contrôle du débit pour le flux vidéo avec la nouvelle valeur reçue. La périodicité de cette adaptation doit considérer le temps de réaction de l’adaptation vidéo, c’est-à-dire, le temps entre l’initialisation du module « transcoder » et la diminution effective du débit vidéo. Ce temps est de l’ordre de 2 secondes (voir section 4.2.3.2.2). Il est donc inutile d’exécuter l’adaptation avec une périodicité inférieure à 2 secondes. Ceci n’est pas contraignant puisque la diminution et l’augmentation du débit physique au niveau des RCAs n’est pas drastique, mais s’effectue étape par étape (voir section 4.2.2).