Передача данных "видео по запросу" интернет-телевидения с применением гибридного механизма Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 631.394

М. С. Гергес

Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича

I Передача данных "видео по запросу" Интернет-телевидения с применением гибридного механизма

Предложена гибридная схема передачи данных при предоставлении мобильной услуги IP-телевидения по запросу через широкополосную сеть доступа. Алгоритм использует механизм, объединяющий многоканальную и многоадресную передачу данных и одноадресную схему, что не только уменьшает вероятность блокирования сервиса, но и позволяет сузить полосу пропускания, необходимую для сетей IP-телевидения.

IPTV, многоадресная передача, одноадресная передача, видео по запросу

В настоящее время широко распространена передача видео по запросу (video on demand - VoD) через одноадресную IP-сеть. Одноадресная передача выполнима при достаточной пропускной способности сети или при низкой интенсивности входящего потока запросов обслуживания. Однако в реальной жизни запросы на передачу видео поступают не столь равномерно, и потому часто возникает скопление запросов на один и тот же контент, а в особых случаях - всплеск запросов. Такие ситуации крайне неблагоприятны для серверов одноадресной передачи (unicast transmission servers), поскольку емкость сервера ограничена его конфигурацией, что повышает вероятность блокировки. Сочетание многоадресной рассылки часто запрашиваемого видео многочисленным получателям и одноадресной рассылки менее популярного видео позволяет уменьшить вероятность этой блокировки.

Категории видеоуслуг. Чтобы поддерживать значительное число клиентов, необходимо найти решения, позволяющие эффективно использовать ресурсы передачи информации от сервера к клиенту. Предложенная в [1] схема многоканальной многоадресной передачи базируется на концепции скоростной передачи данных (fast broadcasting - FB), реализованной в сети кабельного телевидения как сервис типа VoD (near-VoD). В отличие от телевизионного вещания поток IP-телевидения должен доставляться до каждого конкретного пользователя по сетям доступа. В этих условиях для предоставления часто запрашиваемого контента и обеспечения эффективного способа передачи разнообразного мультимедийного потока принята концепция многоканальной передачи на основе концепции WiMax (стандарт IEEE 802.16e). В рамках указанной концепции поддерживаются как одиночные базовые станции (single base station - SBS), так и множества базовых станций широкополосного доступа (base station multibase service - BS MBS), работающих в одночастотной сети (single frequency network - SFN). Выбор контента, передаваемого по многоканальной многоадресной технологии, осуществляется по методу адаптивного распределения ресурсов, который дает самую низкую вероятность блокировки.

Сценарии обслуживания IPTV-видео по запросу. Согласно сценарию обслуживания IPTV-сектора по стандартам Международного союза телекоммуникаций (ITU) [2] услуга VoD определяется как видеосервис, который позволяет конечному пользователю выбирать и просматривать видео в любой момент времени. Конечный пользователь имеет полную сво-44 © Гергес М. С., 2011

Рис. 1

боду выбора просматриваемого контента (до начала и во время просмотра). Предложенный сценарий услуги видео по запросу IPTV предусматривает следующие операции (рис. 1).

Контент видео с его метаданными (metadata) и данными защиты контента (content protection data), которые созданы и контролируются провайдером контента (content provider), передаются поставщику услуг (service provider).

Поставщик услуг готовит контент для провайдера контента.

После выбора конечным пользователем видео к поставщику услуг отправляются за-прос(ы) и уведомление, отправляется ли в данный момент требуемое содержание в многоадресном режиме или нет:

1) если многоадресный поток виртуального интерфейса уже существует, сервер сообщает потребителю групповой адрес многоадресного видеопотока, после чего потребитель может присоединиться к многоадресному потоку передачи. Эта процедура может включать в себя переговоры относительно условий обслуживания (например, определение параметров качества услуги, цены, режимов упаковки данных и т. д.);

2) если многоадресный поток передачи видео еще не создан, поставщик услуг взаимодействует с сетью и с помощью функции управления интенсивностью обновления вновь поступающего видеопотока определяет, является ли контент часто запрашиваемым или нет (т. е. достигнута ли определенная интенсивность поступления запросов на данное видео). Если видео не является часто запрашиваемым, то оно передается в одноадресном режиме. Если же это часто запрашиваемый контент, контроллер множества базовых станций (MBS controller) запускает алгоритм многоканальной передачи контента.

