CC BY
48
Применение адаптивных алгоритмов управления с использованием временного окна для передачи потоковых данных
В настоящее время активно используются одноранговые приложения для передачи потоковых данных для большого количества пользователей в сети Интернет. Одним из способов сохранения качества передачи данных является механизм РЕС. В работе рассматриваются адаптивные алгоритмы управления избыточностью, позволяющие изменять количество избыточных пакетов в блоке в зависимости от уровня ошибок в канале. Для точной оценки качества передаваемых данных интервал измерения состояния сети контроллером берётся меньше, чем интервал коррекции. В работе проведено моделирование и анализ различных значений интервалов коррекции и измерения с целью выбора их оптимального значения. Вводится понятие временного окна. Описаны разработанные алгоритмы: пропорциональный и пороговый с применением временного окна, обеспечивающие восстановление потерянных пакетов, а также снижающие резкие колебания потерь, возникающие при изменении избыточности. Для оценки эффективности работы алгоритмов вводится понятие выигрыша. Кпоюшв акхар2р, ютоковая Коэффициент потерь пакетов рассматриваемого алгоритма сравнивается с возможными
передача, одноранговые сещ потерями, если бы не использовалась коррекция потерь пакетов. Проведено имитационное
адатишые алпфиты, интервалы моделирование для разработанных алгоритмов, рассмотрены различные разме-ры
управления временного окна, а также варианты изменения весовых коэффициентов.
Емельянов В.Н.,
аспирант, Ижевский государственный технический
университет (ИжПУ),
em.vl@mail.ru
Абилов А.В.,
к.т.н, доцент, Ижевский государственный технический университет {ИжПУ), albert.abilov@mail.ru
Введение
В течение последних лет всё большую популярность приобретают прямые трансляции спортивных событий, телеканалов, передач через глобальную сеть Интернет с использованием одноранговых (Р2Р) приложений. Р2Р-сети способны обслуживать тысячи пользователей, находящихся на больших расстояниях друг от друга. Это возможно из-за того, что каждый узел действует одновременно как сервер и клиент, что позволяет им использовать собственные ресурсы для более эффективной передачи данных.
С целью повышения качества связи используется механизм избыточного кодирования РЕС, где за счёт передачи дополнительных пакетов реализуется возможность восстановления части потерянных данных [1, 2]. Чтобы эффективно расходовалась пропускная способность сети, применяется управление количеством избыточных пакетов.
В данной работе рассматриваются методы по улучшению эффективности алгоритмов управления за счёт правильного выбора интервалов измерения и коррекции в модели многослойного дерева, а также описаны разработанные алгоритмы управления с использованием временного окна.
1. Интервалы измерения и посылки обратной связи
Существует два вида систем управления: разомкнутые системы и системы с обратной связью. Разомкнутая система управления использует только управляющее устройство, чтобы получить желательный ответ и не использует систему с обратной связью. С другой стороны, система с обратной связью использует меру выходного результата (обратная связь), чтобы сравнить его с желательным выходным параметром и таким образом попытаться заставить этот выходной параметр следовать за требуемым значением. Разница между измененным результатом процесса (вывод блока измерения) и требуемым используется как мера воздействия на вход контроллера. Система управления пытается непрерывно уменьшить эту разницу. Поэтому, различие между разомкнутой системой и замкнутой системой в основном в том, что первая всегда действует таким же образом, даже если имеется отклонение требуемого значения выходного параметра [3]. Если система способна адаптироваться к изменениям, то желательно использовать систему с обратной связью. Одними из важных параметров являются периоды измерения и изменения количества избыточных пакетов.
Отклик Отклик
Существует два способа передачи пакетов обратной связи от узла до корня:
1. периодически;
2. по запросу.
В первом случае пакеты обратной связи периодически посылаются в корень по результатам одного или нескольких измерений коэффициента потерь, то есть в общем случае период посылки обратной связи 7} = где Г - номер измерения в узле, /ш - время измерения (Рис.1). Если принять /г= 1, тогда информация обратной связи будет посылаться на каждом измерении. Однако в этом случае краткосрочные чрезмерно быстрые изменения коэффициента потерь в сети могут вызвать очень частые и бесполезные изменения избыточности и намного большее количество пакетов обратной связи. Чтобы избежать этого, возможно ввести разновидность временного фильтра (интегратора), который получается выборкой с периодом /, (период обратной связи), тем самым создавая “временное окно”. Это позволяет скрывать эффект краткосрочных изменений коэффициента потерь. Корень в этом случае собирает параметры коэффициента потерь от различных узлов и приходит к выводу об уровне избыточности, например, на основе порогового критерия. Период обратной связи может быть выбран моделированием. Кроме того, он может вводиться адаптивно и управляться на основе загрузки корня.
