SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 ·...

48
TOM CLOONAN, CTO, NETWORK SOLUTIONS JIM ALLEN, LEAD SOFTWARE ENGINEER, BROADBAND GROUP MIKE EMMENDORFER, SENIOR DIRECTOR OF SOLUTION ARCHITECTURE AND STRATEGY, OFFICE OF THE CTO SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PERSERVICE GROUP HSD BANDWIDTH CAPACITY REQUIREMENTS

Transcript of SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 ·...

Page 1: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

     

TOM  CLOONAN,  CTO,  NETWORK  SOLUTIONS  

JIM  ALLEN,  LEAD  SOFTWARE  ENGINEER,  BROADBAND  GROUP  

MIKE  EMMENDORFER,  SENIOR  DIRECTOR  OF  SOLUTION  ARCHITECTURE  AND  STRATEGY,  OFFICE  OF  THE  CTO  

 

SIMULATING  THE  IMPACT  OF  QOE  ON    PER-­‐SERVICE  GROUP  HSD  BANDWIDTH  CAPACITY  REQUIREMENTS  

Page 2: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

2  

TABLE  OF  CONTENTS  INTRODUCTION  TO  TRAFFIC  ENGINEERING  ...................................................  3  QUALITY  OF  EXPERIENCE  BASICS  ....................................................................  7  THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  .................................................  9  VALIDATING  THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  ...........................  14  TWO  OBSERVED  WEAKNESSES  OF  THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  .....................................................................................................  39  SELECTING  APPROPRIATE  TMAX  &  BHPG  VALUES  GIVEN  AN  ADVERTISED  BILLBOARD  BANDWIDTH  ..............................................................................  41  TYPICAL  DESIGN  SCENARIO  ..........................................................................  44  CONCLUSIONS  ..............................................................................................  46  RELATED  READINGS  ......................................................................................  46  REFERENCES  .................................................................................................  46  ABBREVIATIONS  &  ACRONYMS  ....................................................................  48  

 

       

Page 3: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

3  

INTRODUCTION  TO  TRAFFIC  ENGINEERING  “How  much  bandwidth  capacity  is  needed  to  keep  the  subscribers  in  our  service  groups  happy?”      That  question  has  been  asked  by  Multiple  System  Operators  (MSOs)  throughout  the  years  of  High-­‐Speed  Data  (HSD)  deployments,  and  traffic  engineers  have  developed  many  tools  to  help  answer  the  question.  Different  MSOs  have  employed  different  traffic  engineering  algorithms  and  used  different  traffic  engineering  models  throughout  the  years.  This  paper  will  propose  and  study  a  new  traffic  engineering  algorithm  that  may  be  useful  as  MSOs  move  forward  into  the  future.    A  service  group  is  an  important  concept  within  traffic  engineering.  In  this  paper,  it  will  be  loosely  defined  as  a  group  of  subscribers  who  share  common  bandwidth  resources.  In  the  Cable  Industry,  a  service  group  is  oftentimes  comprised  of  the  subscribers  connected  to  a  single  fiber  node  or  the  subscribers  connected  to  a  group  of  fiber  nodes.  As  traffic  engineers  of  the  past  created  their  important  estimates  of  required  bandwidth  capacity  for  a  High-­‐Speed  Data  (HSD)  service  group,  they  usually  paid  attention  to  four  important  parameters:    

• the  Maximum  Sustained  Traffic  Rate  (Tmax)  levels  offered  to  the  subscribers  • the  Advertised  Billboard  Bandwidth  levels  • the  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  • the  Average  Per-­‐Subscriber  Traffic  (Tavg)  level  consumed  by  subscribers    

 The  “Maximum  Sustained  Traffic  Rate”  (Tmax)  level  is  the  maximum  bandwidth  permitted  for  a  particular  subscriber  service  flow  within  a  DOCSIS  system.  Tmax  is  a  maximum  bandwidth  level  that  is  managed  by  the  traffic  scheduling  algorithms  within  the  Cable  Modem  Termination  Systems  (CMTSs).      This  Tmax  value  is  closely  associated  with  the  MSO’s  “Advertised  Billboard  Bandwidth”  (ABB)  value,  which  is  the  bandwidth  level  that  is  advertised  by  MSO  marketing  teams  as  the  maximum  bandwidth  that  a  subscriber  may  be  likely  to  observe  when  they  subscribe  to  a  particular  Service  Level  Agreement  (SLA)  level.      The  “Busy-­‐Hour  Performance  Goal”  (BHPG)  value  is  the  bandwidth  level  that  the  MSO  traffic  engineer  attempts  to  guarantee  to  any  subscriber  performing  a  Performance  monitoring  test  during  the  busy-­‐hour  period.  This  BHPG  value  is  a  Quality  of  Experience  goal  or  Quality  of  Experience  (QoE)  threshold  that  the  MSO  attempts  to  reach.  Whether  they  reach  that  goal  or  not  is  determined  by  many  factors,  including  the  amount  of  bandwidth  capacity  provided  to  a  particular  service  group,  the  number  of  subscribers  

Page 4: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

4  

sharing  the  bandwidth  capacity  in  the  service  group,  the  activity  levels  of  those  subscribers.    There  is  oftentimes  a  close  association  between  a  subscriber’s  Tmax  value  and  the  subscriber’s  Advertised  Billboard  Bandwidth  (ABB)  value.  The  ratio  of  the  Tmax  value  to  the  Advertised  Billboard  Bandwidth  value  is  an  important  quantity  that  must  be  determined  by  every  MSO  when  they  begin  deploying  DOCSIS  HSD  services.  Within  this  paper,  we  will  call  this  ratio  the  “Cushion  Ratio”  (Rc),  where:    Rc  =  Tmax/(Advertised  Billboard  Bandwidth)           (1)    Throughout  much  of  this  paper,  we  will  assume  that  the  Tmax  value  is  usually  set  by  the  MSO  to  be  ~20%  higher  than  the  Advertised  Billboard  Bandwidth  value.  This  leads  to  a  Cushion  Ratio  of  Rc  =  1.2.  However,  MSOs  are  known  to  use  other  Cushion  Ratios  of  Rc  =  1.1  or  Rc  =  1.0.  Cushion  Ratios  of  1.0  are  not  typically  recommended.  The  use  of  Cushion  Ratios  which  are  greater  than  1.0  are  highly  recommended  by  the  authors,  because  it  will  be  shown  this  will  often  decrease  system  costs.    There  is  oftentimes  a  close  association  between  a  subscriber’s  Advertised  Billboard  Bandwidth  (ABB)  value  and  the  MSO’s  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  (BHPG)  value.  The  ratio  of  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  to  Advertised  Billboard  Bandwidth  is  an  interesting  value  that  we  will  call  the  “Benevolence  Ratio”  (Rb),  where:    Rb  =  (Busy-­‐Hour  Performance  Goal)/(Advertised  Billboard  Bandwidth)     (1)    MSOs  can  choose  to  set  the  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  value  to  be  equal  to  the  Advertised  Billboard  Bandwidth  value  (Rb  =  1.0).  In  this  case,  they  are  instructing  their  traffic  engineers  to  make  an  attempt  at  ensuring  that  subscribers  will  experience  Performance  monitor  scores  that  match  their  Advertised  Billboard  Bandwidth  levels  at  all  times-­‐  even  during  the  congested  busy-­‐hour  periods  of  time.  However,  it  will  result  in  higher  costs  to  provide  the  extra  bandwidth  capacity  within  the  network  design.      To  save  money,  MSOs  can  also  take  a  different  approach  by  setting  Rb  <  1.0,  whereby  they  provide  a  service  that  offers  Performance  monitor  scores  that  match  the  Advertised  Billboard  Bandwidth  levels  only  during  periods  of  low  congestion,  but  that  do  not  match  Advertised  Billboard  Bandwidth  levels  during  periods  of  high  congestion.      For  simplicity,  within  most  of  the  rest  of  this  paper,  we  will  assume  that  the  MSO  is  setting  Rb  =  1.0.    Since  MSOs  typically  offer  more  than  one  SLA  level  to  their  subscriber  base,  there  is  a  different  Tmax  value  associated  with  each  SLA  level.  The  highest  SLA  level  offers  the  highest  Advertised  Billboard  Bandwidth  value  and  the  highest  Tmax  value.  We  will  refer  

Page 5: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

5  

to  this  highest  of  all  Tmax  values  as  the  Tmax_max  value  within  this  paper.  The  Advertised  Billboard  Bandwidth  corresponding  to  that  highest  Tmax  value  is  typically  the  highest  Advertised  Billboard  Bandwidth  value.  We  will  refer  to  this  as  the  ABB_max  value.  The  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  corresponding  to  that  highest  ABB  value  is  typically  the  highest  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  value-­‐  we  will  refer  to  this  as  the  BHPG_max  value.  To  illustrate  this  concept,  consider  a  hypothetical  MSO  who  offers  three  Service  Level  Agreement  levels  (Bronze,  Silver,  and  Gold).  Assume  that  these  Service  Level  Agreement  levels  are  defined  as  shown  below:    

• Bronze  SLA  o Advertised  Billboard  BW  =  50  Mbps  o Tmax  =  60  Mbps  (Rc  =  1.2)  o Busy-­‐Hour  Performance  Goal  =  50  Mbps  (Rb  =  1.0)  

• Silver  SLA  o Advertised  Billboard  BW  =  100  Mbps  o Tmax  =  120  Mbps  (Rc  =  1.2)  o Busy-­‐Hour  Performance  Goal  =  100  Mbps  (Rb  =  1.0)  

• Gold  SLA  o Advertised  Billboard  BW  =  165  Mbps  o Tmax  =  200  Mbps  (Rc  =  1.2)  o Busy-­‐Hour  Performance  Goal  =165  Mbps  (Rb  =  1.0)  

 For  this  hypothetical  MSO,  the  Tmax_max  value  would  be  given  by  200  Mbps.  Its  associated  maximum  Advertised  Billboard  Bandwidth  (ABB_max)  would  be  given  by  200  Mbps/1.2  =  ~165  Mbps.  Its  associated  maximum  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  (BHPG_max)  would  also  be  given  by  ~165  Mbps.  This  165  Mbps  value  would  be  the  target  value  that  the  MSO  should  endeavor  to  provide  to  their  Gold-­‐level  subscribers  whenever  those  subscribers  are  trying  to  perform  large-­‐scale  TCP  file  transfers  or  performance  monitoring  tests  in  the  busy-­‐hour.  Since  the  MSO’s  DOCSIS  network  is  designed  and  sized  to  be  shared  by  many  transient  users,  statistics  are  used  by  traffic  engineers  to  determine  exactly  the  right  amount  of  bandwidth  capacity  required  within  a  service  group  to  support  the  traffic  of  the  many  subscribers.  These  statistical  analyses  make  assumptions  about  the  likely  levels  of  concurrency  (simultaneous  activity)  between  the  many  subscribers.  However,  there  is  always  the  possibility  that  the  actual  concurrency  levels  might  be  greater  than  the  assumed  concurrency  levels,  and  when  that  happens,  congestion  is  likely  to  result  and  it  may  lead  to  performance  levels  that  are  lower  than  this  Advertised  Billboard  Bandwidth.      The  Average  Per-­‐Subscriber  Traffic  Rate  (Tavg)  level  is  not  a  CMTS  configuration  setting  (like  Tmax)  or  a  marketing  value  (like  ABB)  or  a  QoE  goal  (like  BHPG).  Instead,  it  is  the  actual  bandwidth  consumed  by  subscribers.  Within  this  paper,  we  will  define  it  to  be  the  

Page 6: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

6  

average  amount  of  bandwidth  consumed  by  a  single  subscriber  during  busy-­‐hour  operation.  It  can  be  measured  by  an  MSO  using  the  following  technique:    

1) Identify  a  typical  service  group.  Ideally,  this  measurement  should  be  done  on  an  uncongested  service  group  to  keep  from  biasing  the  results  with  measurements  from  congested  modems.  

