Este cap´ıtulo mostrou os dois principais problemas para a ampla implanta¸c˜ao de VoWiFi: os handoffs excessivamente longos e inst´aveis e a alta incidˆencia de rajadas. Al´em disso, apontamos outros problemas que podem dificultar a utiliza¸c˜ao de VoWiFi. Apesar desses problemas, os experimentos realizados mostraram que VoWiFi oferece boa qualidade quando a capacidade de vaz˜ao da rede n˜ao ´e excedida, a qualidade do sinal ´e boa e a mobilidade ´e moderada.
Trabalhamos tamb´em em algoritmos para reduzir o problema de diversidade de implementa¸c˜ao; esses algoritmos assemelham-se a processos de calibra¸c˜ao das m´etricas de adapta¸c˜ao e ser˜ao men- cionados nos Cap´ıtulos 5 e 6.
sentes em IEEE 802.11, Time Synchronization Function (TSF), para aproximadamente sincronizar o tempo de transmiss˜ao entre as unidades m´oveis. A id´eia ´e distribuir estatisticamente essas trans- miss˜oes de VoIP, a fim de reduzir as colis˜oes. Isso ´e poss´ıvel porque em tr´afegos de VoIP as transmiss˜oes se d˜ao em intervalos regulares de tempo, por exemplo, a cada 20ms.
Por fim, resta observar que as tecnologias de suporte `a VoWiFi est˜ao amadurecendo; os seus problemas est˜ao sendo resolvidos `a medida que evoluem os produtos baseados em IEEE 802.11. Se hoje ainda h´a algo de artesanal em VoWiFi, em alguns anos VoWiFi deve estar plenamente dispon´ıvel para os usu´arios.
Cap´ıtulo 4
V´ıdeo sobre redes IEEE 802.11
Movies are a fad. Audiences really want to see live actors on a stage. Charlie Chaplin
Nos ´ultimos anos, a utiliza¸c˜ao das aplica¸c˜oes de v´ıdeo cresceu fortemente entre os usu´arios de computadores. Esse crescimento foi poss´ıvel devido a alguns progressos tecnol´ogicos, tais como o desenvolvimento de tecnologias de codifica¸c˜ao de v´ıdeo, a populariza¸c˜ao das cˆameras digitais, o barateamento dos meios de armazenamento e a maior disponibilidade de redes de alta velocidade para troca de conte´udos.
Os avan¸cos tecnol´ogicos reduziram gradativamente as limita¸c˜oes para a utiliza¸c˜ao das tecnolo- gias de v´ıdeo e, desse modo, levaram as aplica¸c˜oes de v´ıdeo de nichos espec´ıficos para o alcance dos usu´arios finais. Nesse cen´ario, as aplica¸c˜oes de transmiss˜ao de fluxos cont´ınuos de v´ıdeo (video streaming) tˆem lugar de destaque.
As tecnologias de streaming permitem que os usu´arios assistam aos v´ıdeos enquanto o conte´udo ´e transmitido; desse modo, o in´ıcio da exibi¸c˜ao ´e antecipado e reduz-se tamb´em a necessidade de armazenamento local. Outra raz˜ao para o uso de fluxos de v´ıdeo ´e a redu¸c˜ao da latˆencia de comunica¸c˜ao, o que ´e fundamental para aplica¸c˜oes de comunica¸c˜ao em tempo real, tais como as aplica¸c˜oes de videoconferˆencia.
Desse modo, devido `a importˆancia das aplica¸c˜oes de v´ıdeo, este cap´ıtulo apresenta a uti- liza¸c˜ao de fluxos de v´ıdeo sobre redes IEEE 802.11. Para isso, descreve a arquitetura usual dessas
Coordenação
MU
AP
Exibição Decodificação Recepção Distribuição Transmissão Armazenamento Codificação Produção de conteúdoSS
Figura 4.1: Etapas da transmiss˜ao de multim´ıdia.
aplica¸c˜oes, apresenta o padr˜ao de codifica¸c˜ao de v´ıdeo atualmente considerado o padr˜ao mais apro- priado para implementa¸c˜ao de fluxos de v´ıdeo — o padr˜ao H.264/AVC — e aponta os principais problemas para distribui¸c˜ao desses fluxos sobre redes Wi-Fi. Por fim, elencamos algumas carac- ter´ısticas das redes IEEE 802.11 que, se revisadas, poderiam melhorar a distribui¸c˜ao de v´ıdeo nessas redes.
4.1
Arquitetura das aplica¸c˜oes de fluxos de v´ıdeo
A transmiss˜ao de v´ıdeo sobre redes se d´a atrav´es de etapas bem definidas, que v˜ao da produ¸c˜ao de conte´udo `a sua exibi¸c˜ao. No contexto desta pesquisa, que envolve redes IEEE 802.11 infra- estruturadas, as fases de produ¸c˜ao, codifica¸c˜ao, armazenamento e transmiss˜ao do v´ıdeo s˜ao exe- cutadas em um servidor de v´ıdeo (Streaming Server ou SS). A distribui¸c˜ao ocorre com o aux´ılio de um ponto de acesso (Access Point ou AP). As fases finais — recep¸c˜ao, decodifica¸c˜ao e exibi¸c˜ao — ocorrem na unidade m´ovel (Mobile Unit ou MU). Al´em disso, tamb´em se faz necess´aria a coor- dena¸c˜ao entre essas atividades. A Figura 4.1 ilustra o processo de transmiss˜ao de v´ıdeo; vejamos em que consiste cada uma dessas etapas:
1. Produ¸c˜ao do conte´udo. Consiste na gera¸c˜ao de sinais digitais com o uso de dispositivos captadores, como cˆameras e microfones, ou sintetizadores.
