Smoothing_Multiplexing_3b.ppt
Transcript of Smoothing_Multiplexing_3b.ppt
1
Smoothing Variable-Bit Rate Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Video and Multiplexing in an
Internetwork Internetwork April 1 , 2002April 1 , 2002
Ofer Hadar
Communication Systems Engineering Dept., BGU
URL: http://www.cse.bgu.ac.il/~hadar
Copyright @2001, O. Hadar
2
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
The Basic problemThe Basic problem
Network like predictable, “regular” traffic (CBR):
Can allocate resources (bandwidth, buffers,…) and commit to QoS
Allows for better pricing. Users like bursty information :
Data File transfer, fax, e-mail, telnet, web-browsing, etc.
Video streams are Variable Bit Rate (VBR) by nature.
3
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
OutlineOutline
Problem Background
Motivation for smoothing of pre-recorded video
The Piecewise Constant Rate Transmission and Transport (PCRTT) algorithm.
The e-PCRTT algorithm.
Multiplexing of smoothed video streams.
Conclusions and ongoing work.
4
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Case in Point: MoviesCase in Point: Movies
Huge (and only?) bandwidth consumer
Without compression: Unthinkable (up to 1 Gbps for HDTV stream)
With compression: highly bursty
temporal and spatial information: frames vary in sizes, scenes vary in bandwidth rate
5
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
MPEG CompressionMPEG Compression::
Fixed GoP pattern such as IBBPBBP IBBPBBP I frames are JPEG encoded
B and P frames exploit temporal redundancy
I, P, B Frames
6
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
What to do ? (1)What to do ? (1)
Conservative rich: reserve peak required bandwidth.
Wasteful, costly:ratio of peak to average rate may be over 5:1.
Conservative poor:
compress to specified bandwidth
7
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Peak Bandwidth reservationPeak Bandwidth reservation
0 200 400 600 800 1000 12000.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2x 10
4
Reserved peak-rate Wasteful of Bandwidth
8
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
CBR Video EncodingCBR Video Encoding
b = target encoding rate
q(n) is a function of buffer contents
quantization becomes very coarse as buffer
contents approaches B
Why is it always blurry exactly when it starts getting interesting ?
Encoder Buffer
Digitizadvideo
B
q(n) = quantization scale
Xn
Storage
b/F bits per frame
9
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
What to do ? (2)What to do ? (2)
Practical solution: trade bandwidth for memory.
With large storage space: trickle the stream, playback from memory
need huge space how about live broadcast?
10
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
What to do ? (3) What to do ? (3) Smoothing of Pre-Recorded VideoSmoothing of Pre-Recorded Video
Solution : reduce burstiness by prefetching video frames into the client playback buffer
Emerging applications:
Distance learning
Movies, advertisements
Virtual reality
11
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Network EnvironmentNetwork Environment
Server with pre-recorded video on large, fast disks
Network, perhaps with rate or delay guarantees
Client sites with buffer space for video playback
ClientSmoothing
BufferVideo File
Server
0 2 4 6 8 10 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 x 10 4
( e.g. set-top box)
0 2 4 6 8 10 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 x 10 4
Network
M onitor
12
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Bandwidth Smoothing AlgorithmsBandwidth Smoothing Algorithms
Given the parameters:
Frame size {fi} for n frames
Client buffer size b And the constraints at the client buffer:
Avoid underflow Avoid overflow
Find a server transmission schedule consisting of:
Number of time intervals Transmission of video at rate rj during the interval j
Time intervals of length tj , in units of frame slots
k
iiunder fkF
0
k
iiover fbkF
0
nm
13
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Burstiness of MPEG streamsBurstiness of MPEG streams
Integration
MPEG - Compressed video stream
B
B
P
BB
B
P
BB
II
I
Frame number
GOP
B
Bytes
14
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Constructing a feasible rate-planConstructing a feasible rate-plan
Bandwidth changes
Overflow (Packets losses)
Underflow (Delay)
F_overF_under
b [buffer size]
b
start
end
Accumulative Bytes
Frame number
15
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Existing Smoothing AlgorithmsExisting Smoothing Algorithms Critical bandwidth allocation [Feng95]
Minimum peak bandwidth Minimum number of bandwidth increases
Minimum changes bandwidth allocation [Feng95a]
Minimum peak bandwidth Minimum number of bandwidth changes