2) Count  the  total  number  of  subscribers  (Nsub)  within  the  service  group.  The  Nsub  value  includes  the  subscribers  that  are  active  as  well  as  subscribers  that  are  idle    

3) Measure  the  number  of  bytes  (B)  passed  into  the  service  group  within  a  given  window  of  time  (W),  where  W  is  measured  in  seconds.  Do  this  during  the  busy-­‐hour  period  of  time,  which  is  typically  from  8pm  to  9pm  at  night  

4) Calculate  the  average  amount  of  bandwidth  consumed  by  a  subscriber  using  the  formula:  

Tavg  =  8*B/(W*Nsub)     (2)    The  fundamental  goal  of  traffic  engineering  is  to  determine  the  “minimum”  amount  of  bandwidth  capacity  (C)  required  to  maintain  “adequately  high”  QoE  levels  for  all  subscribers  who  are  sharing  the  bandwidth  capacity  within  a  particular  service  group.  Designing  for  the  “minimum”  amount  of  bandwidth  capacity  helps  to  control  costs.  Ensuring  that  all  subscribers  maintain  an  “adequately  high”  QoE  level  helps  to  reduce  subscriber  churn.      This  is  a  challenging  task,  because  it  is  oftentimes  difficult  to  determine  when  the  QoE  levels  are  adequate.  Consider  the  hypothetical  MSO  described  above  with  the  three  HSD  ABB  levels  given  by  Bronze  =  50  Mbps,  Silver  =  100  Mbps,  and  Gold  =  165  Mbps.  As  a  result,  the  Tmax_max  value  is  200  Mbps.  Assume  that  a  particular  HSD  service  group  consists  of  500  homes  passed  and  that  a  50%  take-­‐rate  in  the  HSD  service  results  in  Nsub  =  250  subscribers  sharing  the  bandwidth  capacity  (C)  within  that  service  group.  Out  of  those  250  subscribers,  assume  that  175  use  Bronze  SLAs,  50  use  Silver  SLAs,  and  25  use  Gold  SLAs.  Assume  that  the  average  bandwidth  per  subscriber  is  measured  during  the  busy-­‐hour  to  be  Tavg  =  500  kbps.  The  task  of  the  traffic  engineer  is  to  determine  the  minimum  bandwidth  capacity  (C)  that  will  keep  those  250  subscribers  happy  by  ensuring  that  their  QoE  levels  are  high  enough.      Traffic  engineering  activities  of  the  past  have  oftentimes  used  rules-­‐of-­‐thumb  to  help  define  required  bandwidth  capacities.  A  typical  rule-­‐of-­‐thumb  from  the  past  might  have  offered  bandwidth  capacity  (C)  greater  than  the  (Nsub)*(Tavg)  value.  So  in  the  above  hypothetical  case,  this  would  imply  offering  a  bandwidth  capacity  of  C  =  (250)*(500  kbps)  =  125  Mbps.  Another  rule-­‐of-­‐thumb  might  have  offered  bandwidth  capacity  into  a  service  group  that  is  equal  to  2x  the  Tmax_max  value.  In  the  above  hypothetical  case,  this  would  imply  offering  a  bandwidth  capacity  of  C  =  2x(200  Mbps)  =  400  Mbps.  Yet  

Page 7: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

7  

another  rule-­‐of-­‐thumb  might  have  doubled  the  bandwidth  capacity  whenever  the  (Nsub)*(Tavg)  value  exceeded  70%  of  the  current  bandwidth  capacity.      All  of  the  rule-­‐of-­‐thumb  approaches  above  yield  different  results.  But  which  rule-­‐of-­‐thumb  approach  is  correct?  Which  rule-­‐of-­‐thumb  approach  yields  the  ideal  bandwidth  capacity  level  that  ensures  reasonable  QoE  levels.  That  is  not  clear  from  the  analyses  above.    The  problem  with  the  rule-­‐of-­‐thumb  approaches  of  the  past  is  that  they  did  not  tie  the  bandwidth  capacity  to  predicted  QoE  levels.  As  a  result,  they  did  not  easily  permit  the  MSOs  to  adjust  their  HFC  plant  bandwidth  capacity  to  consciously  increase  or  decrease  their  subscriber  QoE  levels.  In  fact,  none  of  these  rule-­‐of-­‐thumb  formulae  even  had  any  inputs  that  allowed  the  MSO  to  specify  the  desired  QoE  level,  so  these  simple  formulae  may  not  be  adequate  today  or  in  the  future.  As  a  result,  this  paper  will  propose  the  inclusion  of  a  distinct  QoE  parameter  within  the  traffic  engineering  formula  to  better  characterize  QoE  performance  levels.  

QUALITY  OF  EXPERIENCE  BASICS  QoE  is  a  fundamental  measure  of  the  user’s  satisfaction  level.  Unfortunately,  QoE  monitoring  is  becoming  more  difficult  over  time,  because  the  nature  of  the  traffic  propagating  over  networks  has  changed  quite  often  throughout  history.  In  recent  years,  these  changes  have  been  taking  place  on  at  least  four  different  fronts:    

1) There  is  a  much  larger  mix  of  traffic  types  (Web-­‐browsing,  IP  video,  VoIP,  Peer-­‐to-­‐peer  downloads,  gaming,  etc.)  that  are  now  making  up  the  aggregated  bandwidth  within  typical  DOCSIS  networks.    

2) Each  of  the  different  traffic  types  has  its  own  unique  and  different  traffic  requirements  and  sensitivities.  Some  of  the  traffic  types  are  sensitive  to  changes  in  packet  stream  bandwidth  (ex:  Web-­‐browsing,  IP  video,  Peer-­‐to-­‐peer  downloads)  while  others  are  sensitive  to  changes  in  packet  delay  or  jitter  or  packet  loss  (ex:  VoIP,  gaming).  

3) Maximum  Sustained  Traffic  Rates  (Tmax  values)  for  cable  modem  subscribers  now  range  over  much  larger  values  (for  different  SLAs)  than  they  did  in  the  past.  

4) The  arrival  of  Adaptive  Bit-­‐Rate  IP  video  traffic  on  the  DOCSIS  network  introduces  a  new  traffic  type  that  can  quickly  expand  to  fill  unused  bandwidth  capacity  and  that  can  also  be  compressed  during  periods  of  congestion.  This  new  breed  of  traffic  makes  it  more  difficult  to  determine  QoE  levels.  [Cl2013]  

 Thus,  Monitoring  of  the  QoE  level  for  each  of  the  different  traffic  types  and  different  SLAs  requires  that  special  attention  be  paid  to  the  appropriate  metrics.  In  this  paper,  we  will  focus  on  the  QoE  levels  of  three  particular  traffic  types  that  we  have  deemed  to  be  

Page 8: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

8  

extremely  important  in  ensuring  that  subscribers  will  be  satisfied  with  their  HSD  service  in  the  future.  Those  three  traffic  types  are:    

A. IP  video  (comprises  ~60%  of  network  bandwidth  today)          B. Web-­‐browsing  (comprises  ~15%  of  network  bandwidth  today)    [Sa2014]  C. Performance  monitoring  scores  (which  many  subscribers  use  to  ascertain  their  

overall  service  level-­‐  offered  by  services  such  as  SamKnows  and  DSLReports  and  MSOs  themselves)  

 For  IP  video  activities,  we  assume  that  the  large  jitter  buffers  designed  into  most  of  today’s  Adaptive  Bit-­‐Rate  (ABR)  delivery  systems  help  guard  against  most  issues  resulting  from  minimal  packet  delay  or  jitter  or  loss.  Instead,  we  focus  on  the  average  bandwidth  metric  for  determining  the  QoE  of  this  service  type.  Decreased  average  bandwidth  levels  can  cause  the  ABR  algorithms  to  throttle  the  resolution  of  these  video  streams.  We  will  assume  that  many  subscribers  who  will  feed  their  ABR  IP  video  feeds  to  their  large-­‐screen  TVs  may  complain  about  their  QoE  levels  if  this  throttling  occurs  and  precludes  them  from  viewing  their  videos  in  the  highest  resolution  formats  of  their  time.  As  a  result,  we  will  assume  that  IP  video  will  have  the  following  QoE  requirements  that  will  vary  over  time,  and  we  will  study  it  at  three  distinct  times:    

• 2014  IP  Video  QoE  requirements:  1080p  video  using  H.264  compression;  Minimum  bandwidth  =  ~5  Mbps  

• 2018  IP  Video  QoE  requirements:  4K  video  using  HEVC  compression;  Minimum  bandwidth  =  ~20  Mbps  

• 2021  IP  Video  QoE  requirements:  8K  video  using  HEVC  compression;  Minimum  bandwidth  =  ~75  Mbps  

 For  Web-­‐browsing  activities,  we  will  assume  that  the  download  times  are  the  dominant  metrics  that  will  ultimately  determine  good  QoE  levels.  We  assume  that  subscribers  will  prefer  download  times  to  be  less  than  4  seconds  to  yield  acceptable  QoE  levels.  [Pr2012]  These  download  times  can  be  influenced  by  many  factors,  but  they  are  most  likely  dominated  by  the  bandwidth  available  to  each  subscriber  on  the  network.  Average  Web-­‐pages  of  2014  are  approximately  1.6  Mbytes  long,  and  they  have  been  growing  at  a  rate  of  ~25%  per  year.  [Ca2014]  We  will  assume  that  the  Web-­‐pages  will  continue  to  grow  at  that  rate  into  the  future.  We  will  also  assume  that  Web-­‐page  read  times  will  remain  at  ~22  seconds.  As  a  result,  we  will  assume  that  Web-­‐browsing  will  have  the  following  QoE  requirements  over  time:    

