[논문 리뷰] Capacity and Scheduling of Access Points for Multiple Live Video Streams

I-Hong Hou, Rahul Singh|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 10.

Advanced Wireless Network Optimization참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 불안정한 무선 링크를 통해 다수의 라이브 비디오 스트림을 전송할 때 최대 처리량을 달성하고 패킷당 지연을 최소화하기 위해 최초의 양의 데드라인 우선 스케줄링(EPDF) 정책을 제안한다. 서버 측에서 버퍼링을 활용하고 잔여 지연 및 처리량 부채에 기반해 패킷의 우선순위를 동적으로 조정함으로써 EPDF는 이론적 용량 영역을 달성하며, 세 가지 비디오 트레이스에 대한 추적 기반 시뮬레이션에서 기존 정책보다 크게 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 변동 비트레이트 트래픽과 이질적인 채널 조건을 가진 불안정한 무선 링크를 통해 다수의 라이브 비디오 스트림을 전달하는 과제를 해결한다.
• 서버 측에서 제어 가능한 버퍼링 조건 하에, 각 흐름에 대한 패킷당 지연과 처리량 제약 조건을 종합적으로 고려하여 정확한 용량 영역을 규명한다.
• 미래의 트래픽 패턴에 대한 지식이 필요 없이도 용량 영역 내에서 성능을 보장하는 온라인 스케줄링 정책을 설계한다.
• 실제 비디오 트래픽과 채널 동역학 조건 하에서 장기적 공정성과 단기 성능 간의 트레이드오프를 평가한다.

제안 방법

• 패킷의 데드라인과 요구 비율 대비 누적 처리량 부족량을 나타내는 '부채' 측정치를 조합하여 우선순위를 결정하는 EPDF 스케줄링 정책을 제안한다.
• 네트워크와 트래픽의 변동성을 흡수하기 위해 서버가 제어 가능한 버퍼링 지연을 도입함으로써, 피크 부하와 채널 감쇠에 대한 강건성을 향상시킨다.
• 용량 영역을 각 흐름에 대해 달성 가능한 (지연, 처리량) 쌍의 집합으로 정의하며, 이는 패킷당 지연 한계와 흐름당 처리량 요구 조건의 동시 제약 조건에서 유도된다.
• 리아푸노프 드리프트 분석을 사용하여 EPDF가 용량을 달성함을 증명한다. 즉, 주어진 모델 하에서 용량 영역 내의 엄격하게 가능성이 있는 (지연, 처리량) 벡터를 모두 지원한다.
• 실제 영화 세 편(해리포터, 파인딩 네버랜드, 트랜스포터 2)의 비디오 트레이스를 사용하여 ns-2 시뮬레이션 환경에서 EPDF를 구현하고 테스트한다.
• 단기 공정성을 향상시키기 위해 수정된 EPDF 버전을 도입하고, 이로 인한 장기적 성능 보장에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서버 측에서 버퍼링이 가능한 조건 하에, 패킷당 지연 및 처리량 제약 조건을 고려할 때 다수의 라이브 비디오 스트림에 대한 정확한 용량 영역은 무엇인가?
• RQ2 미래의 트래픽 또는 채널 상태에 대한 지식이 없이도 전체 용량 영역을 달성할 수 있는 스케줄링 정책은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 지연 한계를 증가시킬 경우 라이브 비디오 스트리밍의 가능 처리량 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 프레임 크기(M)는 EPDF 정책의 단기 및 장기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 장기적 공정성 또는 처리량 보장을 크게 악화시키지 않으면서 단기 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• EPDF 정책은 세 가지 비디오 트레이스 전반에서 LDF, EDF 및 이전 연구에서 제안한 히우리스틱 정책보다 크게 뛰어나며, 동일한 지연 한계 조건 하에서 처리량 차이가 최대 0.13에 이르렀다.
• 지연 한계를 0.1초에서 1초로 증가시키면 최대 가능 처리량이 최대 0.2만큼 향상되며, 10초로 더 증가시키면 일부 케이스에서 추가로 0.21의 향상이 있었다.
• 이론적 우려가 있었음에도 불구하고, 단기 성능을 향상시키기 위해 EPDF를 수정한 결과, 비적대적 트래픽 조건 하에서는 장기적 성능에 거의 영향을 주지 않았다.
• 프레임 크기 M=1과 M=1000일 때의 달성 가능한 처리량 영역은 장기적 성능에서 거의 구분되지 않으며, 모든 트레이스에서 차이가 0.03 이내였다.
• 작은 프레임 크기(M=1)는 M=1000에 비해 단기 전달 성능이 훨씬 더 안정적이며, 초당 패킷 수의 변동성이 훨씬 적었다.
• EPDF 정책이 용량을 달성함을 증명하였으며, 주어진 모델 하에서 용량 영역 내의 엄격하게 가능성이 있는 (지연, 처리량) 벡터를 모두 지원한다.