Minimum variability bandwidth allocation [Salehi96]
Minimum peak bandwidth Minimum variability of bandwidth allocations
Piecewise constant rate transmission [McManus96]
Bandwidth changes at periodic intervals Enhancement- Piecewise constant rate transmission [Hadar98]
Reducing the required client buffer
16
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
b
The PCRTT algorithmThe PCRTT algorithm
min_dif
max_difOffset
L
U
Accumulative bytes
Frame number / timet
difdifB min_max_min B=Buffer size
T
17
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Description of construction theDescription of construction the e-PCRTT algorithm e-PCRTT algorithm
b(t)
F_under
F_over
b
I2
B=Buffer size
T
(Initial delay=b/2), I1 Time (in frames units)
Accumulative bytes
18
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Motion JPEG trace StatisticsMotion JPEG trace Statistics (in Kb/Frame) (in Kb/Frame)
Video
Name
Big E.T
(100)
Home
Alone2
Honey, I
blew Up
the Kid
Hot
Shots 2
Junior Rookie
of the
Year
Seminar 1 Sister
Act
Mean
Rate
12.35 15.75 11.38 13.84 12.77 14.01 12.43 8.604 11.902
STD
Rate
3.58 3.29 2.48 3.18 3.24 3.19 2.73 0.59 2.61
Peak
Rate
23.48 30.55 22.01 23.29 29.93 25.12 27.88 10.98 24.91
The most burstiness trace The least burstiness trace
19
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
The influence of interval size on video rate-planThe influence of interval size on video rate-plan
0 500 1000 1500 2000 4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
11000
12000
13000
14000
Interval size = 100 [frames]Interval size = 500 [frames]Interval size = 1000 [frames]
Time (frame time units)
Bytes /frame
20
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
The impact of smoothing on the Marginal The impact of smoothing on the Marginal DistributionsDistributions
Unsmoothed
Smoothed:900 frames
Smoothed:10,000 frames
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10 4
0
1000
2000
Rate [Bytes / frame]
No.
of
tran
smis
sion
Siz
es
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10 4
0
20
40
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
x 10 4
0
5
10
No.
of
tran
smis
sion
Siz
esN
o.
of tr
ansm
issi
on S
izes
Rate [Bytes / frame]
Rate [Bytes / frame]
21
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Bandwidth Fill Factor (Bandwidth Fill Factor (BFFBFF) criteria for network ) criteria for network utilizationutilization
ratePeak
rateAverage
ratePeak
rN
NratePeak
rBFF
N
ii
N
ii
_
_
_
1
_11
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2 x 10
4
Smoothed transmission rate
Waste or allocate
elsewhere
Peak-rate
Time (frame units)
Byt
es/f
ram
e
Peak-rate
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2 x 10
4
Video original bit rate
Waste or allocate elsewhere
Time (frame units)
Byt
es/f
ram
e
22
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
BFFBFF as function of the smoothing interval size (frames as function of the smoothing interval size (frames units), for 9 single streams and one multiplexed stream.units), for 9 single streams and one multiplexed stream.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.0E+00 2.0E+02 4.0E+02 6.0E+02 8.0E+02 1.0E+04
Smoothing interval size (Frames)
BF
F
Seq_1
Seq_2
Seq_3
Seq_4
Seq_5
Seq_6
Seq_7
Seq_8
Seq_9
Seq_10
Multiplexed stream
E.T
23
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Individual SmoothingIndividual Smoothing
Individual smoothing is optimal in terms of Individual streams.
Individual smoothing implies smoothing each stream individually without considering other streams that are transmitted simultaneously.
Individual smoothing is not optimal in terms of a multiplexed group of streams.
24
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Multiplexing of Smoothed Video streams according toMultiplexing of Smoothed Video streams according to e-PCRTT e-PCRTT
Smoothed video stream 2
Multiplexer...
Accumulative rate requirement (Bytes/Frame)
Rate requirement (Bytes/Frame)
Smoothed video stream 1
Smoothed video stream n Time (frame units)
Time (frame units)
25
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Synchronized against Unsynchronized Multiple streams Synchronized against Unsynchronized Multiple streams (Total 5 video streams)(Total 5 video streams)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1.02
1.04
1.06
1.08
1.1
1.12
1.14
1.16
1.18 x 10
5
Synchronized multiple stream
Unsynchronized multiple stream
Time (in frames units)
Rate (Bytes/frame)
26
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Rate histograms of multiplexed stream: Rate histograms of multiplexed stream: (a) Synchronized streams (b) Unsynchronized streams.(a) Synchronized streams (b) Unsynchronized streams.