• 2014  Web-­‐browsing  QoE  requirements:  13  Mbit  page  must  be  downloaded  in  1.5  seconds  with  22  second  windows  between  successive  Web  page  reads  

• 2018  Web-­‐browsing  QoE  requirements:  32  Mbit  page  downloaded  in  1.5  seconds  with  22  second  windows  between  successive  Web  page  reads  

Page 9: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

9  

• 2021  Web-­‐browsing  QoE  requirements:  62  Mbit  page  downloaded  in  1.5  seconds  with  22  second  windows  between  successive  Web  page  reads  

 For  Performance  monitoring  activities  (such  as  those  provided  by  SamKnows  and  DSLReports),  many  different  parameters  are  oftentimes  tested.  However,  the  one  parameter  that  likely  dominates  the  subscriber’s  perception  of  their  service  level  is  the  result  from  the  downstream  bandwidth  test.  We  will  assume  that  this  test  performs  large-­‐file  transfers  using  HTTP  downloads.  We  will  also  assume  that  the  low-­‐bandwidths  associated  with  the  Slow-­‐Start  state  of  TCP  connections  are  avoided  using  various  techniques  during  the  test.  We  will  also  assume  a  typical  Advertised  Billboard  Bandwidth  of  165  Mbps  exists  today,  and  that  a  50%  CAGR  exists  for  that  bandwidth.  As  a  result,  we  will  assume  that  Performance  monitoring  tests  will  have  the  following  QoE  requirements  over  time:    

• 2014  Performance  monitoring  QoE  requirements:  Advertised  Billboard  BW=165  Mbps;  Tmax_max=200  Mbps;  Avg  HTTP  download  BW  in  Perf.  Monitoring  test  must  be  at  least  165  Mbps  

• 2018  Performance  monitoring  QoE  requirements:  Advertised  Billboard  BW=850  Mbps;  Tmax_max=1.0  Gbps;  Avg  HTTP  download  BW  in  Perf.  Monitoring  test  must  be  at  least  850  Mbps  

• 2021  Performance  monitoring  QoE  requirements:  Advertised  Billboard  BW=2.7  Gbps;  Tmax_max=3.3  Gbps;  Avg  HTTP  download  BW  in  Perf.  Monitoring  test  must  be  at  least  2.7  Gbps  

 The  focus  of  the  next  section  will  be  on  the  development  of  a  new  traffic  engineering  formula  that  will  give  MSOs  the  ability  to  specify  the  QoE  levels  for  their  subscribers  as  they  architect  the  required  bandwidth  capacities  for  their  future  HFC  networks.  

THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  The  work  within  this  paper  was  initially  spawned  by  efforts  from  some  of  the  authors  to  define  a  new  traffic  engineering  formula  that  would  provide  more  accuracy  than  the  formulae  used  in  the  past.  Early  results  of  that  work  were  outlined  in  a  previous  work.  [Em2014]      When  the  authors  of  the  current  paper  continued  with  follow-­‐on  work  to  the  previous  paper,  they  attempted  to  simplify  the  original  formula.  They  also  began  to  develop  a  useful  (and  simpler)  formula  that  would  permit  MSO  traffic  engineers  to  specify  the  required  DOCSIS  HSD  bandwidth  capacity  (C)  for  a  service  group  along  with  the  ability  to  also  specify  a  specific  QoE  level.  The  authors  also  wanted  to  validate  the  accuracy  of  the  new  formula  using  simulation  techniques.      

Page 10: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

10  

From  the  beginning,  it  was  clear  that  the  new  formula  would  need  to  include  several  variables  related  to  the  DOCSIS  network.  These  variables  included:    

1) The  number  of  subscribers  (Nsub)  within  the  service  group.  As  the  number  of  subscribers  is  increased,  it  should  be  apparent  that  the  amount  of  shared  bandwidth  capacity  (C)  should  be  increased  as  well.  

2) The  average  busy-­‐hour  bandwidth  per  subscriber  (Tavg).  As  the  average  bandwidth  per  subscriber  is  increased,  it  should  be  apparent  that  the  amount  of  shared  bandwidth  capacity  (C)  should  be  increased  as  well.  

3) The  Maximum  Sustained  Traffic  Rate  (Tmax)  offered  by  the  MSO.  As  the  Tmax  values  are  increased,  it  should  be  apparent  that  the  amount  of  bandwidth  capacity  (C)  should  be  increased  as  well.  

 One  other  important  variable  was  desired  within  this  formula.  That  variable  was  a  parameter  that  somehow  specified  the  desired  Quality  of  Experience  level  that  subscribers  would  ultimately  experience.  The  authors  decided  to  use  a  single  constant  called  the  K  value  to  specify  the  QoE  level.  The  idea  behind  the  K  value  was  that  setting  of  the  K  value  to  0  would  create  a  low  QoE  level,  and  setting  of  the  K  value  to  a  higher  number  would  create  a  higher  QoE  level.      The  new  formula  developed  for  this  paper  specifies  the  required  bandwidth  capacity  (C)  for  a  service  group,  and  it  is  given  by  THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  (BASED  ON  Tmax_max):    C  >=  (Nsub*Tavg)  +  (K*Tmax_max),                           (3)    where:  C  is  the  required  bandwidth  capacity  for  the  service  group  Nsub  is  the  total  number  of  subscribers  within  the  service  group  Tavg  is  the  average  bandwidth  consumed  by  a  subscriber  during  the  busy-­‐hour  K  is  the  QoE  constant  (larger  values  of  K  yield  higher  QoE  levels)…  where           0  <=  K  <=  infinity  Tmax_max  is  the  highest  Tmax  offered  by  the  MSO.    This  formula  is  a  simple  two-­‐term  equation.  Its  simplicity  is  part  of  its  beauty.  The  first  term  (Nsub*Tavg)  allocates  bandwidth  capacity  to  ensure  that  the  aggregate  average  bandwidth  generated  by  the  Nsub  subscribers  can  be  adequately  carried  by  the  service  group’s  bandwidth  capacity.  The  author’s  view  this  first  term  as  the  “DC  component”  of  traffic  that  tends  to  exist  as  a  continuous  flow  of  traffic  during  the  busy-­‐hour  period.      There  are  obviously  bursty  fluctuations  that  will  occur  (the  “AC  component”  of  traffic)  which  can  force  the  instantaneous  traffic  levels  to  both  fall  below  and  rise  above  the  DC  traffic  level.  Fluctuations  below  the  DC  traffic  level  can  occur  whenever  there  is  a  

Page 11: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

11  

temporary  lull  in  packet  transmissions.  Fluctuations  above  the  DC  traffic  level  can  occur  whenever  there  is  an  increase  in  the  concurrency  level  (the  number  of  simultaneously  transmitting  or  receiving  subscribers).  The  second  term  (K*Tmax_max)  is  added  in  an  attempt  to  increase  the  probability  that  all  subscribers-­‐  including  those  with  the  highest  Tmax  values-­‐  will  experience  good  QoE  levels  for  most  of  the  fluctuations  that  go  above  the  DC  traffic  level.      The  second  term  in  the  formula  (K*Tmax_max)  has  an  adjustable  parameter  defined  by  the  K  value.  This  parameter  allows  the  MSO  to  increase  the  K  value  and  add  bandwidth  capacity  headroom  that  helps  provide  better  QoE  to  their  subscribers  within  a  service  group.  In  addition,  the  entire  second  term  is  scaled  to  be  proportional  to  the  Tmax_max  value,  which  is  the  maximum  Tmax  value  that  is  being  offered  to  subscribers.  The  constant  of  proportionality  is  the  K  value,  which  can  be  set  to  any  value  from  zero  to  infinity.      (Note:  In  the  previous  paper  [Em2014],  the  K  value  was  specified  by  the  product  of  two  values  (hr*s),  where  hr  was  a  headroom  value  and  s  was  a  simultaneous  transmission  period.  However,  in  this  paper,  we  are  proposing  to  replace  those  two  values  by  the  single  K  value,  which  is  ultimately  proportional  to  the  desired  QoE  level.  A  change  in  the  K  value  results  in  a  corresponding  change  within  the  QoE  levels  experienced  by  the  subscribers  who  are  sharing  the  service  group  bandwidth  capacity  (C).  Lower  K  values  yield  lower  QoE  levels,  and  higher  K  values  yield  higher  QoE  levels).    If  the  MSO  chooses  to  set  the  K  value  to  its  minimum  value  of  zero,  then  the  second  term  in  the  above  formula  is  forced  to  be  zero  and  only  the  first  term  is  used  to  specify  the  required  bandwidth  capacity  (C)  of  the  service  group.  In  this  case,  costs  (and  bandwidth  capacities)  are  minimized,  because  the  required  bandwidth  capacity  will  only  be  equal  to  the  expected  average  bandwidth  in  the  busy-­‐hour,  and  the  resulting  QoE  levels  will  be  fairly  low.  As  a  result,  bursts  of  bandwidth  exceeding  the  (Nsub*Tavg)  value  will  be  throttled  by  the  available  bandwidth  capacity,  causing  a  reduction  in  file  download  speeds.  In  addition,  any  subscriber  who  monitors  their  bandwidth  levels  during  the  busy-­‐hour  period  would  undoubtedly  find  that  their  bandwidth  levels  are  far  below  their  Advertised  Billboard  Bandwidth  levels.  As  a  result,  low  QoE  levels  would  result.    On  the  other  hand,  if  the  MSO  chooses  to  set  the  K  value  to  a  very  large  value,  then  the  second  term  in  the  above  formula  would  become  quite  large  and  the  resulting  bandwidth  capacity  (C)  of  the  service  group  would  also  become  quite  large.  This  would  result  in  much  higher  system  costs  to  supply  the  required  bandwidth  capacity,  but  it  would  also  ensure  that  the  bandwidth  capacity  could  easily  support  the  bursts  of  bandwidth  that  periodically  exceed  the  (Nsub*Tavg)  value.  In  addition,  any  subscriber  who  monitors  their  bandwidth  levels  during  the  busy-­‐hour  period  would  undoubtedly  find  that  their  bandwidth  levels  are  very  close  to  their  Advertised  Billboard  Bandwidth  

