[论文解读] Capacity and Scheduling of Access Points for Multiple Live Video Streams

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

Advanced Wireless Network Optimization参考文献 7被引用 8

一句话总结

本文提出了一种最早正向债务截止时间优先（Earliest Positive-Debt Deadline First, EPDF）调度策略，旨在最大化不可靠无线链路上多个实时视频流的吞吐量并最小化单个数据包的延迟。通过在服务器端引入缓冲机制，并基于剩余延迟和吞吐量债务动态优先处理数据包，EPDF 实现了理论上的容量区域，在三个视频 trace 的基于 trace 的仿真中，性能显著优于现有策略。

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.

研究动机与目标

• 解决在具有可变速率流量和异构信道条件的不可靠无线链路上同时传输多个实时视频流的挑战。
• 在服务器端受控缓冲的前提下，精确刻画联合单个数据包延迟与吞吐量约束下的容量区域。
• 设计一种在线调度策略，确保在不依赖未来流量模式知识的前提下，性能位于容量区域内。
• 在真实视频流量和信道动态条件下，评估长期公平性与短期性能之间的权衡。

提出的方法

• 提出 EPDF 调度策略，根据数据包的截止时间及其‘债务’度量（相对于所需速率的累计吞吐量赤字）进行优先级排序。
• 建立系统模型，其中服务器引入受控的缓冲延迟以吸收网络和流量的波动，提升对突发性和信道衰落的鲁棒性。
• 将容量区域定义为每个流可实现的（延迟，吞吐量）对的集合，其推导基于单个数据包延迟上限和单流吞吐量需求的联合约束。
• 使用李雅普诺夫漂移分析证明 EPDF 是容量可实现的，即支持容量区域内所有严格可行的（延迟，吞吐量）向量。
• 在 ns-2 仿真中，使用三部电影（《哈利·波特》、《寻找梦中人》、《运输者2》）的真实视频 trace 实现并测试 EPDF。
• 提出一种改进的 EPDF 变体以提升短期公平性，并分析其对长期性能保证的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在服务器端缓冲的前提下，给定单个数据包延迟和吞吐量约束，多个实时视频流的精确容量区域是什么？
• RQ2 如何设计一种调度策略，使其在不依赖未来流量或信道状态知识的前提下，实现完整的容量区域？
• RQ3 增加延迟约束对实时视频流可实现吞吐量区域有何影响？
• RQ4 帧大小（M）如何影响 EPDF 策略的短期与长期性能？
• RQ5 在不显著损害长期公平性或吞吐量保证的前提下，短期性能最多可提升多少？

主要发现

• 在所有三个视频 trace 中，EPDF 策略在吞吐量方面显著优于 LDF、EDF 和先前工作中的启发式方法，相同延迟约束下吞吐量差异最高达 0.13。
• 将延迟约束从 0.1 秒增加到 1 秒，可使最大可实现吞吐量提升最多 0.2；进一步增加到 10 秒时，在某些情况下可额外提升 0.21。
• 尽管存在理论上的担忧，但通过修改 EPDF 以增强短期性能，对长期性能的影响可忽略不计，尤其是在非对抗性流量下。
• 在长期性能上，帧大小 M=1 和 M=1000 的吞吐量区域几乎无法区分，所有 trace 中差异均小于 0.03。
• 较小的帧大小（M=1）显著提升了短期传输的稳定性，每秒数据包数量的波动更小，相比 M=1000。
• EPDF 策略被证明是容量可实现的，在给定模型下可支持容量区域内所有严格可行的（延迟，吞吐量）向量。