5 6 7 8 9 10 11
x 10 4
0
50
100
150
200
5 6 7 8 9 10 11 12
x 10 4
0
100
200
300
400
Number of bandwidthchanges: 1,972
Max_rate=106,374. KB/frameStd. = 7,263 KB/frame
Max_rate=112,354 KB/frameStd. = 7,861 KB/frame
(a)
(b)
Number of bandwidthchanges: 5,918
Rate [Bytes / frame]
Rate [Bytes / frame]
No. o
f tr
ansm
issio
n S
izes
No. o
f tr
ansm
issio
n S
izes
27
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Objectives for Objectives for Multiplexing algorithmsMultiplexing algorithms
Consider the interaction between all streams.
Provide each individual stream a valid transmission.
Provide each individual stream a near-to-optimal transmission schedule.
computation load should suite real-time purpose.
28
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Different Schemes for Efficient MultiplexingDifferent Schemes for Efficient Multiplexing
Time shifting schemes (Admission control schemes).
Re-smoothing schemes.
Optimal smoothing with linear approximation.
29
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Applying Admission Control Policy to E-PCRTT Smoothed Video Streams
In the initiation stream, the user negotiates an appropriate bandwidth rate-plan with the network.
For each video stream the network reserves a series of different CBRs over equal size time-intervals according to the e-PCRTT algorithm.
The following metrics are used to determine the optimal interval size and initiate transmission time:
The maximum BFF. The minimum rate variance. The minimum peak-rate of the multiplexed stream
30
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Minimum variance of the Multiplexed streamMinimum variance of the Multiplexed stream
mn
diffunctionQ
blokblokdifn
nn
1_
1
0
5
10
15
20
25
bit
frame
reat program
31
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Demonstration of the Admission control Demonstration of the Admission control processprocess
New request for a video stream
One interval shifting
32
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Time allocation of 10 different multiplexing video streams using the BFF criteria
0 20 40 60 80 100 120 140 0
20
40
60
80
100
120 Actual Multiplexed Link Bandwidth
Time (Minutes)
33
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
BFF as a function of number of streams
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.82
0.84
0.86
0.88
0.9
0.92
0.94
0.96
0.98
1
B F
F
Number of streams
34
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
An example of multiplexing two video streams An example of multiplexing two video streams into a CBR channel before and after bandwidth into a CBR channel before and after bandwidth
smoothingsmoothing..
0 2 4 6 8 10 1
1.5
2
2.5
3
3.5
4 x 10 4
Combined smoothed streams Combined Unsmoothed streams
(1)
(2)
Peak -rate
35
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
The management process of bandwidth rate The management process of bandwidth rate reduction at the reduction at the j'thj'th interval interval
t
t
New plan Original plan
BW Network Peak-Rate
tj
Rate reduction
BWi
BW R
rI
36
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTTM-EPCRTT Multiplexing of EPCRTT smoothed streamsMultiplexing of EPCRTT smoothed streams
All input streams are smoothed by the e-pcrtt algorithm using fixed-size intervals
Extreme peaks of the multiplexed stream exceeding the systems bandwidth are re-smoothed in order to achieve bandwidth reduction.
The re-smoothing is e-pcrtt oriented and provides each stream a valid, near-to-optimal transmission schedule
37
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
Time
38
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
Time
39
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
Time
40
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
Time
41
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
Time
42
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
43
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
44
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
45
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
46
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
47
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
48
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input
Time
Non -Buffered Multiplexer
Smoothing
Smoothing
Smoothing
Total Bandwidth
49
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream
Time
Total Bandwidth
50
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream
Time
Total Bandwidth
RR - The systems bandwidth.
The bandwidth of some intervals excesses the link’s bandwidth B.
51
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream
Time
Total Bandwidth
RR - The systems bandwidth.
MI
MI - multiplexing Interval.
The Multiplexed Streams is divided in to MI, each processed independently.
52
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream
Time
Total Bandwidth
RR - The systems bandwidth.
SI
SI - Individual Smoothing fixed size interval.
MI - multiplexing Interval.
MI
The MI is considerably larger than SI, (in simulation it was 45 times bigger).
53
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT iterative re-smoothingiterative re-smoothing
Time
Total Bandwidth
R
1) Find the Extreme Peak (will be denoted as Smoothing Interval SIj).
2) Select the stream (Si) which will enable a maximum bandwidth- reduction at the extreme peak.
