In the near future, it is expected that VBR MPEG video service is one of the most potential applications in ATM networks because of the high bandwidth and the flexible bandwidth allocation of ATM technologies. Besides, the transmission technique of VBR MPEG video will form the basis of the advent multimedia services over ATM network. In order to facilitate the introduction of VBR MPEG services over ATM network, a joint control algorithm of multiplexing and traffic smoothing is investigated in this dissertation for both live and prerecorded VBR MPEG video streams.
First, we investigate the issues related to the source traffic smoothing for a live VBR MPEG video over ATM network. We present a real system model for the traffic smoothing of live VBR MPEG video applications. Based on this system, we describe the constraints imposed not only by the delay bound in the sender buffer, but also by the sender/receiver buffer sizes in the viewpoint of practical parameters. These constraints are formally defined as the upper and lower bounds for the decision of transmission rate, respectively. Then, by using these constraints, an adaptive source traffic smoothing algorithm is designed in a dynamic fashion, while avoiding the buffer overflow and underflow. Through simulation results, it is shown that the proposed algorithm result in small loss rates, in the case that overall end systems has extremely small buffers. Under the various values of buffer sizes and delay bound, the proposed algorithm reduces the temporal variability as well as the peak rate of the given live video, compared to the sliding window scheme. When the simple queueing models based on the large deviation theory are applied, the proposed algorithm significantly reduces the renegotiation failure probability as well as the effective bandwidth of the given live video, compared to the sliding window scheme. Furthermore, it is noted that by developing more exact coded-data size estimation method, the performances of the proposed algorithm is slightly improved.
Second, the proposed source traffic smoothing algorithm is extended to the joint control of multiplexing and traffic smoothing for the applications with multiple live VBR MPEG video sources, such as CATV, DBS, multiplexing applications with several video streams that may be generated at variable rate. For these applications, we describe the constraints as a similar way to the above method and present the framework of joint control for multiplexing and traffic smoothing algorithm, that introduces the temporal and spatial averaging effects as large as possible for multiple video sources. Based on this framework, a joint control algorithm of multiplexing and traffic smoothing for multiple VBR MPEG videos is designed in a dynamic manner. Through various experimental results, it is found that by jointly controlling the multiplexing and traffic smoothing, the transmission rate is flattened out and the effective bandwidth is significantly reduced, compared to the multiplexing scheme with the individually traffic smoothing algorithm. Particularly, it is also shown that the proposed scheme is effective, in the case that the start times of input video sources can be evenly spaced within period such as a GOP duration.
Finally, we discuss the bandwidth-smoothing algorithms that has been proven to be effective in transmitting a prerecorded video stream. In order to reduce the bandwidth requirements as low as possible in some environments where several clients have common medium network, we modify the minimum variability bandwidth allocation (MVBA) algorithm and apply it to the adaptive reduction of aggregated-bandwidth. In this modified algorithm, whenever a new request is arrived or rejected, the server calculates the transmission plan by using the MVBA algorithm in order to achieve the minimum variability of bandwidth changes and then the aggregated transmission rate is adaptively partitioned into each clients so as not to result in the overflow or underflow of the individual buffers. For this aim, we propose a virtual control model, a practical bit partitioning model, and then an efficient bit partitioning algorithm. Through simulation results, it is shown that the performances of the proposed algorithm over the non-aggregated algorithm is remarkable in terms of the peak rate, the temporal variability, and the number of rate changes of the aggregated transmission rate, particularly, when client buffer sizes are small.
