[論文レビュー] On the Efficiency and Fairness of Multiplayer HTTP-based Adaptive Video Streaming

Xiaoqi Yin, Mihovil Bartulović+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2016

Image and Video Quality Assessment参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、マルチプレイヤーHTTPベースの適応型動画ストリーミングにおける公平性と効率性を向上させるために、非線形モデル予測制御（MPC）に基づくルータ支援型帯域幅割り当てアルゴリズムを提案する。各プレイヤーを閉ループダイナミカルシステムとしてモデル化し、バッファレベルと動画品質要件に応じて帯域幅を動的に調整することで、ベースラインのTCPベースおよび静的効用最大化手法を上回り、変動するネットワーク環境下でも社会的福祉が15–17%高く、公平性に優れた結果を得た。

ABSTRACT

User-perceived quality-of-experience (QoE) is critical in internet video delivery systems. Extensive prior work has studied the design of client-side bitrate adaptation algorithms to maximize single-player QoE. However, multiplayer QoE fairness becomes critical as the growth of video traffic makes it more likely that multiple players share a bottleneck in the network. Despite several recent proposals, there is still a series of open questions. In this paper, we bring the problem space to light from a control theory perspective by formalizing the multiplayer QoE fairness problem and addressing two key questions in the broader problem space. First, we derive the sufficient conditions of convergence to steady state QoE fairness under TCP-based bandwidth sharing scheme. Based on the insight from this analysis that in-network active bandwidth allocation is needed, we propose a non-linear MPC-based, router-assisted bandwidth allocation algorithm that regards each player as closed-loop systems. We use trace-driven simulation to show the improvement over existing approaches. We identify several research directions enabled by the control theoretic modeling and envision that control theory can play an important role on guiding real system design in adaptive video streaming.

研究の動機と目的

• 制御理論の観点から、共同の帯域幅割り当てとビットレート適応を含むマルチプレイヤーQoE公平性問題を形式化すること。
• TCPベースの帯域幅共有がQoE公平性に収束する条件を分析し、公平性を保証するうえでのその限界を特定すること。
• プレイヤーのダイナミクスとQoE関数を考慮することで、公平性と効率性を向上させるルータ支援型で適応可能な帯域幅割り当て方式を設計すること。
• 多様なネットワークおよびプレイヤー条件下で、トレース駆動シミュレーションを用いて提案手法を既存手法と比較して評価すること。

提案手法

• プレイヤーを閉ループ制御器としてモデル化し、マルチプレイヤーQoE公平性を非線形ダイナミカルシステムにおける安定性問題として形式化する。
• TCPベースの帯域幅共有におけるQoE公平性への収束を満たす十分条件を導出し、公平性を保証できないことを明らかにする。
• リアルタイムでのプレイヤーのバッファレベルと動画品質係数に基づき、帯域幅を割り当てる非線形MPCベースのルータ支援型アルゴリズムを提案する。
• プレイヤーのビットレート適応戦略とバッファダイナミクスを制御ループに統合し、状態に応じた適応的で状態認識の可能なリソース割り当てを実現する。
• 実際のネットワークトレースを用いたトレース駆動シミュレーションにより、帯域幅の変動、初期バッファレベル、QoE関数の多様性といったさまざまな条件下での性能を評価する。
• 公平性と社会的福祉の観点から、MPCベースのルータ方式をベースラインのTCPベース共有および静的効用最大化手法と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TCPベースの帯域幅共有は、マルチプレイヤーストリーミングにおいてどのような条件下でQoE公平性に収束するか？
• RQ2 ネットワーク内でのルータ支援制御は、TCPおよび静的効用最大化を上回る公平性と効率性を実現できるか？
• RQ3 提案されたMPCベースのアルゴリズムは、多様な初期バッファレベルおよび動画品質要件下でどのように性能を発揮するか？
• RQ4 実世界のネットワークトレースにおける帯域幅の変動に対して、ルータ支援型アルゴリズムはどの程度の耐障害性を示すか？

主な発見

• ルータ支援型MPCアルゴリズムは、ベースラインのTCPベースおよび静的効用ベースの手法と比較して、社会的福祉（QoEの合計）を5–7%向上させる。
• 集中制御との比較において、最適社会的福祉の70%を達成し、他の分散型手法を15–17%上回る性能を発揮する。
• プレイヤーのQoE関数や初期バッファレベルに多様性がある場合、特にバッファが低いプレイヤーがいる状況では、ルータ支援型アルゴリズムの性能優位性が顕著に高まる。
• ルータ支援型アルゴリズムは帯域幅の変動に対してより耐障害性が高く、ネットワークジッターが増加しても高い公平性を維持するが、ベースライン手法の公平性は低下する。
• ルータは、解像度が高く、バッファレベルが低いプレイヤーにより多くの帯域幅を動的に割り当てることで、効果的な状態認識リソース割り当てを実現している。
• ベースライン手法はプレイヤーの状態を無視しており、バッファ状態に関係なく均等に帯域幅を割り当てているため、バッファ蓄積が急を要するプレイヤーのQoEは最適でない。