SIj
54
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT iterative re-smoothingiterative re-smoothing
Time
The BFSM algorithm is implemented on the selected Individual stream in order to reduce its bandwidth at the extreme peak.
SIj
Si
55
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm
Time
Backward Forward Smoothing Multiplexing
Si
SIj
56
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm
Time
The BFSM changes the transmission schedule of Si
by reducing the bite rate in SII and increasing it in the neighboring intervals.
Si
SIj
57
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm
Time
In order to do so the area of neighboring intervals that would be changed should be determined.
Si
SIj
58
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm
Time
We define the neighboring area between the nearest two local minimums.
Total Bandwidth
SIj
59
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm
This is the E-PCRTT ‘Data Flow River’ of stream Si
60
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm
The BFSM is derived from the E-PCRTT algorithm.
61
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTTM-EPCRTT
BFSM algorithm
Re-smoothing
Iterated
RR
62
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT PerformancePerformance
0 5 10 15 20 25 30 35 40 452.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4x 10
4Global Bandwidth Constraint:original "dotted", M-EPCRTT "solid"
Smoothing Intervals
Ban
dwid
th
63
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
M-EPCRTT M-EPCRTT PerformancePerformance
x 104
Iterations0 50 100 150 200 250 300
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4Global Bandwidth Constraint:Maximum Bandwidth in every Iteration.
Ban
dwid
th
64
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Optimal Multiplexing of Video StreamsOptimal Multiplexing of Video Streams
Assume m video streams. Denote the video streams by the index j = 1 , …, m.
Divide this stream into equal periods of length .
Let L j (t) be a piecewise linear approximation to L j (t) with
breakpoints at epochs .
Let the ith period correspond to the time interval: [ (i-1)t (i)t], i = 1,…,n .
Then the breakpoints of L j (t) , for the jth video stream, are
represented by the sequence of values : LI,J ,i = 0,…,n.
Construct a piecewise linear approximation of U j (t) with the
same breakpoints as in L(t) :U j (t) = L j (t) + bj
T
TnTiTTt ,...,,...,2,,0
65
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
The Linear programming solutionThe Linear programming solution
Buffer = B
Effective Buffer size
B’
Rate plane after Linear programming
66
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Denote the values of U j (t) at each breakpoint as the
sequence: u i j ,i = 0,…,n .
where, u i j = l i j + bj
u i j u i+1 j
i-1 i i+1
ratel i j l i+1 j
yi j yi+1 j
67
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Let such a schedule for the jth video stream be represented by the sequence:
S j = {yi j , yi+1 j ; i = 0,…,n } (1)
Such a schedule is said to be a feasible if: l i j <= yi j <= u i j ,i = 0,…,n (2)
Let r i j = the rate in segment i of the jth video stream.
where,
r i j = yi j - yi-1 j , i = 1,…,n (3)
Let the total rate for all video streams in period i be:
(4)
Let R denote the peak rate as the maximum rate over all n periods.
R = Max {r i ; i = 1,…,n } (5)
The Optimal Multiplexing Problem
The Optimal Multiplexing Problem is to find the collection of schedules {S j
; j = 1,…,m } such that the maximum rate is minimized, i. e.