VBR MPEG 압축 영상 서비스는 일정 화질 유지와 ATM망의 융통성 있는 대역 할당 등을 제공할 수 있는 장점이 있으며, 또한 앞으로 도래할 다양한 멀티미디어 서비스 개발을 촉진시킬 것으로 기대된다. 그러나, VBR MPEG 압축 영상 신호는 부호화 구조와 구성 화면의 복잡도에 따라 매우 다양한 형태의 트래픽을 발생시키므로, 모델을 구하고 제어 방식을 찾는 것은 매우 복잡하며 많은 구현 비용을 요구할 것이다. 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 부분적으로 극복하면서, 망자원의 효과적인 사용과 더불어 ATM망으로의 영상 서비스 개발 및 촉진을 위하여 트래픽 평활화와 다중화에 대한 통합 제어 기법을 연구하였다. 본 논문에서 수행한 연구 내용을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 단일 live VBR MPEG 압축 영상 신호를 ATM망에 수용하기 위한 적응적 트래픽 평활화 (traffic smoothing)기법에 대해 연구하였다. 실제의 구현을 위하여 시스템 제어 모델을 제시하고, 필요한 제약 조건을 구하였다. 즉, 송신단에서 소요되는 지연 한계치에 의한 제약 조건과 송신측 버퍼와 수신측 버퍼 크기에 의해 부가되는 제약 조건을 각각 기술하였다. 이를 바탕으로 각 버퍼의 넘침과 고갈 현상을 최소화하면서, 전송 트래픽을 최대로 평활화하는 기법을 제안하였다. 모의 실험을 통하여 제안된 방식은 아주 작은 크기의 버퍼에서도 넘침에 의한 손실율이 매우 작은 수치로 유지되어 실제의 화상 회의나 원격 강의 등의 live VBR MPEG 응용 분야에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 판단된다. 평활화된 트래픽 특성 평가 수치로 첨두치(peak rate)와 변이 계수 (COV: coefficient of variation)측면에서 분석한 결과, 제안된 방식은 기존의 sliding window방식 보다 월등히 우수한 결과를 보여 주었다. 또한, large deviation 이론에 의한 PCBR (piecewise constant bit rate) 재협상 실패율과 effective bandwidth를 동시에 낮출 수 있음을 보였다. 특히, 제안된 기법은 VBR MPEG에 대한 발생 트래픽 크기를 효과적으로 예측하는 기법을 사용함으로써, 다소 성능을 개선시킬 수 있었다.
둘째, 단일 live VBR MPEG 압축 신호에 대한 제안된 트래픽 평활화 기법을 복수개의 live VBR MPEG 압축 영상 신호의 다중화와 트래픽 평활화 기법으로 확장하였다. 이를 위해, 우선, 단일 VBR MPEG 압축 신호에 대해 적용한 방법과 유사하게 지연 조건과 다중화측/수신측 버퍼 크기에 의해 각각 부가된 제약 조건을 정의하였다. 이 제약 조건을 바탕으로 제안된 방식은 각 스트림내에 존재하는 시간 방향의 평균화 효과와 스트림 간에 존재하는 공간 방향의 평균화 효과를 최대로 이용하여 다중화 트래픽을 최대로 평활화할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 방식은 기존의 CATV (Cable TV), DBS (Direct Broadcasting System) 또는 복수개의 VBR MPEG영상 서비스를 다중화하는 응용 분야에 효과적으로 사용될 수 있을 것이다. 성능 분석을 위해 단순 다중화, 독립적 평활화후의 다중화, 다중화후의 독립적 평활화, 그리고 다중화와 평활화의 통합 제어(제안된 방식)등의 네가지 갈래로 나누어 모의 실험을 수행하였다. 모의 실험 결과, 제안된 방식은 독립적 평활화후의 다중화방식과 다중화후의 독립적 평활화방식에 비해 다소 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 그리고, VBR MPEG 압축 영상 신호의 시작 시각이 GOP (Group of Pictures)내에 균일하게 분포하여 입력되는 경우에 다중화 전송률의 첨두치, 변이 계수, 그리고 effective bandwidth 측면에서 더욱 성능이 개선됨을 보였다.
끝으로, VoD (Video on Demand) 서비스와 같이 압축 저장된 환경에 적용을 위해 기존의 제안된 전송률 제어 기법에 대해 체계적으로 분석하였다. 그러나, 기존의 기법들은 단일의 압축 MPEG 영상 신호에 대해서만 대역 평활화 (bandwidth smoothing)를 수행하여 평활화 성능은 제한적이다. 따라서, 본 논문에서는 단일의 공유망을 통하여 복수개의 클라이언트들이 단일의 서버를 통하여 압축 저장된 스트림을 요구할 때, 중첩된 트래픽을 적응적으로 평활화하는 알고리즘으로 개선하였다. 이를 위해, 우선, 기존에 제안된 기법 중에서 최소의 첨두치를 발생시키는 MVBA (minimum variability bandwidth allocation) 방식을 채택하여 새로운 클라이언트의 요구나 해지가 있을 때마다 중첩된 전송률을 구하는 알고리즘으로 변형하였다. 이렇게 구해진 다중화 전송률은 각 클라이언트 버퍼의 넘침과 고갈 현상을 일으키지 않도록 비트를 분배한다. 모의 실험을 통하여, 제안된 방식은 응용 환경이 다소 제한적이나, 비 적응적 방식에 비해 중첩된 전송률의 성능을 월등히 개선 시킴을 확인하였다.