После определения или формирования потока передачи видео поставщик услуг предоставляет информацию доступа к контенту (например, многоканальный адрес передачи,

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 5======================================

который будет использоваться при передаче контента), по которому конечный пользователь может получить видео.

Предложенный алгоритм. Полная архитектура мобильной IPTV VoD-сети с множеством BS представлена на рис. 2. Стандарт WiMax определяет два типа MBS-доступа: через одну BS и через их группу. Группа BS создает зону MBS в мобильной WiMAX-сети. BS может синхронно передавать многоадресные данные с идентификатором соединения (connect identificator - CID) и обеспечивать защиту при передаче данных в пределах своей MBS-зоны. Если все BS находятся в одной зоне MBS, то всем им для одного многоадресного MBS-потока присваивается один и тот же многоадресный CID (MCID), поэтому для мобильных станций (mobile station - MS) не требуется быть зарегистрированными на какой-нибудь BS. Более того, MBS-доступ позволяет всем MS для доступа к группе BS иметь одинаковый многоадресный идентификатор соединения во время вещания внутри одной MBS-зоны, поэтому MS может получать MBS-пакеты, когда они проходят через эту MBS-зону.

Сеансом MS называется логическое соединение, установленное между MS и диспетчером MBS, при котором MBS-программа доставляется пользователям. Диспетчер MBS создает и сохраняет информацию о сеансе связи. Он также передает пакеты от сервера распределения контента (content distribution server - CDS), обеспечивая разделение контента на сегменты для доставки многоадресного VoD-контента через одноадресный канал без нарушения нормативов времени задержки запуска контента (startup delay - sd) * (согласно рекомендации ITU-T G.1010e [3] sd < 10 с).

Рис. 2

* С ростом количества запросов допустимое время задержки запуска контента уменьшается, что приводит к разбиению потока на большее число меньших по объему сегментов.

Предположим, что сформированы I фрагментов видео с длинами Ц, / = 1, I. При многоканальной многоадресной передаче число каналов П/, необходимых для передачи /-го фрагмента видео с размером Ц при условии задержки sdi определяется

как п - [1о§2 (Li|sdi+1)], где ] - символ

n1

n2

n3

sdi

sd2

sd3

4

4

о

<o «

S «

Л

н о о к

ч £

о

а

Рис. 3

получения целого числа, не меньшего аргумента (рис. 3). Это уравнение адаптировано для расчета минимальной задержки запуска и первоначально использовалось при FB.

После расчета числа каналов CDS делит данный контент на N = 2n -1 сегментов.

Модель системы и численный анализ. Чтобы проанализировать предложенный механизм, рассмотрим группу из Kвидеофрагментов V\, ..., Vk, каждый длиной L с интенсивно-

стями запросов А1, ..., А к соответственно, которые передаются через C каналов. Кроме того,

примем, что Xfr <Хр, 1 < k < p < K, т. е. популярность фрагментов увеличивается с ростом

индекса так, что V - наименее, а Vk - наиболее популярное видео. Частота запросов контента

отражает уровень его популярности, который определяется поставщиком услуг на основе статистических данных и стратегии обслуживания провайдера. В результате провайдер выделяет из общего количества K фрагментов K - m наиболее популярных, для передачи которых требуется Mканалов, и m менее популярных, передаваемых по оставшимся C - Q каналам.

Рассматриваемая система доставки видео при математическом моделировании рассматривалась как система массового обслуживания, описываемая в системе обозначений Кендалла-Ли четверкой M/M/C/C, где первое M указывает на пуассоновское распределение потока входных фрагментов, второе M - на экспоненциальное распределение времени доставки, третий элемент - переменная C - указывает количество каналов доставки, а четвертый - переменная C - количество получателей. Подобная модель описывается цепью Маркова. На рис. 4 представлена диаграмма состояний для предлагаемой схемы, где C -

K—m _

количество каналов доставки; ц = ^ P^ - средняя интенсивность обслуживания (aver-

i=1

K

age service rate), причем Pi = XJ ^ ^ ; И = 1L.

