[論文レビュー] The Influence of the Buffer Size in Packet Loss for Competing Multimedia and Bursty Traffic

Luis Sequeira, Julián Fernández-Navajas+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Network Traffic and Congestion Control参考文献 20被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、アクセスルータのバッファサイズが、バースト性の高いマルチメディアトラフィックと競合する状況下でのパケット損失およびVoIP品質に与える影響を調査する。NS-2を用いたシミュレーションにおいて、VoIP、ビデオ会議、ビデオ監視の実測トラフィックを用い、バースト性の高いトラフィックによるバッファオーバーフローがVoIPのMOSを著しく悪化させることを示している。70％のリンク利用率であっても、98％以上の通話が中程度の品質（MOS ≤ 3.6）にとどまり、QoS設計においてバッファサイズが混合トラフィック環境で極めて重要な要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

This work presents an analysis of the effect of the access router buffer size on packet loss rate and how it can affect the QoS of multimedia services when bursty traffic is present. VoIP traffic, real traces of viedoconferencing and videosurvellance are used in two different scenarios with medium link utilization. The study shows that the bursty nature of some applications may impair the MOS of voice calls especially when a certain number of bursts overlap. When link utilization is above 70% good values of VoIP QoS cannot be obtained.

研究の動機と目的

• アクセスルータのバッファサイズが、競合するマルチメディアフローにおけるパケット損失およびQoSに与える影響を分析すること。
• 中程度のリンク利用率下で、バースト性の高いトラフィック（例：ビデオ監視）がリアルタイムサービス（例：VoIP）に与える影響を評価すること。
• 同時に進行するマルチメディアセッションにおけるバッファ起因のパケット損失が引き起こす主観的音声品質（MOS）の低下を定量化すること。
• 混合トラフィック環境下で損失を最小限に抑え、VoIPのMOSを許容可能な水準に保つ最適なバッファサイズを同定すること。

提案手法

• VoIP、ビデオ会議、ビデオ監視アプリケーションの実測トラフィックを用いて、NS-2を用いて2つのネットワークシナリオをシミュレートした。
• バッファサイズを小から大（最大40パケット）に変化させながら、リンク容量を一定に保ち、バッファ効果を独立して評価した。
• バッファサイズを40パケットに固定し、アクセスリンク利用率を50％から90％に変化させ、負荷の影響が損失およびMOSに与える影響を評価した。
• 70％の利用率で200回の繰り返しシミュレーションを実施し、フローの重複や損失分布における統計的ばらつきを捉えた。
• 各VoIP通話のMOSを、ITU-T PESQに基づくモデルを用いて計算し、異なる損失状態下での主観的音声品質を評価した。
• さまざまなネットワーク遅延における累積MOS確率分布を生成し、品質の閾値および一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中程度のリンク利用率下で、バッファサイズがVoIPおよびバースト性の高い動画アプリケーションのパケット損失率に与える影響は何か？
• RQ2 バッファサイズを増大させても、ビデオ監視やビデオ会議からのバースト性トラフィックが、VoIP品質をどれほど悪化させるか？
• RQ3 リンク利用率が70％に達した場合、VoIP通話で達成可能なMOSは何か？この条件下でも高品質な音声（MOS > 4.0）を達成できるか？
• RQ4 複数のトラフィックバーストの重複が、パケット損失の分布および主観的音声品質に与える影響は何か？

主な発見

• 40パケットのバッファを有する70％のリンク利用率下では、98％以上のVoIP通話がMOS 3.6以下にとどまり、中程度の音声品質にとどまる。
• 最適な条件下であっても、ネットワーク遅延がゼロであっても、バッファ起因の損失のため、高品質なVoIP（MOS > 4.0）は達成できない。
• バースト性の高いトラフィックが重複すると、VoIPおよびビデオ会議のパケット損失が顕著に増加し、特にバッファ容量を超えた場合に顕著である。
• 大きなバッファは平均的なパケット損失を低減するが、特に高利用率下では、バースト重複シナリオにおける高損失リスクを完全に排除できない。
• パケット損失の分布は一様ではない：大部分の通話（<0.75％損失）は低損失であるが、0.5％の通話では最大3％の損失を経験し、品質が著しく悪化する。
• 累積MOS確率は、中程度品質範囲（3.60–4.03）で急激に低下し、テスト条件下での達成可能な音声品質に硬い上限があることが示された。