Во-втором случае, пакеты обратной связи посылаются от узла к корню по запросу на основе определённого порогового критерия, который реализован в узле. Корень также принимает решение в соответствии с некоторым критерием на основе анализа пакетов, полученных от нескольких узлов. Например, корень может сравнить число запросов об уменьшении избыточности с числом запросов об увеличении избыточности и принять решение в случае доминирования над одним из них.
Далее в работе рассматривается периодическая посылка пакетов ОС. Под периодом измерения понимается только момент времени, в который производится определение коэффициента потерь пакетов. Период измерения потерь (Тт = 1к М) можно выбрать моделированием. Между периодами измерения и посылки обратной связи следует соблюдать соотношение Т,„ < 7}.
При моделировании при условии Т, в несколько раз больше, чем Т„, можно проследить, как изменяется коэффициент потерь пакетов в те промежутки времени, в течение которых управляющий контроллер не изменяет количество избыточных пакетов.
Рис. 2. Зависимость РЬЯ и избыточности от времени для порогового алгоритма управления
Посылка пакета обратной связи от одного узла еще не вызывает решение по управлению для избыточности, так как узлы посылают пакеты обратной связи в корень независимо и, следовательно, асинхронно. Пакеты обратной связи могут испытывать различные задержки. Это означает, в свою очередь, что период управления (продолжительность между созданием решений об уровне избыточности) не может быть синхронным с периодами обратной связи, и периоды обратной связи различных узлов не синхронны также друг с другом, но продолжительность этих периодов, включая период управления, может быть равной или почти равной. Продолжительность периода управления действует как временной фильтр и сглаживает краткосрочные всплески коэффициента потерь отдельных узлов и может также управляться адаптивно. Корень принимает одно из трех решений за каждый интервал управления: избыточность уменьшается, избыточность увеличивается или не изменяется.
2. Моделирование передачи потоковых данных с различными интервалами измерения и коррекции
Для имитационного моделирования приняты следующие исходные данные: используется модель многослойного дерева с 20 ветками; скорость передачи данных - 1 Мбит/с; длина блока - 20 пакетов; общее время измерения - 2500 с.; коэффициент потерь пакетов определяется как среднее арифметическое коэффициента потерь пакетов на узлах всех уровней сети; задержка передачи пакетов не учитывается; в каждом алгоритме управления количество избыточных пакетов ограничено и может принимать значения от 0 до 8 пакетов на блок РЕС(20,12); далее при описании результатов моделирования исходные данные следует считать такими же, если отсутствуют специальные указания.
Для анализа эффективности применяемого алгоритма введено понятие коэффициента выигрыша (Кв) [4], который показывает, во сколько раз средний коэффициент потерь для рассматриваемого алгоритма (РШ^р) меньше, чем коэффициент потерь без применения механизма РЕС (РШШ:с):
Ки = РШтх /Р/Лр, (1)
Количество избыточных пакетов в блоке изменяется только после того, как управляющий контроллер принимает решение на основе принятых пакетов обратной связи. Поэтому интервал измерения никак не влияет на
Время (с)
Рис. 3. Зависимость РИ< и избыточности от времени для порогового алгоритма управления
результирующий коэффициент потерь пакетов в сети, с его помощью можно лучше, подробнее проследить изменения РШ в сети. В то же время Р1Л напрямую зависит от величины интервала посылки пакетов обратной связи. Это можно увидеть на Рис. 2, где Тт= 10 блоков, 77= 1 ООО блоков, и Рис. 3, где Тт= 1 блок, Г^ЮОО блоков. Даже при постоянном значении вероятности потерь пакетов в канале Р\\ коэффициент потерь пакетов будет нестабилен. Отсюда можно сделать вывод, что величина коэффициента потерь, по которой алгоритм управления принимает решение о введении избыточности, есть в значительной степени неопределённая величина и её значение определяется практически волей случая в пределах определённого диапазона.
Если Т/ выбрать очень маленьким, то РШ будет изменяться очень часто, что вызовет сильные проблемы при воспроизведении потока данных. На Рис. 4 показан яркий пример очень частых изменений количества избыточных пакетов, что приводит к резким скачкам уровня потерь пакетов.
Коэффициент потерь не стабилен в те моменты, когда избыточность не меняется, вследствие случайного характера вероятности потерь пакетов (Рис. 2). Если сравнить Рис. 2 и Рис. 3, при более частом измерении видно, что коэффициент потерь пакетов меняется в значительном диапазоне. Даже при постоянном значении вероятности потерь пакетов коэффициент потерь пакетов будет нестабилен. Отсюда можно сделать вывод, что величина коэффициента потерь, по которой алгоритм управления принимает решение о введении избыточности, есть в значительной степени неопределённая величина и её значение определяется практически волей случая в пределах определённого диапазона.