Page 12: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

12  

levels.  As  a  result,  high  QoE  levels  would  result.  This  tradeoff  between  costs  and  subscriber  QoE  levels  is  a  common  theme  that  challenges  traffic  engineers  on  a  daily  basis.    In  previous  papers  [Cl2013]  [Em2014],  a  similar  formula  assumed  (without  proof)  that  a  K  value  of  ~1.0  would  yield  acceptable  and  adequate  QoE  results.  Using  that  simplifying  assumption,  one  could  predict  the  HSD  bandwidth  capacities  needed  in  the  future  by  extrapolating  the  Nsub,  Tmax_max,  and  Tavg  values  out  into  the  future  using  trends  of  the  past.  As  an  example,  one  might  assume  that  the  Nsub  values  remain  fixed  until  node-­‐splits  occur,  at  which  point  the  Nsub  value  for  each  service  group  is  cut  in  half.  One  might  also  assume  that  the  Tmax_max  value  (which  for  some  MSOs  is  ~200  Mbps  today)  might  grow  at  a  50%  CAGR  (as  predicted  by  the  Nielson  Law).  One  might  also  assume  that  the  Tavg  value  (which  for  some  MSOs  is  ~500  kbps  today)  might  also  grow  at  a  50%  CAGR.  In  the  previous  papers,  formulae  were  developed  to  calculate  the  Tmax_max  and  Tavg  values  as  a  function  of  time.  These  formulae  are  stated  in  a  slightly  modified  form  below.  The  formula  for  Tmax_max  at  a  time  Y  years  from  now  (assuming  a  50%  CAGR)  is  given  by:    Tmax_max  =  (200  Mbps)*(1.5)Y           (4a)    and  the  formula  for  Tavg  at  a  time  Y  years  from  now  (assuming  a  50%  CAGR)  is  given  by:    Tavg  =  (500  kbps)*(1.5)Y.             (4b)    Using  these  formulae  (which  apply  the  above  50%  CAGR  assumptions),  one  can  plot  the  predicted  Tavg  and  Tmax_max  values  as  a  function  of  time  (in  years)  as  shown  in  Figure  1.  Tavg  is  shown  in  black  and  Tmax_max  is  shown  in  blue.  It  is  important  to  note  that  this  figure  is  a  semi-­‐log  plot.  In  addition  to  Tavg  and  Tmax_max  curves,  the  figure  also  displays  the  yellow  and  maroon  and  purple  curves  for  (Nsub*Tavg).  This  is  the  important  first  term  in  formula  (3),  and  it  represents  the  average  aggregate  bandwidth  generated  by  the  accumulated  traffic  for  all  subscribers  within  the  service  group  during  the  busy-­‐hour  period.  Each  of  the  yellow  (or  maroon  or  purple)  curves  in  the  figure  represents  the  average  bandwidth  generated  for  a  service  group  of  a  different  size,  and  each  adjacent  curve  in  the  figure  is  associated  with  a  service  group  that  is  one  node-­‐split  away  from  the  service  group  for  the  curve  directly  above  it.    

Page 13: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

13  

 Figure  1:  DOCSIS  HSD  Downstream  Traffic  Engineering  Predictions  for  the  Future  with  CAGR=50%  

Then  using  formula  (3),  one  can  also  plot  the  minimum  required  bandwidth  capacity  (C)  for  any  service  group  of  size  Nsub  as  a  function  of  time.  This  is  done  in  Figure  2,  where  the  yellow  and  maroon  and  purple  plots  now  show  the  required  bandwidth  capacity.  As  was  illustrated  in  [Cl2014],  an  interesting  phenomena  unveils  itself  within  the  figure.  Node-­‐splits  can  only  impact  one  of  the  variables  within  formula  (3)-­‐  they  can  only  change  the  Nsub  value.  Under  normal  circumstances,  a  node-­‐split  will  cause  the  Nsub  value  to  be  halved.  Thus,  a  node-­‐split  will  obviously  reduce  the  magnitude  of  the  first  term  (Nsub*Tavg)  within  formula  (3).  However,  nodes-­‐splits  have  no  effect  on  the  second  term  (K*Tmax_max)  within  formula  (3).  As  a  result,  after  a  large  number  of  node-­‐splits  have  caused  the  first  term  in  the  formula  to  be  reduced  to  very  small  and  negligible  values,  the  required  bandwidth  capacity  (C)  specified  by  formula  (3)  will  ultimately  be  dominated  by  the  second  term  (K*Tmax_max),  and  further  node-­‐splits  will  cease  to  have  any  significant  effect  on  the  required  bandwidth  capacity  (C).  Eventually,  even  a  small  service  group  with  Nsub  =  1  will  still  require  a  bandwidth  capacity  of  at  least  the  Tmax  value  for  that  single  subscriber,  so  the  Tmax_max  level  becomes  a  floor  function  for  the  required  bandwidth  capacity  (C).  This  implies  that  node-­‐splits  will  eventually  lose  much  of  their  value  as  a  tool  for  reducing  required  bandwidth  capacities  within  service  groups.  Fortunately,  that  day  is  still  3  or  4  node-­‐splits  away  from  today,  which  should  carry  many  MSOs  to  the  2020  or  2025  time-­‐frame  as  illustrated  within  the  figure.    

Downstream BW as a function of time(w/ ~50% Annual Growth Rate)

1.2 GHz of DOCSIS 3.1 Chans.D3.1 DS Limit = 10.8 Gbps (1200 MHz)

Consumption-Oriented Period(Tmax < 1 Ch &Tmax < Avg SGConsumption)

The Era of

CableModems

The Era of

Dial-Up Modems

The Eraof3.0

Modems

The Eraof

3.1Modems

116 DOCSIS 3.0 Chans. D3.0 DS Limit = 4.9 Gbps (750 MHz)

32 DOCSIS 3.0 Chans.64 DOCSIS 3.0 Chans.

1 DOCSIS 3.0 Chan.

4 DOCSIS 3.0 Chans.

16 DOCSIS 3.0 Chans.8 DOCSIS 3.0 Chans.

2 DOCSIS 3.0 Chans.

Tmax-OrientedPeriod

(Tmax >> Avg SGConsumption)

128 Subs/SG (256 HHP Nodes)

32 Subs/SG (64 HHP Nodes)64 Subs/SG (128 HHP Nodes)

16 Subs/SG (32 HHP Nodes)

256 Subs/SG (512 HHP Nodes)512 Subs/SG (2x 512 HHP Nodes)

Avg BW/SG

DS

BW

for M

odem

s (b

ps)

1982 1986 1990 1994 19981

10

100

1k

2002 2006

10k

100k

1M

10M

100M

1G

2010 2014

10G

100G

2018 2022 2026 2030Year

8000 Subs/SG (Many Nodes)

2000 Subs/SG (Many Nodes)

512 Subs/SG1000 Subs/SG

16000 Subs/SG (Many Nodes)

4000 Subs/SG (Many Nodes)

Avg BW/SG~100 kbpsin 2010

~500 bpsin 1997

~332 Mbpsin 2030

Avg BW/sub

Consumption+ Tmax-

Oriented Period(Tmax =~ Avg SG

Consumption)

Avg BW/SG

Nielsen’s LawTmax 300 bps

in 1982

~150 kbpsin 1997Max BW/sub

~100 Gbpsin 2030

~30Mbpsin 2010

Page 14: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

14  

 Figure  2:  DOCSIS  HSD  Required  Downstream  Bandwidth  Capacity  with  50%  CAGR  

It  should  be  clear  that  the  plots  in  Figure  2  could  prove  to  be  invaluable  tools  to  MSOs  as  they  begin  to  explore  plans  to  modify  their  HFC  spectra  to  accommodate  HSD  traffic  growth  going  forward  into  the  future.  However,  before  these  plots  can  be  trusted,  one  must  first  provide  some  level  of  proof  that  the  selected  value  of  K=1  within  formula  (3)  will  indeed  yield  desirable  QoE  levels.  Proving  that  fact  using  simulations  is  the  fundamental  goal  of  the  next  section  in  this  document.  

VALIDATING  THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  Our  hypothesis  is  that  formula  (3)  is  a  valid  formula  for  calculating  the  minimum  bandwidth  capacity  needed  within  a  service  group.  We  also  need  to  determine  appropriate  values  of  K  within  that  formula  to  make  the  formula  useful.      Validating  that  a  formula  (such  as  formula  (3))  is  valid  is  a  challenging  task.  The  state-­‐space  associated  with  the  formula  is  enormous.  An  exhaustive  analysis  of  the  entire  state-­‐space  and  a  full  proof  is  probably  not  possible  given  the  many  variations  of  traffic  types  that  exist  and  the  many  different  QoE  metrics  that  need  to  be  monitored  and  the  many  different  mixes  of  traffic  type  blends  that  can  exist  and  the  many  different  service  group  sizes  that  can  exist  and  the  many  different  conditions  that  can  exist  within  those  service  groups.  In  addition,  all  of  those  conditions  will  obviously  change  over  time  as  

64 DOCSIS 3.0 Chans.

The Era of

CableModems

The Era of

Dial-Up Modems

The Eraof3.0

Modems

The Eraof

3.1Modems

2000 Subs/SG (Many Nodes)

8000 Subs/SG (Many Nodes)

512 Subs/SG1000 Subs/SG

16000 Subs/SG (Many Nodes)

4000 Subs/SG (Many Nodes)

Agg BW/SG

116 DOCSIS 3.0 Chans.32 DOCSIS 3.0 Chans.

256 Subs/SG (512 HHP Nodes)512 Subs/SG (2x 512 HHP Nodes)

1.2 GHz of DOCSIS 3.1 Chans.

128… 64… 32

Downstream BW as a function of time(w/ ~50% Annual Growth Rate)

DS

BW

for M

odem

s (b

ps)

1982 1986 1990 1994 19981

10

100

1k

2002 2006

10k

100k

1M

10M

100M

1G

2010 2014

10G

100G

2018 2022

D3.0 DS Limit = 4.9 Gbps (750 MHz)

2026 2030

D3.1 DS Limit = 10.8 Gbps (1200 MHz)

1 DOCSIS 3.0 Chan.

4 DOCSIS 3.0 Chans.

16 DOCSIS 3.0 Chans.

~100 kbpsin 2010

Nielsen’s LawTmax

Agg BW/SG

300 bpsin 1982

~500 bpsin 1997

~332 Mbpsin 2030

8 DOCSIS 3.0 Chans.

~150 kbpsin 1997

Avg BW/sub

Consumption-Oriented Period(Tmax < 1 Ch &Tmax < Avg SGConsumption)

Tmax-OrientedPeriod

(Tmax >> Avg SGConsumption)

Agg BW/SG

Max BW/sub

2 DOCSIS 3.0 Chans.

Proposed Human Factors Formulafor Quality of Experience (QoE):

Required Service Group Capacity =K* Max BW/sub + Num_subs * Avg BW/sub

(K=1 may yield acceptable QoE)

16 Subs/SG (32 HHP Nodes)

Year

~100Gbpsin 2030

Consumption+ Tmax-

Oriented Period (Tmax =~ Avg SG

Consumption)

Nod

e-sp

lit to

256

sub

s/SG

Nod

e-sp

lit to

128

sub

s/SG

Nod

e-sp

lit to

64

subs

/SG

~30Mbpsin 2010

Nod

e-sp

lit to

256

sub

s/SG

Nod

e-sp

lit to

128

sub

s/SG

Nod

e-sp

lit to

64

subs

/SG

Page 15: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

15  

new  applications  and  new  traffic  types  evolve,  so  proving  that  formula  (3)  is  valid  today  and  that  it  will  also  be  valid  in  the  future  is  an  even  bigger  challenge.      As  a  result,  we  have  instead  decided  to  use  simulations  to  assist  us  in  at  least  providing  some  degree  of  confidence  that  formula  (3)  is  a  reasonably  valid  formula  to  use  for  most  of  the  typical  MSO  service  group  scenarios.  We  will  also  attempt  to  offer  some  guidelines  that  MSOs  can  use  in  selecting  appropriate  K  values  to  ensure  particular  QoE  levels  to  their  subscribers.      In  order  to  accomplish  this  goal,  a  Java-­‐based  simulation  environment  was  created  that  included  several  important  sub-­‐systems.  The  simulation  environment  permitted  us  to  interconnect  server  objects,  Cable  Modem  Termination  System  (CMTS)  objects,  and  Cable  Modem  (CM)  objects  in  various  ways  to  create  different  types  and  sizes  of  service  groups  as  shown  in  Figure  3.  These  various  arrangements  of  objects  are  known  as  Network  Models.  In  all  Network  Models  used  within  this  paper,  the  Upstream  bandwidth  was  selected  to  be  large  enough  to  not  impact  the  performance  of  the  Cable  Modem  clients.      

