The success or failure of ATM networks mainly depends on the development of an effective traffic management framework. In order to design and develop ATM network management functions, it is necessary to comprehend the characteristics and requirements of the traffic to be transmitted. It is the traffic model that provides a basis for the optimal design of the network control mechanisms.
In this dissertation, we have studied the issues related to traffic modeling and control mechanisms for variable bit rate (VBR) MPEG video sources. In the viewpoint of traffic modeling, we make traffic models reflecting both the periodic pattern according to GOP (group of pictures) structure and the different statistical characteristics according to different coded picture types of VBR MPEG video traffic. In the viewpoint of traffic control, we develop traffic control mechanisms in order to solve the problems caused from periodic peak traffic due to I-pictures of VBR MPEG video traffic. Traffic controls considered in this dissertation are usage parameter control (UPC), scheduling and connection admission control (CAC).
First, we investigate the problems related to UPC for VBR MPEG video source. We use a Leaky Bucket (LB) policer as an UPC device. We propose a slice-level composite traffic model for single VBR MPEG video source and analyze the performance of a LB policer with one threshold level control. The main result of the performance analysis is that ordinary LB policers are not sufficient for policing VBR MPEG video traffic. In the viewpoint of destination user's visual quality of services, it had better keep I-picture cells from being dropped as much as possible. However, it is shown that the violation probabilities of I-pictures are always much higher than those of P-pictures whether threshold level control is adopted or not. For overcoming the shortages of ordinary LB policers, we propose a new LB policing mechanism called a picture-type dependent LB (PDLB) policer. The main idea of the PDLB policer is that the PDLB policer uses two respective LB tables for I- and P-pictures.
Second, we propose an efficient connection scheduling method for VBR MPEG video sources, which is called MC-scheduling (scheduling for minimum CLR). VBR MPEG video traffics are modeled as a time-varying periodic picture-type dependent rate envelope sequence. Through experiments and observations, we show that the average power of the superposed VBR MPEG video traffic is a good measure for the burstiness of the traffic. From this, we propose a starting time selection method of a new request so that the minimum cell loss ratio (CLR) is expected among many starting times when it is connected. MC-scheduling has the new request start at the time point that the minimum CLR is expected. The proposed MC-scheduling can be applicable to a certain environment for delivery of stored video in video-on-demand (VOD) systems. It is shown that under the given condition of starting times of existing connections, MC-scheduling can achieve both minimum CLR and maximum smoothness without adjustment of starting times of existing connections.
Finally, we study the issues on the problems related to connection admission control (CAC) for VBR MPEG video sources. It is the main concern of CAC mechanisms that when several VBR MPEG video sources are superposed, the arrangement of I-picture starting times of VBR MPEG video sources may significantly affect the CLR of superposed sources. It is called as the periodic peak position effect. Thus, CAC without consideration of the starting time arrangement has possibilities not to guarantee an agreed quality of services (QoS). It is impossible to know the actual starting time of the new request under the general environments such as ATM multiplexers. In order to guarantee a required QoS, CAC must consider the worst condition that the CLR is maximized due to a new connection request. By simple expansion of the starting time selection method as in the scheduling method, we propose a method for finding the worst condition. And, we propose CAC methods under various environments such as general ATM multiplexers, fast resource management and VOD servers. It is shown that the proposed CAC methods can guarantee a certain QoS and improve network utilization.
ATM 망 운용의 성패는 효율적인 트래픽 관리 방안의 수립에 따라 좌우된다. 효율적인 ATM 트래픽 제어 방식의 개발을 위하여는 ATM망을 통하여 전송되는 트래픽의 특성과 요구 품질에 대한 정확한 이해가 필요하다. 즉, 트래픽 모델은 ATM 망 제어 방식의 최적 설계의 근간이 된다.
본 논문에서는 ATM망에서 가변 비트율 (variable bit rate, VBR) MPEG 비디오 정보원을 위한 트래픽 모델링과 제어 방안에 관련된 문제들에 대하여 고찰하였다. 트래픽 모델링 관점에서는 VBR MPEG 비디오 트래픽의 GOP 구조에 의한 주기적인 특성을 반영하면서, 픽쳐 형태별로 상이한 통계 특성을 표현 가능하도록 트래픽을 모델링 하였다. 트래픽 제어 측면에서는 I-픽쳐에 의한 주기적인 피크 발생으로 인하여 발생하는 ATM 망에서의 트래픽 관리에 관련된 문제를 해결하도록 하였다. 여러 트래픽 제어 방안 중에서 본 논문에서 고려한 트래픽 제어 방안들은 사용 변수 제어 (usage parameter control, UPC), 스케줄링, 연결 수락 제어 (connection admission control, CAC) 들이다. 이와 관련하여 본 논문에서 수행한 연구 내용을 정리하면 다음과 같다.
