[论文解读] Avoiding Interruptions - QoE Trade-offs in Block-coded Streaming Media Applications

Ali ParandehGheibi, Muriel Médard+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2010

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文通过将接收端缓冲区建模为泊松到达与确定性播放的 M/D/1 队列，分析了在不可靠无线网络上基于分块编码的视频流媒体中用户体验质量（QoE）的权衡。推导了在达到目标中断概率时，实现最小初始缓冲的渐近紧致上下界，表明当到达速率仅略高于播放速率时，随着文件大小增加，所需缓冲区大小保持有界——这与在速率相等时观察到的平方根增长形成对比。

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.

研究动机与目标

• 使用排队论建模在不可靠无线信道上基于分块编码的视频流媒体的用户体验。
• 量化初始缓冲时间与播放中断概率（缓冲区下溢）之间的权衡。
• 推导实现目标中断概率所需最小初始缓冲区大小的紧致解析边界。
• 描述该权衡随文件大小的变化规律，以及数据包到达速率与播放速率之间的关系。
• 表明当到达速率仅略高于播放速率时，随着文件大小增加，所需缓冲区大小保持有界。

提出的方法

• 将接收端缓冲区建模为具有泊松包到达和确定性播放离开的 M/D/1 队列。
• 应用随机线性网络编码以简化分块恢复并减少冗余请求。
• 使用基于鞅的边界和大偏差技术分析缓冲区水平首次降至零的首达时间。
• 利用指数鞅不等式和介值定理，推导最小初始缓冲区大小的上下界。
• 应用介值定理证明在不同参数区域下临界缓冲阈值的存在性。
• 应用 Glynn 及其他泊松尾部边界，量化在不同到达速率和播放速率下缓冲区下溢的概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基于分块编码的视频流媒体中，为实现目标播放中断概率，所需的最小初始缓冲区大小是多少？
• RQ2 当数据包到达速率仅略高于播放速率时，所需初始缓冲区大小如何随文件大小变化？
• RQ3 当到达速率恰好等于播放速率时，所需缓冲区大小会发生什么变化？
• RQ4 能否为初始缓冲与中断概率之间的最优权衡推导出紧致的解析边界？
• RQ5 在何种条件下，随着文件大小增加，所需缓冲区大小保持有界？

主要发现

• 当数据包到达速率仅略高于播放速率时，为实现给定中断概率，所需最小初始缓冲区大小在文件大小增加时保持有界。
• 当到达速率恰好等于播放速率时，所需最小缓冲区大小随文件大小的平方根增长。
• 推导出的所需初始缓冲区大小的上下界在文件大小趋于无穷大时为渐近紧致。
• 在所有参数区域中，边界均通过鞅方法和指数不等式推导得出，介值定理用于建立临界缓冲阈值的存在性。
• 分析表明，随机线性网络编码可简化分块恢复，并实现对 QoE 权衡更紧密的解析表征。
• 结果在不同情形下均具鲁棒性：当到达速率小于、等于或略大于播放速率时均成立。