 Figure  3:  Example  Network  Model  Within  The  Simulation  Environment  

Most  of  the  clients  within  our  simulation  environment  were  assumed  to  be  involved  in  one  of  the  following  three  Internet  activities:  IP  Video  streaming,  Web-­‐browsing,  or  Performance  monitor  testing.  These  were  the  three  activities  identified  in  the  QoE  section  of  this  paper  as  having  profound  effects  on  a  subscriber’s  perception  of  his  QoE  level.      

cm_test

FTP  Server FTP  Server Test  Server

down  (9  Gbps)

up    (2  Gbps)

FTP  Traffic:    Tmax  =  25 MbpsN Concurrent  DS  TCP  Sessions6.5 MB  Blocks      =>    385  Kbps  Avg.  RateUniform  10  -­‐ 30  sec  Spacing  

Speed  Test  Traffic:      Tmax  =  25 Mbps1    DS  TCP  Sessions320  MB  Block  60  sec  Intervals  

CMTS

cm_user<N>

docsis (BWMbps)

atdma

RTT  =  10  msec

Page 16: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

16  

Since  all  three  of  these  activities  usually  involve  the  use  of  TCP-­‐based  HTTP  downloads,  the  models  for  the  three  user  types  were  quite  similar.  However,  we  were  able  to  customize  parameters  within  each  of  the  models  to  better  simulate  each  of  the  particular  activities.  Thus,  IP  Video  streaming  models  performed  many  successive  HTTP  GETs  of  small-­‐sized  files  (which  represent  the  IP  Video  segment  files)  with  only  ~2  second  gaps  between  successive  HTTP  GETs.  Web-­‐browsing  models  performed  HTTP  GETs  of  medium-­‐sized  files  (which  represented  the  HTML  files  associated  with  Web  pages),  but  there  was  a  randomized  and  somewhat  lengthy  window  of  time  (~20  seconds)  placed  between  successive  HTTP  GETs  to  simulate  the  subscriber’s  viewing  of  the  Web  page.  Performance  monitor  testing  models  performed  HTTP  GETs  of  large-­‐sized  files  and  ensured  that  Congestion  Windows  were  initialized  to  high  levels  to  simulate  the  types  of  tests  performed  by  Performance  monitor  tools.  Different  mixes  of  these  models  were  permitted  to  create  many  types  of  traffic  on  the  service  group.  This  traffic  is  known  as  a  Traffic  Model.  Analytical  data  was  collected  within  the  simulation  environment  to  permit  us  to  quickly  identify  the  QoE  levels  for  each  of  the  different  Network  Models  and  Traffic  Models  as  we  changed  the  blend  of  users  and  traffic  types.    To  analyze  the  state-­‐space  across  a  large  number  of  years,  we  opted  to  perform  simulation  runs  for  three  different  epochs  in  time:  2014,  2018,  and  2021.  We  therefore  had  to  create  predictions  on  what  a  “typical”  service  group  and  traffic  blend  might  look  like  at  each  of  those  different  points  in  time.  (Note:  We  held  the  Nsub  value  fixed  in  these  predictions.  The  Nsub  values  will  undoubtedly  be  scaled  down  as  a  result  of  bandwidth  growth  and  associated  node-­‐splits,  but  we  will  explore  that  later  in  this  paper).  The  details  surrounding  the  predictions  for  each  of  these  epochs  in  time  are  given  in  Table  1.    In  upcoming  sections  of  the  paper,  we  will  create  traffic  blends  that  exactly  mimic  the  blends  shown  in  the  table.  However,  in  this  section,  we  will  create  more  generalized  service  group  models  that  approximate  the  behavior  of  the  blends  shown  in  the  table  using  a  single  idealized  customer  pool,  where  each  of  the  Cable  Modem  objects  within  the  customer  pool  pulls  down  an  HTTP  file  of  random  size  with  a  randomized  delay  between  successive  HTTP  GETs  (similar  to  Web-­‐browsing).  Early  experiments  showed  that  this  particular  model  stressed  the  system  more  than  other  models,  so  the  results  are  (in  essence)  a  worst-­‐case  scenario.  We  have  a  belief  that  using  this  model  as  background  traffic,  the  results  of  the  single  Performance  monitor  test  within  the  simulator  will  go  a  long  way  to  characterize  the  performance  of  the  various  traffic  types,  so  we  will  lean  heavily  on  these  observations  of  the  QoE  levels  for  the  Performance  monitoring  tests  within  these  initial  simulation  runs.  Thus,  exactly  one  Cable  Modem  object  must  be  set  up  to  perform  Performance  monitor  testing  within  the  middle  of  all  of  the  other  HTTP  downloads  that  are  occurring  as  a  result  of  the  activities  of  the  other  Cable  Modem  objects  within  the  simulation  run.  

Page 17: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

17  

 Table  1:  Predictions  on  Future  Service  Group  Parameters  

Armed  with  the  simulation  tool  and  the  predictions  of  Table  1,  we  proceeded  to  explore  the  validity  of  formula  (3)  in  many  different  service  group  environments.  Our  basic  methodology  for  our  simulations  followed  the  analytical  approach  outlined  below:    

1. For  the  particular  year  of  interest  (2014,  2018,  or  2021),  create  a  simulation  environment  with  a  Parameter  Set  based  on  the  predictions  listed  in  Table  1  

2. Construct  a  Network  Model  and  a  Traffic  Model  for  this  Parameter  Set…  include  exactly  one  Cable  Modem  object  in  the  model  that  will  be  implementing  Performance  monitor  tests  in  the  midst  of  all  of  the  other  Cable  Modem  object  activities  

3. Change  the  bandwidth  capacity  within  the  service  group  using  formula  (3)  and  iterating  on  the  K  value  from  0.3  to  2.0  (which  seem  like  reasonable  values  for  K)  

a) Assign  the  bandwidth  capacity  predicted  by  the  formula  (3)  hypothesis  for  this  particular  value  of  K  

b) Simulate  20  minutes  of  Real-­‐time  Traffic  loads  (including  the  Performance  monitor  tests)  

c) Plot  the  Performance  monitor  test  measurements  versus  the  value  of  K  4. Record  the  “minimum  K  value”  for  which  the  Performance  monitor  test  exceeds  

the  desired  QoE  Threshold  (defined  by  the  Busy-­‐Hour  Performance  Goal)    Repeat  Steps  1  –  4  for  Various  Combinations  of  Parameter  Sets,  trying  to  change  one  parameter  at  a  time  to  measure  the  sensitivity  of  the  “minimum  K  value”  (determined  in  Step  4)  to  these  parameter  changes.  In  a  certain  sense,  we  are  therefore  trying  to  determine  the  partial  derivative  of  the  “minimum  K  value”  relative  to  each  of  the  parameters.    The  figures  below  show  a  subset  of  the  outputs  from  simulation  runs  that  were  performed  as  we  explored  the  large  state-­‐space  associated  with  different  service  group  

Year 2014 2018 2021Tavg 500  kbps 2.5  Mbps 8.4  MbpsTmax_max 200  Mbps 1  Gbps 3.3  GbpsAdvertised  Billboard  Bandwidth  (ABB_max) 165  Mbps  (Rc=1.2) 850  Mbps  (Rc=1.2) 2.7  Gbps  (Rc=1.2)Busy-­‐Hour  Performance  Goal  (BHPG_max) 165  Mbps  (Rb=1.0) 850  Mbps  (Rb=1.0) 2.7  Gbps  (Rb=1.0)Nsub 256 256 256(Nsub*Tavg) 128  Mbps 640  Mbps 2.1  Gbps(K*Tmax_max)  if  K  =  1 200  Mbps 1  Gbps 3.3  Gbps(Nsub*Tavg)+(K*Tmax_max)  if  K  =  1 328  Mbps 1.6  Gbps 5.4  Gbps

(9  DOCSIS  DSs) (45  DOCSIS  DSs) (150  DOCSIS  DSs)

#  Active  Subs/Service  Group  (20%  concurrency) 50 50 50IP  Video  Segment  Time 2  sec 2  sec 2  secIP  Video  Segment  File  Size 1.25  Mbytes 5  MBytes 18.8  MbytesIP  Video  Average  BW 5  Mbps 20  Mbps 75  Mbps

Web-­‐browsing  Page  Size 1.6  Mbytes 4.0  Mbytes 7.8  MbytesWeb-­‐browsing  Avg  Inter-­‐Page  Time 22  seconds 22  seconds 22  seconds

Page 18: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

18  

environments.  In  all  of  these  runs,  we  attempted  to  fill  the  service  group  bandwidth  capacity  with  HTTP  traffic  that  created  an  average  bandwidth  level  given  by  (Nsub*Tavg),  however  the  instantaneous  data  rate  was  allowed  to  vary  as  it  would  in  the  real  world  with  different  concurrency  levels  as  a  function  of  time.  In  each  run,  we  assume  that  20%  of  the  subs  are  “active”  (i.e.-­‐  involved  in  some  transactions-­‐  whether  waiting  to  perform  an  HTTP  transfer  or  performing  an  HTTP  transfer).  In  each  run,  the  Rc  value  was  set  to  be  1.2  and  the  Rb  value  was  1.0,  so  the  Advertised  Billboard  Bandwidth  and  the  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  was  always  set  to  be  at  a  level  that  is  at  83%  of  the  Tmax  value.      In  each  figure,  we  were  exploring  a  different  Network  Model.  In  each  figure,  the  service  group  bandwidth  capacity  within  that  Network  Model  was  varied  as  the  K  value  was  varied,  and  the  resulting  performance  metrics  were  extracted  and  plotted  as  a  function  of  the  K  value.      A  summary  of  the  figures  and  results  for  the  2014  simulations  are  given  below:    