첫째로, VBR MPEG 비디오 트래픽의 UPC에 관련된 문제를 고려하였다. UPC 방식으로는 리키 버킷 (Leaky Bucket, LB) 방식을 적용하였다. 우선적으로, 슬라이스 레벨에서의 VBR MPRG 비디오 트래픽 모델을 제안하였고, 이를 이용하여 한 개의 임계치 제어를 갖는 LB 방식의 성능을 해석하였다. 성능 해석의 주요 결과는 기존의 LB 방식들은 VBR MPEG 비디오 트래픽을 감시 제어하기에는 불충분하다는 것이다. 즉, 수신측의 픽쳐 화질 관점에서 I-픽쳐 셀의 보호는 매우 중요한 의미를 갖지만, LB 방식들은 모든 시스템 변수에 대하여 항상 I-픽쳐 셀의 위반 확률이 P-픽쳐 위반 확률 보다 매우 크게 된다. 이러한 기존 LB 방식들의 단점을 보완하기 위하여, 픽쳐 형태별 LB 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 픽쳐 형태별로 구분된 변수들을 사용하므로써 감시 제어가 이루어진다.
둘째로, VBR MPEG 비디오 정보원의 효율적인 시작 시간 선정 (또는 스케줄링) 방법을 제안하였다. 이를 위하여 VBR MPEG 비디오 정보원을 각 픽쳐 시간 마다 다른 등가율값 (rate envelope)을 갖는 시변의 주기적인 픽쳐 형태별 등가율 함수로서 모델링 하였다. 실험과 관찰을 통하여, 다중화된 트래픽의 등가율 함수의 평균 입력 파워가 다중화 트래픽의 버스티니스를 잘 반영함을 보여주었다. 이로부터, 기존의 연결 상황에서 새로운 연결이 수용된 경우 이로 인하여 최소 셀 손실 율 (cell loss ratio, CLR)이 추정되는 새로운 연결의 시작 시간을 찾는 방법을 제안하였다. 제안된 스케줄링 방법은 새로운 연결을 이 최소 셀 손실 예상 시간에서 시작하도록 하는 것이다. 제안된 방법은 저장된 비디오를 전송하는 주문형 비디오 (video on demand, VOD) 제공 시스템과 같이 각 연결의 시작 시간 조절이 가능한 환경에서 적용 가능하다. 실험 결과는 제안된 방법은 최소 셀 손실 율과 최대 평활화 (smoothness)를 동시에 제공함을 보여주고, 다른 스케줄링 방법과 비교하여 매우 우수한 성능을 보여준다.
끝으로, VBR MPEG 비디오 트래픽의 CAC에 관련된 문제에 대하여 연구하였다. CAC 방법을 제안하기 위하여 가장 주요하게 고려한 사항은 VBR MPEG 비디오 정보원의 I-픽쳐 시작 시간 배열에 따라 ATM 다중화기의 성능이 좌우된다는 주기적인 피크 위치 효과 (the periodic peak position effect)이다. 따라서, 시작 시간 분포의 고려 없이 CAC를 수행하면, 요구된 서비스 품질 (quality of services, QoS)을 보장하지 못하는 경우가 발생한다. 실제로 ATM 다중화기와 같은 일반적인 상황에서 새로운 연결의 시작 시간을 추정해내는 것은 불가능하다. 따라서, QoS 보장을 위하여 CAC는 최악의 상황을 고려하여야만 한다. 본 논문에서는 스케줄링에서의 시작 시간 선정 방법을 확장함으로써 최악의 상황에 대한 새로운 연결요구의 시작 시간을 찾아내기 위한 방법을 제안하였다. 또한, VOD 서버와 FRM (fast resource management)이 적용되는 환경하에서의 CAC 방법들을 제안하였다. 실험 결과는 제안 방법들은 QoS를 보장하면서 망 자원 이용 효율을 증가 시킴을 보여준다.
