Esquema de renegociación periódica de ancho de banda para

Esquema de renegociación periódica de ancho de banda para

Esquema de renegociación periódica de ancho de banda
para servicios de vídeo VBR
E. Casilari, A. Reyes, A. Díaz-Estrella y F. Sandoval
Dpto. Tecnología Electrónica, E.T.S.I. Telecomunicación, Universidad de Málaga,
Campus de Teatinos, 29071 Málaga., Tfno.: 34-952132755; FAX 34-952131447, [email protected]
Abstract
In this work we show how the existence of long term variability in Variable Bit Rate (VBR) Video Traffic imposes
the need of bandwidth renegotiation. In particular, two simple controls with a fixed renegotiation interval are
proposed. Using a real MPEG trace the schemes are evaluated to prove their benefits in terms of bandwidth efficiency
and quality of service. Indirectly, these controls demonstrate the need of modelling long term variability in VBR
traffic.
1. Introducción
Frente al esquema de compresión de tasa constante o
CBR (Constant Bit Rate) la codificación de vídeo
VBR (Variable Bit Rate) permitirá una mayor
relación calidad/ancho de banda así como la
posibilidad de obtener ganancia estadística en redes
digitales asíncronas como ATM. Sin embargo, la
fuerte variabilidad (en múltiples escalas de tiempo)
del tráfico que resulta de comprimir una señal de
vídeo bajo una compresión VBR exige una serie de
controles y mecanismos de gestión que no eran
necesarios con el esquema CBR y que son
especialmente críticos si reparamos en los estrictos
parámetros de calidad de servicio (pérdidas y
retrasos) que suelen demandar los servicios de vídeo.
La propuesta más simple (y la más ineficaz) para
gestionar una transmisión de vídeo VBR consiste en
reservar en el enlace un ancho de banda igual a la
velocidad de pico esperada de la muestra. Aunque
esta propuesta garantiza la ausencia de pérdidas y
retardos, lógicamente anula por completo la filosofía
de multiplexación estadística para la que la propia
codificación VBR fue pensada. Así, el problema
radica en llegar a un compromiso entre la calidad
que se debe asegurar al servicio y la repercusión que
tiene sobre la red transmitir un flujo cuya
variabilidad ha hecho hablar incluso de fractalidad o
autosemejanza. Entre los controles habitualmente
propuestos figuran los llamados controles de
renegociación [1][2], los cuales plantean la
necesidad de renegociar el recurso exigido a la red
(el ancho de banda) periódicamente, en función de la
propia variabilidad de la señal. Su principal
desventaja subyace en el hecho de que cada
negociación introduce una sobrecarga en la red,
aparte de que es un factor exógeno al propio servicio
de vídeo (el estado de la red) el que decide la
viabilidad de una solicitud de más recursos.
En este trabajo proponemos un mecanismo de
renegociación periódica muy simple, válido para el
acceso y transmisión de secuencias grabadas como
ocurre en servicios tales como el vídeo bajo
demanda y otras bases de datos multimedia. Las
pruebas realizadas demuestran la eficacia de los
esquemas de renegociación así como la necesidad de
incluir la variabilidad a largo plazo en los modelos
de tráfico de vídeo.
2. Mecanismo de renegociación
Los mecanismos que a continuación se proponen se
basan en la renegociación del ancho de banda
exigido por un flujo de vídeo, tomando como
periodo un intervalo de duración fija T. Las
necesidades del servicio son previsibles ya que, al
tratarse de series grabadas, se conoce de antemano la
evolución en el tiempo de la señal x[n] a transmitir.
Esta esquema, aunque puede no optimizar el número
de renegociaciones, evita la complejidad algorítmica
de otras propuestas, siendo mucho más sencilla de
implementar.
2.1. Pruebas para ocupación media fija
De acuerdo con este primer esquema se fija un factor
de utilización media (ρ) del enlace, común para
todos los intervalos, de manera que el ancho de
banda asignado C[k] para el k-ésimo intervalo de
duración T quedaría definido como sigue:
C [k ] = ρ
x[i ]
i = ( k −1)⋅T +1 T
k ⋅T
∑
La figura 1 muestra la efectividad del esquema
cuando es aplicado a una señal real, en concreto la
serie correspondiente a la codificación en MPEG-1
de la película "Blade Runner". La figura prueba la
disminución del retardo medio sufrido por la señal
conforme se reduce el intervalo de renegociación. Se
puede observar que renegociando el ancho de banda
a intervalos de 1 minuto se consigue, para la misma
utilización del recurso, decrementar el retraso de la
señal en un orden de magnitud.