 Figure  4a:  2014  Simulation  Results  with  Baseline  Reference    

• In  all  cases,  Bandwidth  Capacity  (as  a  function  of  K)  =  Nsub*Tavg  +  K*Tmax  

             

0  

2  

4  

6  

8  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  Baseline  Reference  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 19: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

19  

   Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)   325  Mbps   Nsub*Tavg  +  1*Tmax  Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

 1.15   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)   355  Mbps   Nsub*Tavg  +  K*Tmax    

 Figure  4b:  2014  Simulation  Results  with  Nsub  Doubled    

• Same  as  2014  Baseline  Reference,  but  with  subscribers  doubled  (Nsub  =  500…  100  active)  

Parameter   Value   Comment  Nsub   500   100  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)   450  Mbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

 1.3   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)   510  Mbps    

0  

2  

4  

6  

8  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  (2*Nsub)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 20: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

20  

 Figure  4c:  2014  Simulation  Results  with  Tavg  Doubled    

• Same  as  2014  Baseline  Reference,  but  with  Tavg  doubled  (Tavg  =  1  Mbps)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg      1  Mbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)   450  Mbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

 1.3   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)   510  Mbps      

0  

2  

4  

6  

8  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  (2*Tavg)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 21: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

21  

 Figure  4d:  2014  Simulation  Results  with  Tmax  Doubled    

• Same  as  2014  Baseline  Reference,  but  with  Tmax  doubled  (Tmax  =  400  Mbps)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   400  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)   525  Mbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

 1.0   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)   525  Mbps      

0  

2  

4  

6  

8  

0  

100  

200  

300  

400  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  (2*Tmax)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 22: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

22  

 Figure  4e:  2014  Simulation  Results  with  File  Size  &  HTTP  Interval  Quadrupled    

• Same  as  2014  Baseline  Reference,  but  with  HTTP  file  size  quadrupled  and  GET  Interval  quadrupled  (file  size  =  25  Mbytes,  Interval  =  80  seconds)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size    25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    80  sec    BW  Cap.  (for  K=1)   325  Mbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

 1.3   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)   422  Mbps      

0  

2  

4  

6  

8  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  (4*Interval)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 23: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

23  

 Figure  4f:  2014  Simulation  Results  with  50%  of  Subs  Having  Lower  Tmax    

• Same  as  2014  Baseline  Reference,  but  with  90%  of  subscribers  having  a  lower  Tmax  of  50  Mbps  

 Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  (45  Bronze,  5  

Gold)  Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)   325  Mbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

 1.0   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)   325  Mbps      A  summary  of  the  figures  and  plots  and  results  for  the  2018  simulations  are  given  below:  

0  

2  

4  

6  

8  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  (Bronze)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 24: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

24  

 Figure  5a:  2018  Simulation  Results  with  Baseline  Reference    

• In  all  cases,  Bandwidth  Capacity  (as  a  function  of  K)  =  Nsub*Tavg  +  K*Tmax_max  

 Parameter   Value   Comment  Nsub    250   50  Active  Tavg      2.5  Mbps    Tmax        1  Gbps    Avg  HTTP  File  Size    31.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      1.6  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.15   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      1.8  Gbps      

0  

2  

4  

6  

8  

0  

250  

500  

750  

1000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  Reference  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 25: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

25  

 Figure  5b:  2018  Simulation  Results  with  Nsub  Doubled    

• Same  as  2018  Baseline  Reference,  but  with  subscribers  doubled  (Nsub  =  500…  100  active)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub    500   100  Active  Tavg      2.5  Mbps    Tmax        1  Gbps    Avg  HTTP  File  Size    31.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      2.2  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.4   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      3.1  Gbps      

0  

4  

8  

12  

16  

0  

250  

500  

750  

1000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  (2*Nsub)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 26: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

26  

 Figure  5c:  2018  Simulation  Results  with  Tavg  Doubled    

• Same  as  2018  Baseline  Reference,  but  with  Tavg  doubled  (Tavg  =  5  Mbps)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub    250   50  Active  Tavg        5  Mbps    Tmax        1  Gbps    Avg  HTTP  File  Size    31.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      2.2  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.6   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      3.5  Gbps      

0  

4  

8  

12  

16  

0  

250  

500  

750  

1000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  (2*Tavg)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 27: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

27  

 Figure  5d:  2018  Simulation  Results  with  Tmax  Doubled    

• Same  as  2018  Baseline  Reference,  but  with  Tmax  doubled  (Tmax  =  2  Gbps)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub    250   50  Active  Tavg      2.5  Mbps    Tmax        2  Gbps    Avg  HTTP  File  Size    31.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      2.6  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   0.9   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      2.3  Gbps      

0  

2  

4  

6  

8  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  (2*Tmax)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 28: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

28  

 Figure  5e:  2018  Simulation  Results  with  File  Size  &  HTTP  Interval  Quadrupled    

• Same  as  2018  Baseline  Reference,  but  with  HTTP  file  size  quadrupled  and  GET  Interval  quadrupled  (file  size  =  125  Mbytes,  Interval  =  80  seconds)  

• “Minimum  K  value”  to  surpass  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  =  0.85  

 Parameter   Value   Comment  Nsub    250   50  Active  Tavg      2.5  Mbps    Tmax        1  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      125  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      80  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      1.6  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   0.9   Web  Resp  >  1.5  sec    (but  very  big  Web  pages)  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      1.4  Gbps      

0  

2  

4  

6  

8  

10  

0  

250  

500  

750  

1000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  (4*Interval)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 29: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

29  

 Figure  5f:  2018  Simulation  Results  with  50%  of  Subs  Having  Lower  Tmax    

• Same  as  2018  Baseline  Reference,  but  with  50%  of  subscribers  having  a  lower  Tmax  of  250  Mbps  

 Parameter   Value   Comment  Nsub    250   50  Active  (45  Bronze,  5  

Gold)  Tavg      2.5  Mbps    Tmax        1  Gbps    Avg  HTTP  File  Size    31.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      1.6  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.0   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      1.6  Gbps      A  summary  of  the  figures  and  plots  and  results  for  the  2021  simulations  are  given  below:    

0  

2  

4  

6  

8  

0  

250  

500  

750  

1000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  (Bronze)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 30: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

30  

 Figure  6a:  2021  Simulation  Results  with  Baseline  Reference    

• In  all  cases,  Bandwidth  Capacity  (as  a  function  of  K)  =  Nsub*Tavg  +  K*Tmax_max  

 Parameter   Value   Comment  Nsub      250   50  Active  Tavg      8.4  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      105  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      5.4  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.1   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      5.9  Gbps      

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  Reference  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 31: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

31  

 Figure  6b:  2021  Simulation  Results  with  Nsub  Doubled  

• Same  as  2021  Baseline  Reference,  but  with  subscribers  doubled  (Nsub  =  500…  100  active)  

• “Minimum  K  value”  to  surpass  Busy-­‐Hour  Performance  Goal  =  0.9  

 Parameter   Value   Comment  Nsub      500   100  Active  Tavg      8.4  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      105  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      7.5  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.2   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)        9  Gbps      

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  (2*Nsub)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 32: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

32  

 Figure  6c:  2021  Simulation  Results  with  Tavg  Doubled    

• Same  as  2021  Baseline  Reference,  but  with  Tavg  doubled  (Tavg  =  16.8  Mbps)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub      250   50  Active  Tavg      16.8  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      105  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      7.5  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.4   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      10.5  Gbps      

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  (2*Tavg)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 33: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

33  

 Figure  6d:  2021  Simulation  Results  with  Tmax  50%  Higher    

• Same  as  2021  Baseline  Reference,  but  with  Tmax  doubled  (Tmax  =  5  Gbps)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub      250   50  Active  Tavg      8.4  Mbps    Tmax        5  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      105  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      7.1  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   0.7   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      5.0  Gbps      

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

1000  

2000  

3000  

4000  

5000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  (1.5*Tmax)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 34: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

34  

 Figure  6e:  2021  Simulation  Results  with  File  Size  &  HTTP  Interval  Tripled    

• Same  as  2021  Baseline  Reference,  but  with  HTTP  file  size  quadrupled  and  GET  Interval  quadrupled  (file  size  =  420  Mbytes,  Interval  =  80  seconds)  

 Parameter   Value   Comment  Nsub      250   50  Active    Tavg      8.4  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      315  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      60  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      5.4  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   1.1   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      5.9  Gbps      

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  (3*Interval)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 35: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

35  

 Figure  6f:  2021  Simulation  Results  with  50%  of  Subs  Having  Lower  Tmax    

• Same  as  2021  Baseline  Reference,  but  with  50%  of  subscribers  having  a  lower  Tmax  of  825  Mbps  

 Parameter   Value   Comment  Nsub      250   50  Active  (45  Bronze,  5  

Gold)  Tavg      8.4  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      105  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    BW  Cap.  (for  K=1)      5.4  Gbps    Minimum  K  value  (to  match  Perf  Goal)  

   0.9   Web  Resp  <  1.5  sec  

BW  Cap.  (to  match  Perf  Goal)      4.9  Gbps      Interestingly,  the  minimum  required  value  of  K  always  fell  in  the  range  from  0.7  to  1.5  for  all  tests  performed.  However,  most  of  these  simulations  assumed  a  worst-­‐case  situation  in  which  all  subscribers  used  the  Gold  SLA  and  were  performing  large  HTTP  downloads.      If  we  consider  only  the  simulations  which  either  contained  some  subscribers  with  a  lower  SLA  (Figures  4f,  5f  &  6f)  or  with  some  subscribers  watching  IP  video  streams  with  smaller  file  sizes  (Figures  7a,  7b,  &  7c),  then  the  resulting  values  of  K  all  fall  within  the  very  small  range  between  0.9  and  1.1.  We  believe  that  these  cases  more  accurately  represent  real-­‐world  scenarios.  The  lower  required  K  values  probably  result  from  the  

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  (Bronze)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 36: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

36  

fact  that  these  subscriber  mixes  are  more  easily  able  to  yield  bandwidth  to  the  Performance  monitoring  test  (due  to  typical  CMTS  scheduling  algorithms  that  fairly  throttle  traffic  during  congestion).    While  this  is  not  a  conclusive  proof  that  K  can  always  be  set  to  a  value  in  that  range  to  yield  good  QoE  results  for  subscribers,  it  does  give  us  a  fair  degree  of  confidence  that  K  values  near  1.0  may  be  adequate  for  many  real-­‐world  MSO  scenarios  in  the  coming  years.  As  traffic  engineers  tend  to  be  cautious  individuals,  the  authors  would  actually  recommend  adding  a  little  buffer  to  the  range  of  acceptable  K  values  found  in  the  simulations  above.  In  particular,  it  might  be  wise  for  cautious  traffic  engineers  to  set  the  minimum  required  value  of  K  to  values  in  the  1.0  to  1.2  range.  (Note:  The  authors  have  been  setting  the  minimum  required  K  value  equal  to  1.0  for  their  recent  traffic  engineering  analyses).    To  further  check  this  hypothesis,  we  created  another  set  of  simulations  that  mix  together  various  types  of  traffic  that  even  more  closely  match  the  predicted  (blended)  traffic  conditions  defined  in  Table  1.  The  results  of  those  simulation  runs  are  shown  in  Figure  7a  (for  2014),  in  Figure  7b  (for  2018),  and  in  Figure  7c  (for  2021).  It  is  promising  to  note  that  the  results  from  those  simulation  runs  also  yield  minimum  required  K  values  in  the  same  range.    