2. Codifica¸c˜ao. Transforma¸c˜ao do conte´udo bruto para um formato mais conveniente. Em geral, a transforma¸c˜ao envolve compacta¸c˜ao espacial e temporal. A compress˜ao espacial mi- nimiza a quantidade de dados necess´arios para a representa¸c˜ao de uma cena ou quadro, como faz o padr˜ao JPEG de compacta¸c˜ao de imagens. Por sua vez, a compress˜ao temporal eli- mina a redundˆancia entre quadros. Os padr˜oes de codifica¸c˜ao de v´ıdeo, pelo menos os mais modernos [HV02b, Mov03, Joi03], permitem definir parˆametros de quantiza¸c˜ao (Quantiza- tion Parameters), de tal modo que o tamanho e a qualidade dos v´ıdeos codificados sejam adequados `a capacidade de recep¸c˜ao e de exibi¸c˜ao do cliente.
3. Armazenamento. Nesta fase, o conte´udo ´e armazenado em m´ıdias n˜ao vol´ateis, tais como discos r´ıgidos ou discos ´opticos. Algumas aplica¸c˜oes dispensam esta fase; exemplo disso s˜ao as aplica¸c˜oes de videoconferˆencia. Outras aplica¸c˜oes, devido `a variedade de clientes, armazenam um mesmo v´ıdeo em diferentes formatos de codifica¸c˜ao e qualidade.
4. Transmiss˜ao. Consiste em enviar conte´udo de v´ıdeo de um ponto a outro da rede, o que pode ser feito por: unicast, multicast ou broadcast. Al´em disso, a transmiss˜ao pode usar diferentes meios e protocolos de transporte. A forma mais comum de transmiss˜ao de fluxos de v´ıdeo sobre a Internet ´e realizada usando-se o conjunto de protocolos RTP/UDP/IP. A escolha de UDP, um protocolo n˜ao confi´avel, deve-se principalmente a dois fatores. Primeiro, UDP, por n˜ao fazer retransmiss˜oes, pois n˜ao implementa recupera¸c˜ao de erros, ´e mais leve do que os protocolos confi´aveis e, sendo assim, alcan¸ca maiores taxas de transmiss˜ao, o que ´e importante para aplica¸c˜oes de v´ıdeo. Segundo, em fluxos cont´ınuos de v´ıdeo, pequenas taxas de perdas de dados s˜ao aceit´aveis e n˜ao necessariamente comprometem a qualidade de exibi¸c˜ao do v´ıdeo.
5. Distribui¸c˜ao. Nesta camada, onde residem elementos de rede, proxies e middleware, pode- se implementar mecanismos adaptativos para garantir, transparentemente, os requisitos de tempo real dos fluxos de v´ıdeo [BCD+
97] e da mobilidade [ACKL98]. O ponto de acesso, por exemplo, ´e um elemento de rede que encapsula mecanismos adaptativos e pode ser configurado e otimizado para tr´afegos espec´ıficos. A Se¸c˜ao 2.4 apresentou alguns parˆametros configur´aveis de IEEE 802.11. A Se¸c˜ao 4.5, por sua vez, apresentar´a mais alguns mecanismos que podem
melhorar a distribui¸c˜ao de fluxos de v´ıdeo se implementados nos pontos de acesso.
6. Recep¸c˜ao. Nesta fase, a unidade m´ovel recebe os pacotes RTP, verificando seu conte´udo, sua ordem de chegada e prioridade de exibi¸c˜ao. ´E nesta etapa que as perdas e atrasos de pacotes podem ser observados. Pequenas taxas de perda de pacotes s˜ao toleradas pelas aplica¸c˜oes de v´ıdeo; no entanto, taxas altas podem inviabilizar a exibi¸c˜ao, como veremos na Se¸c˜ao 4.4. 7. Decodifica¸c˜ao. Consiste na transforma¸c˜ao do formato recebido para o formato a ser exibido. 8. Exibi¸c˜ao. Reprodu¸c˜ao da m´ıdia recebida nos respectivos dispositivos. Pode ser necess´ario
sincronizar as trilhas de transmiss˜ao, tais como as trilhas de ´audio e v´ıdeo.
9. Coordena¸c˜ao. De maneira ortogonal `as fases anteriores, s˜ao necess´arias atividades de co- ordena¸c˜ao que sincronizem todas as etapas, levando sempre em considera¸c˜ao os requisitos de tempo real das aplica¸c˜oes multim´ıdia.
Dadas as fases definidas acima, este trabalho concentra-se nos problemas de distribui¸c˜ao; mais especificamente, este cap´ıtulo concentra-se em como a distribui¸c˜ao de v´ıdeo pode ser otimizada atrav´es da implementa¸c˜ao de pontos de acesso inteligentes. Antes disso, por´em, vejamos: os requisitos das aplica¸c˜oes de fluxos de v´ıdeo (Se¸c˜ao 4.2), os principais problemas relacionados ao uso de fluxos de v´ıdeo sobre Wi-Fi (Se¸c˜ao 4.3) e o padr˜ao de codifica¸c˜ao de v´ıdeo H.264/AVC (Se¸c˜ao 4.4) — atualmente considerado o mais apropriado para implementa¸c˜ao de fluxos de v´ıdeo.