/ j=1

K-m

I h

i=0

K-m i=0

K-m

I

i=0

K-m

I hi i=0

K-m

I hi i=0

K-m

I hi i=0

Рис. 4

K-m

I hi i=0

L

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

2

2

2

Для рассмотренной цепи можно считать, что запросы на видео поступают в соответствии с 21р1-распределением [4], а вероятность потерь данных при передаче контента определяется по формуле Эрланга в пространстве £ состояний (£ = {х| 0 < х < С}, где х -среднее число соединений). Вероятность того, что существует одноадресный поток, определяется как

Рх =

К - т х-1 2 ^

Ро Пт^ = Р0

7

=0 (] +1) Ц

К - т

(1/Ю 2

I=1

1 0 < х < С - 0; х!

К - т

(1/Ю 2

I=1

Р0 0, х > С.

(V Ц) 2

I =1

С - х

1 С - 0 < х < С; х!

С " С ' 7 ■ 1

Для соблюдения условия нормировки примем Р0 = ■ X (1Р) X Ь

и=0 _ I =0 _ 7!

Вероятность блокировки определим как р^ =

>с-0

'(С - 0 )!

с-0 ц

Е р7; !

I=0

, где р =

К - т _

I ЬР

I=1

К - т _

I ЪР

I=1

УоБ-система делит контент на две подгруппы - популярное и непопулярное видео -так, что первой из них назначается 0 каналов для многоканальной многоадресной передачи, а второй назначаются остающиеся С -0 каналы для одноадресной передачи. Минимальная вероятность блокирования мобильной беспроводной системы определяется как

ч-Г

рш1и (С, 0 ) = ш1п

0<0<с

[рС-0/(С -0)-] №еЧ>!

I=0

. На основании этой формулы можно

определить оптимальное число каналов, необходимых для передачи видео с рассчитанным выше показателем прибытия при минимизации полосы пропускания.

Введем модель размера стоимости услуг/штрафа поставщика услуг, чтобы определить ожидаемый доход поставщика 1РТУ-услуг. Примем, что при обслуживании в сети 1РТУ УоБ-запроса базовой станции без возникновения блокировки поставщик услуг получает за оказанные услуги доход Я, а при блокировке запроса он теряет доход в размере Ь. Тогда если в единицу времени система оказывает услуги в среднем N клиентам и отклоняет запросы М клиентов, то доход системы составляет 1пс = NR - 0Ь.

Г ; / . л

С

Полный доход системы определится как 1пс^ = I

I=1

Vя с

Р /I!

- ЬХ

РС/С!

С ■ / ' I Рг/'! 7 =0

I Р7'!

7=0

Анализ выполнения. На рис. 5 представлены графики сравнения количества сеансов передачи популярного видео в мультиадресном режиме 8п с передачей одноадресно-

48

х

1

Рис. 5 Рис. 6

го видео £1 в зависимости от объема выделенного контента v, основанное на вычислении оптимального количества передаваемого в мультиадресном режиме видео. Из этих графиков следует, что при обслуживании очень популярного видео с помощью многоканальной системы передачи требуется намного меньше сеансов, что позволяет улучшить производительность всей системы с точки зрения уменьшения вероятности блокировки VoD-запроса [4]. При расчете диаграмм на рис. 5 приняты следующие значения параметров: сервер MBS может обслуживать 300 параллельных каналов и 100 запросов, средняя длина которых 90 мин (5400 с); частота запросов f3 изменяется от 5 до 20 Гц и рассчитывается

для Zipf-распределения, коэффициент искажения 0.271.