3. Алгоритмы управления с применением
“временного окна”
Чтобы уменьшить резкие изменения коэффициента потерь пакетов, следует усреднить значение коэффициента потерь пакетов на конкретном интервале времени. Тем самым, будет введена своеобразная “память”. Алгоритм управления будет изменять избыточность, руководствуясь усреднённым значением коэффициента потерь пакетов.
Время (с)
Рис. 4. Зависимость РШ и избыточности от времени для порогового алгоритма управления 1,8(шагизм=1 блок, шаг коррекц=10 блоков)
С целью решения задачи по снижению количества резких изменений коэффициента потерь пакетов при увеличении/уменьшении числа избыточных пакетов следует использовать “временное окно”. Аналогичные алгоритмы описаны в работах [5, 6], иногда такие алгоритмы называют интегральными, либо с применением временного фильтра. Принцип работы “временного окна” заключается в следующем: решение в управляющем контроллере принимается не в каждый момент измерения состояния сети, а только по результатам нескольких последних таких измерений. Таким образом, алгоритмы с временным окном можно представить следующей формулой:
/?=/?,,+/?] ;+яе(с), (2)
где Л0 — начальное значение избыточности, е(1) - измеряемый уровень ошибок, / - начальный момент времени, п — число моментов контроля, входящих во временное окно,/? - интегральный коэффициент.
Механизм временного окна можно использовать в совокупности с каким-либо адаптивным алгоритмом управления коррекцией потерь пакетов. Таким образом, подсчёт измеряемою коэффициента потерь пакетов будет производиться за “временное окно”, по полученному результату принимается решение об изменении количества избыточных пакетов в соответствии с используемым алгоритмом управления.
4. Пропорциональный алгоритм управления
с временным окном
Пропорциональный алгоритм управления с использованием временного окна, где параметр /? равен числу моментов контроля, можно описать формулой:
Л = Л0 + /7^ а{РЬЯч - РШп), (3)
где а - пропорциональный коэффициент.
На Рис. 5 показана блок-схема, описывающая
принцип работы данного алгоритма.
Рис. 5. Блок схема пропорционального алгоритма с ВО
Рис. 6. Блок-схема порогового алгоритма с ВО
5. Пороговый алгоритм управления
с временным окном
Аналогично используется пороговый алгоритм совместно с временным окном. Вначале происходит накопление информации обратной связи, по полученному результату происходит вычисление нового значения избыточности. Блок-схема данного алгоритма представлена на Рис. 6.
Для сравнения эффективности предложенных алгоритмов проведено имитационное моделирование. Интервал измерения равен интервалу коррекции, они составляют 10 блоков. Временное окно составляет 10 интервалов измерения. В данном случае а = 15, /? = 1/М, где М- количество интервалов измерения за ВО.
В первом эксперименте по синусоиде изменяется вероятность потерь пакетов в канале, интенсивность отключений узлов постоянна. Результаты представлены на Рис. 7 и Рис. 8. Для пропорционального алгоритма управления коэффициент выигрыша составил 2,761 ±0,015, для порогового - 2,766±0,013. При этом необходимая средняя пропускная способность составила — 1,137 Мбит/с и 1,138 Мбит/с соответственно, что практически одинаково. Данные алгоритмы имеют практически одинаковые результаты, в то время как без применения ВО пороговый алгоритм показывает существенно
Рис. 7. Зависимость Р1.Я и избыточности от времени для пропорционального алгоритма с временным окном
0С*«"(С)
Рис. 8. Зависимость Р1.Н и избыточности от времени для порогового алгоритма с временным окном
лучшие результаты [6]. На рисунках видно, что резкие изменения Р1Я сохраняются. Временное окно запоминает потери за определённый интервал времени и способно бороться даже с высоким уровнем потерь (когда вероятность потерь пакетов уменьшается), но после того как временное окно сместится в зону с низкими потерями (там, где имеет малое значение Рц), применяемой избыточности не хватает для успешной коррекции.