 Figure  7a:  2014  Simulation  Results  with  Blended  Traffic    

         

0  

1  

2  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  Mix  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 37: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

37  

Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  (22  Video,  28  

Web)  Video  Bitrate      5  Mbps    Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size    1.6  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    22  sec    Bandwidth  (for  K=1)   325  Mbps    Minimum  K  value    1.1   Web  Resp  <  1.5  sec,    

No  ABR  throttling  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)   345  Mbps      

 Figure  7b:  2018  Simulation  Results  with  Blended  Traffic    

Parameter   Value   Comment  Nsub    250   50  Active  (30  Video,  20  

Web)  Video  Bitrate      20  Mbps    Tavg      2.5  Mbps    Tmax        1  Gbps    Avg  HTTP  File  Size        4  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      22  sec    Bandwidth  (for  K=1)      1.6  Gbps    Minimum  K  value      1.0   Web  Resp  <  1.5  sec,    

No  ABR  throttling  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)      1.6  Gbps    

0  

1  

2  

0  

250  

500  

750  

1000  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2018  Mix  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 38: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

38  

 

 Figure  7c:  2021  Simulation  Results  with  Blended  Traffic    

Parameter   Value   Comment  Nsub      250   50  Active  (27  Video,  23  

Web)  Video  Bitrate      75  Mbps    Tavg      8.4  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      7.8  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      22  sec    Bandwidth  (for  K=1)      5.4  Gbps    Minimum  K  value      1.0   Web  Resp  <  1.5  sec,    

No  ABR  throttling  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)      5.0  Gbps      At  this  point,  it  may  be  interesting  to  note  how  a  change  in  the  Benevolence  Ratio  (Rb)  might  impact  the  required  minimum  K  value.  If  an  MSO  decides  to  reduce  their  Rb  value  to  be  below  the  ideal  value  of  Rb=1.0,  then  that  change  will  (by  definition)  lower  the  QoE  level  of  the  subscriber.  For  example,  consider  Figure  7c  above.  If  it  is  decided  that  a  subscriber  executing  a  Performance  monitoring  test  only  needs  to  see  75%  of  their  Advertised  Billboard  Bandwidth  during  the  busy-­‐hour  period,  then  the  required  minimum  K  value  drops  to  0.6  (see  the  horizontal  green  line).  This  will  obviously  yield  lower  costs  in  providing  the  required  bandwidth  capacity  (at  the  expense  of  subscriber  QoE).    

0  

1  

2  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  Mix  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Rb  =  .75  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 39: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

39  

TWO  OBSERVED  WEAKNESSES  OF  THE  NEW  TRAFFIC  ENGINEERING  FORMULA  While  the  new  traffic  engineering  formula  described  in  (3)  appears  to  be  a  useful  formula  and  also  appears  to  be  (to  some  extent)  validated  by  early  simulation  work,  there  are  at  least  two  potential  issues  that  must  be  explored.      Issue  #1:  In  all  of  the  simulation  runs  performed  within  the  previous  section,  there  was  always  one  (and  only  one)  subscriber  who  was  ever  performing  a  Performance  monitoring  test  at  any  moment  in  time.  This  was  guaranteed  by  the  fact  that  the  simulation  only  enabled  one  subscriber  to  repeatedly  execute  the  Performance  monitoring  test.      In  the  real  world,  it  is  possible  (although  most  likely  with  a  low  probability)  that  more  than  one  subscriber  may  launch  a  Performance  monitoring  test  at  the  same  time.  Consider  the  simulation  results  shown  in  Figure  8,  where  we  have  purposely  forced  two  subscribers  to  simultaneously  launch  Performance  monitoring  tests  within  our  normal  simulation  run.  It  can  be  seen  that  a  K  value  of  ~1.0  is  no  longer  adequate  to  provide  both  subscribers  with  good  QoE.  A  higher  K  value  of  1.9  is  required  in  this  case,  and  the  cost  of  the  bandwidth  capacity  would  increase.      

 Figure  8:  2014  Simulation  Results  with  Two  Simultaneous  Performance  Monitor  Tests  

   

0  

2  

4  

6  

8  

0  

50  

100  

150  

200  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  (2*Perf  monitor)  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 40: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

40  

   Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    Bandwidth  (for  K=1)   325  Mbps    Minimum  K  value    1.9   Web  Resp  <  1.5  sec  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)   505  Mbps      Issue  #2:  In  all  of  the  previous  simulation  runs,  the  number  of  subscribers  per  service  group  (Nsub)  was  always  maintained  at  levels  above  250  subscribers.  However,  many  MSOs  are  considering  performing  node-­‐splits  down  to  much  smaller  service  group  sizes.  Figure  9  shows  the  simulation  results  for  a  small  Network  Model  from  the  2021  time-­‐frame:    

 Figure  9:  2021  Simulation  Results  with  Nsub  =  50  

               

0  

1  

2  

3  

4  

5  

6  

7  

0  

500  

1000  

1500  

2000  

2500  

3000  

3500  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2021  Nsub=50  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 41: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

41  

   Parameter   Value   Comment  Nsub      50   10  Active  Tavg      8.4  Mbps    Tmax      3.3  Gbps    Avg  HTTP  File  Size      105  MB    Avg  HTTP  GET  Interval      20  sec    Bandwidth  (for  K=1)      3.7  Gbps    Minimum  K  value      0.8   Web  Resp  <  1.5  sec  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)      3.0  Gbps      If  we  compare  Figure  9  with  Figures  6a  &  6b,  we  see  that  the  minimum  value  of  K  tends  to  decrease  from  1.2  to  0.8  with  smaller  service  group  sizes.  This  is  likely  due  to  the  fact  that,  under  congestion,  the  Performance  monitoring  test  tends  to  receive  a  share  of  the  available  bandwidth  that  is  ~1/Nsub  of  the  total  bandwidth  (which  results  in  a  decreasing  percentage  of  the  total  bandwidth  as  Nsub  gets  larger).    Unfortunately,  as  the  size  of  the  service  group  gets  smaller  the  overall  performance  of  the  network  becomes  less  predictable  using  statistical  methods.  For  example,  if  a  service  group  contains  only  4  active  subscribers,  there  is  a  very  real  chance  that  all  four  will  be  simultaneously  attempting  to  utilize  their  maximum  SLA  bandwidth.    Thus,  traffic  engineers  must  use  caution  when  working  with  small  service  group  sizes.  

SELECTING  APPROPRIATE  TMAX  &  BHPG  VALUES  GIVEN  AN  ADVERTISED  BILLBOARD  BANDWIDTH  How  does  one  select  appropriate  Tmax  &  BHPG  values  given  an  Advertised  Billboard  Bandwidth  value?      Consider  an  example  where  the  Advertised  Billboard  Bandwidth  is  given  by  200  Mbps,  Nsub  =  250,  and  Tavg  =  500  kbps.  There  are  many  options  from  which  a  traffic  engineer  can  choose.    Option  #1:  The  traffic  engineer  could  let  Rc=1.0  and  set  Tmax_max=200  Mbps  and  could  let  Rb=1.0  and  also  set  BHPG=200  Mbps.  The  results  of  these  settings  (Figure  10)  show  that  the  minimum  required  K  value  would  need  to  be  increased  to  a  value  of  ~2.0,  which  would  increase  system  costs.  The  required  bandwidth  capacity  is  given  by  525  Mbps,  

Page 42: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

42  

which  is  quite  large.  Thus,  these  are  not  advisable  settings  (with  Rc=1.0)  and  should  be  avoided.      

 Figure  10:  2014  Simulation  Results  with  Rc=1.0  and  Rb=1.0  

Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   200  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    Bandwidth  (for  K=1)   325  Mbps    Minimum  K  value    2.0   Web  Resp  <  1.5  sec  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)   525  Mbps      Option  #2:  The  traffic  engineer  could  let  Rc=1.1  and  set  Tmax_max=220  Mbps  and  could  let  Rb=1.0  and  set  BHPG=200  Mbps.  The  results  of  these  settings  (Figure  11)  show  that  the  minimum  required  K  value  falls  back  into  the  “normal”  range  of  1.2.  The  required  bandwidth  capacity  is  given  by  414  Mbps,  which  is  reasonable.  

0  

1  

2  

3  

0  

50  

100  

150  

200  

250  

300  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  Rc=1.0  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 43: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

43  

 Figure  11:  2014  Simulation  Results  with  Rc=1.1  and  Rb=1.0  

Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   220  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    Bandwidth  (for  K=1)   345  Mbps    Minimum  K  value    1.2   Web  Resp  <  1.5  sec  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)   414  Mbps      Option  #3:  The  traffic  engineer  could  let  Rc=1.5  and  set  Tmax_max=300  Mbps  and  could  let  Rb=1.0  and  set  BHPG=200  Mbps.  These  are  also  reasonable  settings.  The  use  of  larger  Rc  values  (Figure  12)  lower  the  minimum  required  K  value,  which  becomes  0.7.  The  required  bandwidth  capacity  is  given  by  298  Mbps,  which  is  significantly  less  than  the  value  found  in  Options  #1  or  #2.  Thus,  these  are  also  reasonable  settings.  However,  the  use  of  the  larger  Rc  value  leads  to  the  need  for  a  larger  Tmax  value,  and  that  may  place  undesirable  requirements  on  the  number  of  Downstream  tuners  that  the  modem  must  support.  As  a  result,  Option  #2  may  be  more  preferred.      

