[논문 리뷰] Avoiding Interruptions - QoE Trade-offs in Block-coded Streaming Media Applications

Ali ParandehGheibi, Muriel Médard외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 12.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 25인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도착률이 재생률을 略로 초과할 경우 파일 크기가 증가함에 따라 요구되는 버퍼 크기가 유한하게 유지됨을 보여주는, 불안정한 무선 네트워크를 통해 블록 코딩된 비디오 스트리밍에서 경험 품질(QoE)의 상충 관계를 분석한다. 수신기 버퍼를 포아송 도착과 결정론적 재생을 갖는 M/D/1 큐로 모델링하여, 목표 중단 확률을 달성하기 위해 필요한 최소 초기 버퍼링의 점점 더 날카운 경계를 도출한다. 이는 도착률과 재생률이 동일할 경우 관찰되는 제곱근 성장과 대조된다.

ABSTRACT

We take an analytical approach to study Quality of user Experience (QoE) for video streaming applications. First, we show that random linear network coding applied to blocks of video frames can significantly simplify the packet requests at the network layer and save resources by avoiding duplicate packet reception. Network coding allows us to model the receiver's buffer as a queue with Poisson arrivals and deterministic departures. We consider the probability of interruption in video playback as well as the number of initially buffered packets (initial waiting time) as the QoE metrics. We characterize the optimal trade-off between these metrics by providing upper and lower bounds on the minimum initial buffer size, required to achieve certain level of interruption probability for different regimes of the system parameters. Our bounds are asymptotically tight as the file size goes to infinity.

연구 동기 및 목표

• 신뢰할 수 없는 무선 채널을 통해 블록 코딩된 비디오 스트리밍의 사용자 경험을 큐잉 이론을 사용하여 모델링한다.
• 초기 버퍼링 시간과 재생 중단 확률(버퍼 언더플로우) 간의 상충 관계를 정량화한다.
• 목표 중단 확률을 달성하기 위해 필요한 최소 초기 버퍼 크기의 날카운 분석 경계를 유도한다.
• 이 상충 관계가 파일 크기와 패킷 도착률 및 재생률 간의 관계에 따라 어떻게 스케일링되는지 기술한다.
• 도착률이 재생률을 약간 초과할 경우, 파일 크기가 증가함에 따라 요구되는 버퍼 크기가 유한하게 유지됨을 보여준다.

제안 방법

• 수신기 버퍼를 포아송 패킷 도착과 결정론적 재생 방출을 갖는 M/D/1 큐로 모델링한다.
• 블록 복구를 단순화하고 중복 요청을 줄이기 위해 무작위 선형 네트워크 코딩을 적용한다.
• 버퍼 수준이 0에 도달하는 첫 번째 도착 시간을 분석하기 위해 마틴게일 기반 경계와 대규모 편차 기법을 사용한다.
• 지수 마틴게일 부등식과 중간값 정리를 사용하여 최소 초기 버퍼 크기의 상한과 하한을 도출한다.
• 중간값 정리를 사용하여 다양한 파rameter 영역에서 임계 버퍼 임계치의 존재를 증명한다.
• Glynn 및 기타 포아송 尾부 경계를 적용하여 도착률과 재생률이 변화할 경우 버퍼 언더플로우 확률을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블록 코딩 스트리밍에서 목표 재생 중단 확률을 달성하기 위해 필요한 최소 초기 버퍼링은 얼마인가?
• RQ2 패킷 도착률이 재생률을 略로 초과할 경우, 파일 크기가 증가함에 따라 필요한 초기 버퍼는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 도착률이 정확히 재생률과 일치할 경우, 필요한 버퍼 크기는 어떻게 되는가?
• RQ4 최적의 초기 버퍼링과 중단 확률 간의 상충 관계에 대해 날카운 분석 경계를 도출할 수 있는가?
• RQ5 파일 크기가 증가함에 따라 요구되는 버퍼 크기가 유한하게 유지되는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 패킷 도착률이 재생률을 약간 초과할 경우, 목표 중단 확률을 달성하기 위해 필요한 최소 초기 버퍼 크기는 파일 크기가 증가함에 따라 유한하게 유지된다.
• 도착률이 정확히 재생률과 일치할 경우, 필요한 최소 버퍼 크기는 파일 크기의 제곱근 비례로 증가한다.
• 파일 크기가 무한히 증가함에 따라 유도된 상한과 하한은 점점 더 날카운 경계가 된다.
• 모든 파rameter 영역에서 경계는 마틴게일 방법과 지수 부등식을 사용하여 도출되었으며, 중간값 정리를 사용하여 임계 버퍼 임계치의 존재를 입증했다.
• 분석 결과, 무작위 선형 네트워크 코딩이 블록 복구를 단순화하고 QoE 상충 관계의 더 날카운 분석적 특성화를 가능하게 한다.
• 결과는 도착률이 재생률보다 작거나, 같거나, 약간 큰 경우에 걸쳐 강건하게 유지된다.