Video traffic will be a major load for future integrated services multimedia networks such as ATM networks, the Internet, and high-speed wireless networks. However, the bursty nature and strict Quality of Service (QoS) requirements of video traffic have been obstacles to efficient video transmission. Particularly, two properties of multiple time-scale burstiness and Long-Range Dependence (LRD) in VBR video traffic have been recently reported and are considered to significantly affect network performance.
In this dissertation, we address these two issues from the perspective of traffic control and network design for video transmission by investigating the relationship between the time scale in the correlation of video traffic and the queue buildup. Our main contributions are the proposal of a flexible and mathematically tractable LRD video traffic model, and introduction of two key time scales, cutoff and dominant time-scale which play a key role in Call Admission Control (CAC) and Usage Parameter Control (UPC).
We begin this dissertation by investigating the statistics and origin of the multiple time scale burstiness and LRD of VBR video traffic and relating with the current research activities and the status of traffic control standards.
As the first result, we present a LRD video traffic model based on the shifting-level (SL) process with an accurate parameter matching algorithm for video traffic. The SL process has its strength that it captures all key statistics of an empirical video trace, i.e., short- and long-term correlations and rate-distribution, while still retaining mathematical tractability. We devise a queueing analysis method of SL loaded system, named quantization reduction method. This method provides queueing results over all range of queue size, not just an asymptotic solution. Especially, we found that for most available traces its ACF can be accurately modeled by a compound correlation (SLCC): an exponential function in short range and a hyperbolic function in long range. Through extensive numerical experiments, we identify the effects of SRD and LRD in VBR video traffic on queueing performance.
Second, we introduce the concept of cutoff time-scale, the upper bound of the time scale which affects queue buildup. We show that the cutoff time-scale is an increasing function of delay bound and utilization. This theory provides a fundamental guideline for traffic characterization of video traffic for CAC. Extensive experiment with MPEG/JPEG-compressed video shows that the significance of LRD depends on the location the dominant time-scale, which explains the origin of contradictory arguments in the literature. We also present an algorithm that approximates the arrival bound curve with a concave function. This significantly simplifies the calculation in the estimation of the cutoff time-scale and delay bound with little estimation loss.
Finally, we introduce the concept of dominant time-scale and apply it into the standard-compatible UPC parameters selection. While the standard UPC enforcement is based on the dual leaky bucket, i.e., two leaky buckets, the multiple time-scale burstiness requires a large number of leaky buckets for specifying input traffic. The proposed algorithm fills the gap between the traffic specification standards and real characteristics of traffic, by approximating the traffic arrival pattern accurately at the most important time scale, i.e., the dominant time-scale, for call admission decision. Simulation results with MPEG/JPEG compressed video trace show the efficiency of the proposed algorithm in efficient resource utilization.
영상트래픽은 ATM망, 인터넷, 고속무선망과 같은 멀티미디어 네트웍에서 주요한 부하가 될 것이다. 그러나 영상 트래픽의 복잡한 버스트특성과 까다로운 전송품질 요구는 효과적인 트래픽 제어를 어렵게 만들고 있다. 최근 다시간 버스트성과 장구간 상관성으로 정의되는 영상트래픽의 특성이 네트웍 성능에 크게 영향을 주는 것으로 알려져서 연구의 집중이 되고있다.
본 논문은 영상트래픽의 트래픽 제어와 네트웍 설계의 관점에서, 버스트의 시간 준위와 다중와 시스템의 상관관계를 연구하였다. 주요한 연구결과는 장구간 상관성 트래픽 모델, Shifting-Level 과정과 이를 입력으로하는 대기해석 방식을 제안한 것과, 트래픽제에 결정적인 영향을 주는 cutoff 준위(time-scale)와 dominant 준위의 개념과 호수락제어와 사용자변수제어에의 응용을 제안한 것이다.
이 논문은 우선, 영상트래픽의 다시간 버스트성과 장구간상관성의 특성들 트래픽제어의 관점에서 재평가하고, 트래픽 제어의 국제표준 및 최근 연구들의 상관성을 살펴보는 것에서부터 시작한다. 첫번째 결과과로, 장구간 상관성모델인 LRD shifting-level (SL) 확률과정을 제안하고 영상트래픽과의 변수매칭말고리즘을 제안하였다. 이 SL과정은 네트웍성능에 영향을 주는 중요한 특성들, 입력분포와, 단구간, 장구간 상관성을 매칭시키면서도, 수학적 분석(양자화 방식으로 명명)이 가능하다는 장점을 갖고있다. 구체적인 장점으로는 (1) 기존의 모델들과 달리, 전구간에 걸쳐 (2) 주어진 오차한도에서 대기해석 결과를 제공한고, (3) 입력분포와 자기상관도를 독립적으로 매칭시킬 수 있다. 특히, 대부분의 영상트래픽이 단구간에서는 기하함수로, 장구간에서는 쌍곡선함수로 근사화됨을 보였고, 이를 이용하여 각 단구간, 장구간의 상관도가 대기시스템의 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
둘째로, 다중화시스템의 성능을 예측하는데 있어서 최대 입력상관도가 되는 cutoff interval의 개념을 도입하였다. 이는 정적, 동적 호수락제어에 필요한 입력트래픽의 상관도의 범위를 정의한다. 또한, 입력곡선을 위로-볼록한 곡선으로 근사하는 방안을 제안하여, cutoff time-scalel에 관련된 계산을 간단히 하였다. 특히, MPEG/JPEG으로 부호화된 실제 데이터를 사용한 많은 실험을 통하여 LRD의 중요성이 critical time-scale의 위치에 따라 변동되는 것을 보였다. 또한 cutoff time-scale 계념을 SL 모델과 연결하여 트래픽 제어에서의 LRD의 영향을 간단명료하게 설명하였다.
마지막으로, 입력상관도에서 대역할당에 결정적인 영향을 주는 시간 준위인 dominant time-scale 의 개념을 도입하고, 이를 바탕으로 표준 UPC변수를 효과적으로 설정하는 방식을 제한하였다. 제안된 방식은 단지 두 개의 리키버킷을 사용하는 표준UPC와 많은 수의 리키버킷이 필요한 영상트래픽의 다시간 버스트 특성 사이의 상반된 요구를, dominant time-scale에 중점을 두고 근사함으로써 수용한다. 여러 가지 MPEG/JPEG 트래이스를 사용한 결과들은 critical time의 중요성과 제안된 변수설정방식의 성능의 우수함을 보였다.