Для большей наглядности интересен случай резких импульсных изменений вероятности потерь пакетов в канале, чтобы выяснить каким образом влияет временное окно на процесс коррекции. На Рис. 9 и Рис. 10 показаны результаты моделирования для порогового алгоритма с ВО, в первом случае длина импульса составляет 2000 блоков, во втором 500 - блоков. Временное окно равно 1000 блоков. В обоих случаях сохраняются резкие изменения амплитуды колебания коэффициента потерь пакетов, даже когда вероятность потерь пакетов не изменяется. При чём во втором случае, когда длительность временного интервала превышает время импульсов, контроллер через некоторое время стабилизирует количество избыточных пакетов, система работает как при фиксированном ИЕС. В результате видно, что даже временное окно не способно обеспечить плавные изменения РШ, хотя количество резких всплесков значительно снижается.
Рис. 9. Зависимость РШ и избыточности от времени для порогового алгоритма с временным окном при импульсном изменении Рц (длина импульса 2000 блоков)
Коэффициент выигрыша для пропорционального алгоритма с ВО составил 3,47±0,04, в то время как для порогового с ВО — 3,48±0,03. Как видно из результатов никакой разницы между данными алгоритмами нет. При этом Кн увеличился в 1,26 по сравнению со случаем, когда параметр р = М.
Заключение
Применение адаптивной коррекции потерь пакетов позволяет восстановить искажённые пакеты. При этом очень важно знать моменты времени, в которые требуется измерять коэффициент потерь и изменять избыточность. Иначе можно вводить излишнюю избыточность, либо наоборот, алгоритм управления будет считать, что потерь нет, в то время как качество связи требуется улучшать.
Моменты измерения необходимы для оценки качества передаваемых данных. Если детально проследить за изменениями коэффициента потерь пакетов, то будет видно, что он изменяется очень часто и резко. Поэтому нельзя брать за основу значение РШ в один конкретный момент времени для того, что принимать решение об изменении количества избыточных пакетов в блоке. Для качественной оценки потерь в сети следует брать усреднённое значение РШ за определённый промежуток времени - временное окно.
В работе представлены пропорциональный и пороговый адаптивные алгоритмы управления с использоваии-
ем ВО. Они позволяют улучшить качество передаваемых данных, но существенной разнице в результатах их работы нет. С целью увеличения помехоустойчивости данных алгоритмов следует принимать коэффициент [І больше единицы.
Литература
1. Padmanabhan V.N., Wang H.J., Chou Р.А., Sripanidkul-chai К. Distributing streaming media content using cooperative networking // ACM/IEEE NOSSDAV. - Miami, FL, USA. - May, 12-14 2002.
2. Dan G., Fodor V. Karlsson G. On the asymptotic behavior of the end-point-based multimedia streaming, to appear in Proc. of International Zurich Seminar on Communications, Feb. 2006.
3. Martins de Carvalho J.L. Dinamical Systems and Automatic Control, Prentice Hall International. ISBN 0-13-221755-4.
4. Emelyanov V., Abilov A. Robustness of multiple-tree-based P2P streaming networks // Proceedings of the 2"d Forum of Young Researchers in the Framework of International Forum “Education Quality - 2010”. - Izhevsk, Russia, 2010. - P.331 -339.
5. Sanchez I.S. On adaptive forward error correction for real time traffic. Master’s Degree Project, KTH, Stockholm, Sweden, 2004.
6. Емельянов B.H., Павлова М.М. Адаптивные алгоритмы коррекции потерь пакетов в одноранговых сетях передачи потоковых данных // Интеграция науки, образования и производства-2010. Приборостроение в XXI веке. Сборник материалов VI Всероссийской научно-технической конференции (Ижевск 7-9 декабря 2010 г.). - Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2011.-С.216-222.
IMPLEMENTATION OF ADAPTIVE CONTROL ALGORITHMS WITH TEMPORARY WINDOWS FOR DATA STREAMING
Emelyanov V.N., em.vl@mail.ru,
Abilov AV., albert.abilov@mail.ru.
Abstract: At present time, peer-to-peer applications widely used for streaming data delivery to multiple users in the Internet. One way to preserve the quality of data transmission is the mechanism of FEC. This paper deals with adaptive control algorithms of redundancy, that allow you to change the number of redundant packets in a block depending on the level of errors in the channel. To accurately assess the quality of the transmitted data control measurement interval of state of the network is taken less than the interval of correction. In this paper different values of the correction and the measurement intervals modeled and analysed in order to select their optimal value. Introduced the concept of time window. We describe developed algorithms: proportional and threshold with a time window to ensure recovery of lost packets and reduce the sharp fluctuations of losses that arising from a change of redundancy. To evaluate the effectiveness of the algorithms we introduce the coefficient of winning. Packet loss coefficient of the algorithm is compared with potential losses, if packet loss correction is not used. Performed simulations for the developed algorithms are considered different sizes of time window, as well as options for changing weights.
Keywords: p2p, streaming, peer to peer networking, adaptive algorithms, control intervals.