0  

1  

2  

3  

0  

50  

100  

150  

200  

250  

300  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  Rc=1.1  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 44: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

44  

 Figure  12:  2014  Simulation  Results  with  Rc=1.5  and  Rb=1.0  

Parameter   Value   Comment  Nsub   250   50  Active  Tavg   500  Kbps    Tmax   300  Mbps    Avg  HTTP  File  Size   6.25  MB    Avg  HTTP  GET  Interval    20  sec    Bandwidth  (for  K=1)   425  Mbps    Minimum  K  value    0.7   Web  Resp  <  1.5  sec  Bandwidth  (for  K=Perf  Goal)   298  Mbps      

TYPICAL  DESIGN  SCENARIO  In  a  typical  scenario  focused  on  the  DOCSIS  HSD  Downstream  bandwidth,  an  MSO  traffic  engineer  may  be  given  the  Advertised  Billboard  Bandwidths  (for  each  SLA)  from  the  marketing  team,  and  he  may  be  asked  to  architect  the  DOCSIS  HSD  network  to  support  those  Advertised  Billboard  Bandwidths.      We  will  work  through  a  typical  design  example  (with  some  new  numbers)  to  illustrate  a  process  that  might  be  followed.  Assume  that  marketing  department  has  defined  two  SLAs:  

• Silver  SLA  o Advertised  Billboard  BW  =  150  Mbps  

• Gold  SLA  o Advertised  Billboard  BW  =  300  Mbps  

0  

1  

2  

3  

0  

50  

100  

150  

200  

250  

300  

0   0.5   1   1.5   2  

sec  

Mbp

s  

K  

2014  Rc=1.5  

Tmax_max  

Perf  Goal  

Perf  Mon  Test  

Web  Resp  Time  

Page 45: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

45  

1) Determine  the  sizes  of  the  service  groups  (i.e.-­‐  the  Nsub  value).  Assume  all  service  groups  have  Nsub  =  ~150  subscribers.    

2) Measure  the  Tavg  value  for  the  subscribers  on  the  network  using  formula  (2).  Let  us  assume  that  Tavg  =  1  Mbps.    

3) Select  a  Tmax  value  for  each  SLA.  We  have  found  that  Rc  values  of  1.1  or  1.2  are  acceptable  to  use.  From  Figures  11,  4a,  5a,  &  6a,  we  find  that  if  Rc=1.1,  then  K=1.2.  If  Rc=1.2,  then  K=~1.1.  If  the  MSO  selects  Rc=1.1,  then  K=1.2  and  the  Tmax  values  for  each  SLA  are  given  by:  

• Silver  SLA  o Tmax  =  Rc*ABB  =  1.1*(150  Mbps)  =  165  Mbps  

• Gold  SLA  o Tmax  =  Rc*ABB  =  1.1*(300  Mbps)  =  330  Mbps  

4) Select  a  BHPG  value  for  each  SLA.  We  will  assume  that  this  MSO  desires  to  have  an  Rb  value  of  1.0,  so  the  BHPG  values  for  each  SLA  are  given  by:  

• Silver  SLA  o BHPG  =  Rb*ABB  =  1.0*(150  Mbps)  =  150  Mbps  

• Gold  SLA  o BHPG  =  Rb*ABB  =  1.0*(300  Mbps)  =  300  Mbps  

5) Determine  the  required  bandwidth  capacity  for  the  service  group.  The  traffic  engineer  focuses  on  the  Gold  SLA  for  this.  From  that  SLA,  he  can  instantly  define  the  Tmax_max  value  to  be  330  Mbps.  Using  formula  (3),  he  can  then  calculate  the  minimum  required  bandwidth  capacity  to  be:      C  =  (Nsub*Tavg)  +  (K*Tmax_max)  =  (150  *  1  Mbps)  +  (1.2*  330  Mbps)  =  546  Mbps    

6) Calculate  the  number  of  required  DOCSIS  3.0  Downstream  channels  (assuming  ~36  Mbps  of  available  bandwidth  capacity  per  channel),  which  is  given  by:  ceiling(546  Mbps/36  Mbps)  =  16  DOCSIS  Downstream  channels.  

 The  relationship  between  Rc  and  K  values  in  step  (3)  leads  to  an  interesting  observation.  For  typical  values  of  Rc  such  as  1.1  or  1.2,  the  typical  values  of  K  might  be  ~1.2  or  ~1.1,  respectively.  Thus,  the  product  of  K*Rc  seems  to  be  nearly  constant  and  is  given  by  ~1.32.  That  observation  can  permit  us  to  propose  a  simplification  to  the  form  of  formula  (3)  used  in  step  (5).      C  =  (Nsub*Tavg)  +  (K*Tmax_max)                                                 (5)    C  =  (Nsub*Tavg)  +  (K*Rc*ABB_max)                                         (6)            C  =  (Nsub*Tavg)  +  (1.32*ABB_max)                                           (7)    Since  ABB_max  (and  not  Tmax_max)  is  typically  specified  by  the  MSO’s  marketing  team,  this  simpler  formula  (7)  may  be  applicable  (and  useful)  whenever  Rc  is  a  “typical”  value  of  1.1  or  1.2  and  when  Rb  =  1.0.  

Page 46: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

46  

CONCLUSIONS  For  many  years,  DOCSIS  traffic  engineers  have  used  various  rule-­‐of-­‐thumb  criteria  to  determine  the  bandwidth  capacity  requirements  for  their  High-­‐Speed  Data  (HSD)  service  groups.  Interestingly,  one  very  important  characteristic  of  the  user  experience  was  missing  from  all  of  these  metrics-­‐  that  characteristic  is  the  Quality  of  Experience  (QoE)  level  for  subscribers  as  they  consume  different  service  types.      A  new  traffic  engineering  formula  is  introduced  and  validated  within  this  paper.  It  incorporates  all  of  these  important  criteria  (Number  of  Subscribers,  Average  Bandwidth  consumption  levels,  Maximum  Bandwidth  Service  Level  Agreements,  and  QoE).      

RELATED  READINGS  • PAPER:  Predictions  on  the  Evolution  of  Access  Networks  to  the  Year  2013  and  

Beyond  • PAPER:  A  Technical  Migration  Plan  for  the  Evolution  to  DOCSIS  3.1  • PAPER:  Advanced  Quality  of  Experience  Monitoring  Techniques  for  a  New  

Generation  of  Traffic  Types  Carried  by  DOCSIS  

 

MEET  ONE  OF  OUR  EXPERTS:  Tom  Cloonan    Tom  Cloonan,  has  been  the  Chief  Technology  Officer  or  Chief  Strategy  Officer  of  ARRIS  for  the  past  twelve  years,  responsible  for  directing  the  architectural  work  and  future  product  planning  within  the  company.  Prior  to  that,  Tom  was  the  CTO  and  co-­‐founder  of  the  start-­‐up  company  Cadant,  where  he  led  the  architectural  work  for  the  development  of  the  C4  CMTS.  In  a  previous  life,  Tom  also  worked  at  Lucent  Bell  Laboratories  on  various  telecommunications  and  routing  platforms.  Tom  has  a  BSEE  degree,  and  MSEE  degree,  and  a  Ph.D.  in  Physics.  His  research  has  resulted  in  over  30  patents,  over  50  published  papers,  and  several  book  chapters.  

Page 47: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

47  

REFERENCES  (1)  [Ca2014]  Goran  Candrlic,  “How  big  is  a  page  size  going  to  be  in  2014?”  Website  

Speed,  http://www.globaldots.com/big-­‐page-­‐size-­‐going-­‐2014  

(2) [Cl2013]  Tom  Cloonan,  Jim  Allen,  Tony  Cotter,  and  Ben  Widrevitz,  “Advanced  Quality  of  Experience  Monitoring  Techniques  for  a  New  Generation  of  Traffic  Types  Carried  by  DOCSIS,”  Proceedings,  The  NCTA  Cable  Show  Spring  Technical  Forum  (June,  2013).  

(3) [Cl2014]  Tom  Cloonan,  Mike  Emmendorfer,  John  Ulm,  Ayham  Al-­‐Banna,  and  Santhana  Chari,  “Predictions  on  the  Evolution  of  Access  Networks  to  the  Year  2030  and  Beyond,”  Proceedings,  The  NCTA  Cable  Show  Spring  Technical  Forum  (April,  2014).  

(4) [Em2014]  Mike  Emmendorfer  and  Tom  Cloonan,  “Nielson’s  Law  vs.  Nielson  TV  Viewership  for  Network  Capacity  Planning,”  Proceedings,  The  NCTA  Cable  Show  Spring  Technical  Forum  (April,  2014).  

(5) [Pr2012]  Pro  Webmasters,  “What’s  an  acceptable  avg.  page  load  time?”http://webmasters.stackexchange.com/questions/28220/whats-­‐an-­‐acceptable-­‐avg-­‐page-­‐load-­‐time  

(6) [Sa2104]  Sandvine  Global  Internet  Phenomenon  Report  (1H  2014),https://www.sandvine.com/downloads/general/global-­‐internet-­‐phenomena/2014/1h-­‐2014-­‐global-­‐internet-­‐phenomena-­‐report.pdf  

                         

Page 48: SIMULATING THE IMPACT OF QOE ON PER SERVICE GROUP HSD … · 2019-12-28 · tom!cloonan,!cto,!network!solutions! jim!allen,!lead!software!engineer,!broadband!group! mike!emmendorfer,!senior!director!of!solution!architecture!

Copyright  2014  –  ARRIS  Enterprises,  Inc.  All  rights  Reserved.                  

 

 

48  

ABBREVIATIONS  &  ACRONYMS  ABB     Advertised  Billboard  Bandwidth  ABR     Adaptive  Bit-­‐Rate  B     Number  of  bytes  counted  in  window  of  time  BHPG     Busy-­‐Hour  Performance  Goal  C     Bandwidth  Capacity  required  by  a  service  group  CAGR     Compound  Annual  Growth  Rate  CM     Cable  Modem  CMTS     Cable  Modem  Termination  System  FTTH     Fiber  To  The  Home  HSD     High-­‐Speed  Data  HTML     Hyper-­‐Test  Mark-­‐up  Language  HTTP     Hyper-­‐Text  Transport  Protocol  K     QoE  constant  for  Tmax_max  Ka     QoE  constant  for  ABB_max  MSO     Multiple  System  Operator  Nsub     Number  of  subscribers  in  a  service  Group  QoE     Quality  of  Experience  Rc     Cushion  Ratio  Rb     Benevolence  Ratio  SLA     Service  Level  Agreement  Tavg     Average  Per-­‐Subscriber  Traffic  Level  TCP     Transmission  Control  Protocol  Tmax     Maximum  Sustained  Traffic  Rate    W     Window  of  time  in  seconds  Y     Number  of  years                          ©ARRIS  Enterprises,  Inc.  2014  All  rights  reserved.  No  part  of  this  publication  may  be  reproduced  in  any  form  or  by  any  means  or  used  to  make  any  derivative  work  (such  as  translation,  transformation,  or  adaptation)  without  written  permission  from  ARRIS  Enterprises,  Inc.  (“ARRIS”).  ARRIS  reserves  the  right  to  revise  this  publication  and  to  make  changes  in  content  from  time  to  time  without  obligation  on  the  part  of  ARRIS  to  provide  notification  of  such  revision  or  change.