Предложенный адаптивный метод позволил найти распределение ресурсов, минимизирующее вероятность блокирования обслуживания. На рис. 6 представлена вероятность блокировки при разных показателях потока запросов (request rates - rr), при передаче контента в количестве, изменяющемся от 1 до 25, как и в ранее рассмотренной модели. Анализ результатов показывает, что лучшая производительность передачи видео по многоадресным каналам за несколько сеансов осуществляется при передаче восьми особо популярных видео. Этот результат определяет, сколько контента нужно доставить для оптимальной работы канала передачи.

Основываясь на предыдущем распределении контента, сравним возможность возникновения блокировки сервиса при старом и предложенном механизмах передачи контента. Как можно видеть на рис. 7, вероятность блокировки растет с увеличением скорости передачи пакетов Vjnq. Замечено, что при времени обслуживания менее 3 мин клиенты не ощущают задержки в поступлении видео, однако при увеличении времени обслужи-

вания блокировка сервиса становится более заметной. В этом случае предложенный алгоритм обеспечивает более низкую вероятность блокирования.

Оценим выгодность каждой схемы с точки зрения поставщика IPTV-услуг. На рис. 8 показаны результаты, полученные с использованием модели расчета вознаграждения/штрафа поставщика услуг. Предполагалось, что при успешной работе базовой станции за передачу одного VoD IPTV без блокирования система получает вознаграждение в размере $10. В противном случае, если отклоняется запрос пользователя, поставщик услуг сразу же теряет $ 5. Поскольку трафик растет, доход, полученный при использовании каждого из этих алгоритмов, немного уменьшается из-за вероятности блокировки услуги. Когда контент пользуется большим спросом (например, популярная спортивная игра или фильмы), предложенный алгоритм может обеспечить более высокий доход.

В настоящей статье рассмотрен новый алгоритм, который позволяет быстро оказать мобильную услугу через широкополосную беспроводную IPTV-сеть. Предложенный алгоритм объединяет одноканальный и многоканальный многоадресный механизм передачи, что не только уменьшает вероятность блокирования сервиса, но и снижает нагрузку на полосу пропускания системы. При анализе выполнения предложенного алгоритма была использована одномерная модель цепи Маркова. На основе численного анализа было произведено сравнение результатов работы уже существующих одноканальной и многоканальной схем передачи видеоконтента с предлагаемой в данной работе схемой. Анализ показал, что предлагаемая схема передачи видеоконтента позволяет уменьшить вероятность блокировки сервиса благодаря использованию для передачи контента широкополосной беспроводной сети. Кроме того, уменьшение вероятности блокировки сервиса позволит провайдеру получить более высокий доход.

Список литературы

1. Juhn S. Fast data broadcasting and receiving for popular video service // IEEE Trans. on broadcasting. 1998. Vol. B-44, № 1. P. 100-105.

2. Wireless IPTV over WiMAX: challenges and applications / F. Retnasothie, M. Ozdemir, T. Yucek et al. // Proc. of IEEE wireless and microwave technology conference, December 2006, Clearwater, Florida. New York: IEEE, 2006. P. 1-5.

3. Pavel M., Robert B. WiMAX performance evaluation // Proc. of 6 Int. conf. on networking, 22-28 April 2007, Washington, USA. Washington, DC: IEEE computer society press, 2007. P. 17-21.

4. Chen W., Lee Y. T. A broadcasting scheme with supporting VCR functions for Near Video-on-Demand systems // Computer communications. 2006. Vol. 29. P. 257-267.

5. Гергес М. С. Улучшение схемы передачи IPTV-VoD в широкополосных сетях // Материалылы 63-й науч.-техн. конф. Санкт-Петербургского гос. ун-та телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, 21-21 февр. 2011 г., Санкт-Петербург. СПб.: СПБГУТ, 2011. С. 186-187.

M. S. Gerges

Saint-Petersburg state university of telecommunications n. a. prof. M. A. Bonch-Bruevich Improving IPTV on-demand transmission scheme for broadband network

Proposed algorithm utilizes hybrid mechanism which combines multi-channel multicasting and unicast scheme to enhance not only service blocking probability but also reduce overall bandwidth consumption of the IPTV networks.

IPTV, multicast, unicast, video on-demand

Статья поступила в редакцию 24 марта 2011 г.

50