[論文レビュー] Capacity and Scheduling of Access Points for Multiple Live Video Streams

I-Hong Hou, Rahul Singh|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、不安定な無線リンクを介した複数のライブ動画ストリームに対して、スループットを最大化し、パケットあたり遅延を最小化するためのEarliest Positive-Debt Deadline First (EPDF)スケジューリング方針を提案する。サーバーでのバッファリングを活用し、残り遅延とスループットデューティ（債務）に基づいて動的にパケットの優先度を決定することで、EPDFは理論的容量領域を達成し、3つの動画トレースにおけるトレースベースのシミュレーションで、既存のポリシーを大きく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

This paper studies the problem of serving multiple live video streams to several different clients from a single access point over unreliable wireless links, which is expected to be major a consumer of future wireless capacity. This problem involves two characteristics. On the streaming side, different video streams may generate variable-bit-rate traffic with different traffic patterns. On the network side, the wireless transmissions are unreliable, and the link qualities differ from client to client. In order to alleviate the above stochastic aspects of both video streams and link unreliability, each client typically buffers incoming packets before playing the video. The quality of the video playback subscribed to by each flow depends, among other factors, on both the delay of packets as well as their throughput. In this paper we characterize precisely the capacity of the wireless video server in terms of what combination of joint per-packet-delays and throughputs can be supported for the set of flows, as a function of the buffering delay introduced at the server. We also address how to schedule packets at the access point to satisfy the joint per-packet-delay-throughput performance measure. We test the designed policy on the traces of three movies. From our tests, it appears to outperform other policies by a large margin.

研究の動機と目的

• 変動ビットレートのトラフィックと異種のチャネル状態を伴う不安定な無線リンクを介して複数のライブ動画ストリームを効果的に配信する課題に対処すること。
• サーバーでの制御されたバッファリングを前提として、各フローのパケットあたり遅延とスループット制約の両方を考慮した、正確な容量領域を特定すること。
• 将来のトラフィックパターンの知識を必要とせず、容量領域内での性能を保証するオンラインスケジューリング方針を設計すること。
• 現実的な動画トラフィックとチャネルダイナミクス下で、長期的公平性と短期的性能のトレードオフを評価すること。

提案手法

• パケットのデッドラインと、必要レートに対するスループットの累積的不足（債務）を組み合わせた指標に基づいてパケットの優先度を決定するEPDFスケジューリング方針を提案する。
• ネットワークとトラフィックの変動を吸収できるように、サーバーが制御されたバッファリング遅延を導入するモデルを構築し、バースト性やチャネルフェーディングに対する耐性を向上させる。
• 各フローについて、パケットあたり遅延の上限とフローごとのスループット要件という両方の制約を統合した条件下で、すべての実現可能な（遅延、スループット）ペアの集合として容量領域を定義する。
• Lyapunovドリフト解析を用いて、EPDFが容量達成可能であることを証明する。つまり、与えられたモデル下で、容量領域内に存在するすべての厳密に実現可能な（遅延、スループット）ベクトルをサポートできることを示す。
• 実際の動画トレース（ハリー・ポッター、ファインディング・ネバーランド、トランスポーター2）を用いて、ns-2シミュレーションでEPDFを実装・評価する。
• 短期的公平性を向上させるためにEPDFの変種を導入し、長期的性能保証への影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サーバーでのバッファリングを前提とした場合、パケットあたり遅延とスループット制約の下で、複数のライブ動画ストリームの正確な容量領域は何か？
• RQ2 将来のトラフィックやチャネル状態の知識を必要とせず、容量領域全体を達成できるスケジューリング方針はどのように設計できるか？
• RQ3 遅延バウンドを増加させることで、ライブ動画ストリーミングにおける実現可能なスループット領域にどのような影響が生じるか？
• RQ4 フレームサイズ（M）がEPDF方針の短期的および長期的性能に与える影響は何か？
• RQ5 長期的公平性やスループット保証を著しく損なわずに、短期的性能をどの程度まで向上させられるか？

主な発見

• EPDFは、3つの動画トレースすべてにおいて、LDF、EDF、および先行研究のヒューリスティック手法を大きく上回り、同じ遅延バウンド下で最大0.13のスループット差を示した。
• 遅延バウンドを0.1秒から1秒に引き上げることで、最大スループットが最大0.2向上し、さらに10秒に引き上げると、一部のケースでさらに0.21の向上が得られた。
• 理論的懸念が存在するにもかかわらず、EPDFを短期的性能向上のために変更しても、長期的性能にほとんど影響を及ぼさない。特に非悪意のあるトラフィック下では顕著である。
• フレームサイズM=1とM=1000の両方において、長期的性能の達成スループット領域はほぼ同一であり、すべてのトレースで差が0.03未満にとどまった。
• M=1の小さなフレームサイズでは、1秒あたりのパケット数の変動が小さく、短期的配信がはるかに安定している。一方、M=1000ではそのような安定性が著しく欠ける。
• EPDF方針が容量達成可能であることが証明され、与えられたモデル下で、容量領域内に存在するすべての厳密に実現可能な（遅延、スループット）ベクトルをサポートできることが示された。