2.2. Pruebas para retardo máximo tolerado
En el segundo esquema, el ancho de banda asignado
para cada intervalo es elegido de modo que se
asegure una calidad mínima a la señal en términos de
retraso. Este método exige computar dicho retraso en
una cola simulada Q[n], utilizando la recursión de
Lindley:
indica la cantidad de información almacenada en
cola durante el intervalo i. Mediante un sencillo
algoritmo de búsqueda se puede encontrar, para cada
intervalo, el C[k] mínimo que garantiza que la cola
no excede de un tamaño B para el cual el retraso
sería inadmisible: max{Q[i ]} ≤ B .
i
Retardo medio sufrido en función del intervalo de renegociación
2
10
Sin renegociar
T=10 min
T=5 min
T=1 min
1
10
T=30 seg
T=6 seg
T=3 seg
modelo incorrelado que sólo caracteriza estadísticos
de primer orden. No obstante, cuando se emplea un
modelo que incluye las dependencias a largo plazo
(LRD), como un filtro FARIMA, sí que se puede
apreciar esta clara necesidad.
Ocupación máxima conseguida bajo restricción de cierto retardo
100 medio
Ocupación (%)
Q[i ] = max{0, Q[i − 1] + x[i ] − C [k ]}
para k / ( k − 1) ⋅ T + 1 < i < (k ⋅ T ) y donde Q[i]
0
40
1
10
2
3
4
10
10
Tiempo de renegociación (seg.)
10
100
Ocupación (%)
Retardo medio (seg.)
60
20
0
10
10
Modelo Proyectado
80
-1
10
-2
10
-3
Modelo FARIMA
60
40
20
0
10
10
-4
0.1 seg
0.01 seg
0.001 seg
80
1
10
2
3
10
10
Tiempo de renegociación (seg.)
4
10
10
-5
10
45
50
55
60
65
70
75
Ocupación media (%)
80
85
90
Figura 1. Tamaño de cola medio conseguido en
función del intervalo de renegociación
Ocupación máxima conseguida bajo restricción de cierto retardo máximo
100
0.1 seg
0.01 seg
0.001 seg
90
80
Ocupación (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
10
1
10
2
3
10
10
Tiempo de renegociación (seg.)
4
10
Figura 2. Ocupación máxima conseguida bajo
restricción de retardo máximo
Las pruebas con la señal "Blade Runner", para tres
umbrales realistas de retardo, permiten comprobar de
nuevo la necesidad de renegociar el ancho de banda,
ya que al aminorar el intervalo de renegociación
aumenta ostensiblemente la utilización media del
canal, optimizando en consecuencia el consumo de
ancho de banda (figura 2).
2.3. Necesidad del modelado LRD
Las pruebas anteriores muestran, por tanto, la
eficiencia de la reasignación de recursos para
abordar la variabilidad a largo plazo de las
secuencias de vídeo VBR. Sin embargo, obviando
este problema, se ha esgrimido que esta variabilidad
carecía de consecuencias prácticas para la
transmisión de tráfico de vídeo [3]. La figura 3 (para
pruebas con el segundo esquema) demuestra cómo
esta necesidad de renegociación no existiría si se
considerase como modelo de la señal real anterior un
Figura 3. Efectos de la renegociación sobre el
flujo de dos modelos de tráfico de vídeo.
3. Conclusiones
En este trabajo hemos probado la necesidad de
renegociar periódicamente el ancho de banda que
solicitan a las redes digitales los servicios de vídeo
VBR. En concreto, se han propuesto dos sencillos
esquemas de renegociación a intervalos fijos que
optimizan considerablemente el uso de recursos y
que indirectamente muestran la relevancia de
modelar la variabilidad a largo plazo de las señales
de vídeo VBR.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido financiado en parte por
la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología
(CICYT), Proyecto Nº TIC96-0743. Igualmente,
queremos agradecer a Jorge Mata y Luis J. de la
Cruz (Dpto. Telemática Aplicada, UPC) la cesión de
la muestra de vídeo empleada.
Referencias
[1.]
Reininger, D., et al., y Raychaudhuri, D.,
"Bandwidth Renegotiation for VBR Video
Over ATM Networks", IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, Vol.
14, Nº 6, Agosto, 1996, pp. 1076-1086.
[2.]
De la Cruz, Luis J., "Contribución a la
Regulación del Tráfico en Redes ATM.
Aplicación al Tráfico de Vídeo", Tesis
Doctoral, Departamento de Matemática
Aplicada y Telemática, Universidad
Politécnica de Cataluña, Febrero, 1999.
[3.]
Heyman, D.P., y Lakshman, T.V., “What
are the implications of Long-RangeDependence for VBR-Video Traffic
Engineering?”. IEEE/ACM Transactions on
Networking, Vol. 4, Nº 3, Junio, 1996, pp.
301-317.