Find Z = Min Max{r i ; i = 1,…,n } (6)
S j , j=1,…,m
n
jjii rr
1,
68
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Small Example for Small Example for Multiplexing Solution from Multiplexing Solution from Linear ProgrammingLinear Programming
Buffer Size Fixed at B(j)= 5, for each Video Stream j = 1,2,3 . 4 time intervals L = 0 1 4 5 10
0 2 3 4 9 0 4 5 6 10
U =
5 6 9 10 15
5 7 8 9 14
5 9 10 11 15 The Optimal solution Transmission Schedule
Y =
5.0000 5.0000 8.0000 10.0000 10.0000
5.0000 5.0000 5.5000 5.5000 9.0000
5.0000 8.5000 8.5000 10.0000 10.0000
69
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Total Rate = 3.5, 3.5, 3.5, 3.5 Total Rate = 3.5, 3.5, 3.5, 3.5 Optimal Rate = 3.5 (Buffer = 5)Optimal Rate = 3.5 (Buffer = 5)
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
15Stream for Video1
period epochsM
Byt
es
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
15Stream for Video2
period epochs
MB
ytes
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
15Stream for Video3
period epochs
MB
ytes
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
20
40
Period Epochs (Buffer =5 For Each Video Stream, Opt Multiplex Rate = 3.5)
Total All Video Streams
MB
ytes
70
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Optimal Peak Rate vs Total Buffer SizeOptimal Peak Rate vs Total Buffer Size(Buffer = 5 for each Video Stream)(Buffer = 5 for each Video Stream)
0 5 10 15 20 25 30 35 400
2
4
6
8
10
12
14Optimal Peak Rate vs Total Buffer Size (Buffer =5 For Each Video Stream
Total Buffer Size , B
Opt
imal
Pea
k R
ate
, R
71
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Total Rate = 7, 6, 8, 7 Total Rate = 7, 6, 8, 7 Optimal Rate = 8 (Buffer = 2)Optimal Rate = 8 (Buffer = 2)
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
Stream for Video1
period epochsM
Byt
es
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
Stream for Video2
period epochs
MB
ytes
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
Stream for Video3
period epochs
MB
ytes
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
20
Period Epochs (Buffer =2 For Each Video Stream, Opt Multiplex Rate = 8)
Total All Video Streams
MB
ytes
72
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Zooming of Total Accumulative streamZooming of Total Accumulative stream
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
5
10
15
20
25
30
35
Period Epochs
TotalMultiplexed Stream(Buffer =2 For Each Video Stream,Opt Multiplex Rate = 8
MB
ytes
73
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Zooming of Total Bit-rateZooming of Total Bit-rate
1 2 3 4 50
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Periods (Buffer =2 For Each Video Stream, Opt Multiplex Rate = 8)
Total Rate - Multiplexed Stream
MB
ytes
74
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Multiplexing ComparisonMultiplexing Comparison
Interval
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5x 10
7R
ate(
Mbi
t/sec
)
Buffer size = 1 Mbytes
75
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5x 10
7
Interval
Rat
e(M
bit/s
ec)
Buffer size = 2 Mbytes
76
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
7
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5x 10
Interval
Rat
e(M
bit/s
ec)
Buffer size = 3 Mbytes
77
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5x 10
7
Interval
Rat
e(M
bit/s
ec)
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
Buffer size = 5 Mbytes
78
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5x 10
7
Interval
Rat
e(M
bit/s
ec)
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
Buffer size = 10 Mbytes
79
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5x 10
7
Interval
Rat
e(M
bit/s
ec)
Channel Bandwidth = C
Multiplexed Stream
RateonTransmissiunderareaTotal
BandwidthChannelaboveareaTotalPloss
80
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Total Ploss
40 50 60 70 80 90 100Bandwidth(Mbit/sec)
P lo
ssPCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
Buffer size = 1 Mbytes
Rmax= 78 Mbit/s
Rmax= 65 Mbit/s
81
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
bandwidth(Mbit/sec)
P lo
ss
Rmax= 64 Mbit/s
Rmax= 78 Mbit/s
Buffer size = 2 Mbytes
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
82
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Total Ploss
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
bandwidth(Mbit/sec)
P lo
ss
Buffer size = 5 Mbytes
Rmax= 78 Mbit/s
Rmax= 63 Mbit/s
83
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Total Ploss
30 40 50 60 70 80
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
bandwidth(Mbit/sec)
P lo
ss
Rmax= 78 Mbit/s
Rmax= 62.5 Mbit/s
PCRTT multiplexing without any manipulations
Multiplexing through Linear Programming
Buffer size = 10 Mbytes
84
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Block diagram for future research
VoD Disks
Video Server
Clients
Encoding + Streaming
Video Source
High Speed
Network
High Speed
Network
Video Rate Smoothing &Efficient schemes for Multiplexing
Stored Content
Live Video
R total_Max
)R3_Max, B3_max(
)R1_Max, B1_max(
)R2_Max, B2_max(
85
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Ongoing WorkOngoing Work
Smoothing with Linear filtering Allows us to calculate analytically the rate histogram.
Smoothing after multiplexing Aggregated Smoothing.
Efficient smoothing algorithm for CBR service Deriving the optimum channel rate and initial play back delay
under the constraint of client buffer size. Optimization of the Multiplexing problem with different
constraints. Multiplexing of smoothed video streams in Video on Demand
System.
86
המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת
Future workFuture work
Construct an admission control suitable for real-time.
Implement other re-smoothing heuristics.
Comparing these algorithms with the optimal multiplexing algorithm.
Implementing a real VoD system which will include various multiplexing schemes.