CC BY
44
21 декабря 2011 r. 16:55
"Инфокоммуникачионно-управленческие сети. Расчет и оптимизация систем связи"
К моделированию трафика услуг IP TV с учетом массовой миграции пользователей в периоды рекламных пауз Equation Section (Next)
Рассматривается модель звена сети доступа, по которой пользователям предоставляются услуги IP TV, реализованные на базе технологий мультивещания с использованием кратковременных одноадресных соединений для ускорения процедуры переключения каналов. Исследуются требования к ширине полосы пропускания в периоды рекламных пауз, которые характеризуются массовыми миграциями пользователей между каналами - так называемым канальным серфингом (англ. channel surfing).
‘Робота выполнено при поддержке РФФИ (грант 10-07-00487-а).
Ключевые слова: вещательное телевидение, мультивещание, переключение каналов.
Щукина О.Н.,
старший преподаватель кафедры системы телекоммуникаций РУДН, [email protected]
Введение
Передача вещательного телевидения по IP-сетям (IPTV) требует от провайдера обеспечения должного уровня качества обслуживания и качества восприятия пользователем предоставляемых услуг (ант. QoE, Quality of Experience), одним из ключевых факторов которого является время переключения канала (англ. Channel switching time, также Channel zapping time). Согласно исследованиям [1 ], для 1 ООО пользователей интерактивного телевидения время переключения канала в период наблюдений варьировалось от 0,9 до 70 секунд. При этом величина задержки начала трансляции уже в 1 -2 секунды может быть для пользователя неприемлемой. Для ускорения указанной процедуры разработан ряд технологий, часть из которых предполагает совместно с мультиве-щрнием, лежащим в основе передачи трафика вещательного телевидения, использование также одноадресного трафика для передачи пользователю кратковременных потоков данных с целью ускоренного заполнения буфера телевизионной приставки. Однако необходимо отметить, что использование подобного подхода влечет за собой значительное повышение нагрузки на сеть в периоды показа рекламы, когда одновременно большое число пользователей начинает переключаться между каналами.
Таким образом, актуальной является задача исследования требований к пропускной способности в периоды повышенной нагрузки на сеть. В статье строится имитационная модель звена сети доступа, по которой пользователям предоставляются услуги IP TV. Моделируется период рекламной паузы и анализируются требования к пропускной способности звена сети.
1. Технологии для ускорения процедуры переключения каналов IP TV
Время переключения канала, определяемое как время с момента запроса пользователя до начала воспроизведения потока принимающим устройством пользователя -телевизионной приставкой (англ. STB, Set Top Box) - складывается из трех основных компонент [2]:
- передача сообщений leave/join протокола IGMP (Internet Group Management Protocol) для сетей на базе IPv4 или MLD (Multicast Listener Discovery) для сетей на базе IPv6;
- время заполнения буфера принимающего устройства;
- время декодирования потока принимающим устройством.
Значения этих компонент зависят от применяемых сетевых технологий, доступной пропускной способности, а также технологий кодирования сигнала и защиты от ошибок. Для сокращения задержки, вызванной каждой из указанных компонент, разработан ряд подходов. Одним из вариантов являются аналогичные кабельному телевидению широковещательные трансляции каналов (англ. broadcast streams), однако при этом основные ограничения реализации накладываются пропускной способностью сети доступа. В (3) предложена технология подключения группы смежных каналов (англ. adjacent multicast ¡oin), согласно которой при запросе пользователем канала под номером // на шлюз сети доставляются также потоки каналов //±1, //±2 и тд., в зависимости от пропускной способности участка сети. С большой вероятностью при следующем переключении пользователь выбирает один из этих каналов. Дальнейшее развитие технологии, описанное в [4], предполагает статистический выбор дополнительно подключаемых каналов. Кроме того, на каждом уровне сети при этом формируется список предпочитаемых каналов, которые транслируются постоянно. Ряд методов основан на передаче на телевизионную приставку пользователя кратковременных одноадресных потоков трафика на скорости, значительно превышающей скорость стандартного потока мультивещания, что позволяет быстрее заполнить буфер телевизионной приставки и начать просмотр канала. Данный подход лежит в основе технологии быстрого переключения каналов (англ. RCC, Rapid Channel Change) от компании Cisco, предложенной в рамках технологии VQE (Visual Quality Experience) [5], и мгновенного переключения каналов (англ. ICC, Instant Channel Change) от компании Microsoft, разработанной для поддержки Microsoft TV [6]. Потоки видеоданных кэшируются на специализированных серверах - VQE-серверах, работающих не сетевом уровне, или серверах смены каналов (англ. Channel change server, также Distribution server), соответственно. По запросу теле-
168
визионной приставки с ближайшего сервера пользователю одноадресно направляется RTP-поток трафика (англ. Real-time Transport Protocol), несущий данные только что выбранного пользователем канала. После того, как буфер телевизионной приставки заполнен, и пользователь начинает просмотр, приставка переключается на многоадресный поток. Помимо ускорения процедуры переключения каналов, последние из указанных технологий используются также для коррекции видеосигнала - еще одной серьезной проблемы, с которой сталкиваются разработчики и поставщики услуг IP TV. При обнаружении потери пакетов телевизионная приставка запрашивает их повторную передачу, ошибка автоматически устраняется путем передачи недостающих пакетов, которые возвращаются на свое место приставкой без ущерба для воспроизводимого видеоизображения. Весь цикл корректировки длится доли секунды и остается незаметным для пользователя.
Вариант реализации архитектуры сети IP TV с использованием технологии ICC показан на рис. 1. Конечные пользователи подключены к мультиплексору доступа цифровой абонентской линии (англ. DSLAM, Digital Subscriber Line Access Multiplexer), который, в свою очередь, подключен к граничному маршрутизатору. Трафик мультивещания от сервера IP TV поступает как к конечным пользователям, так и на сервер переключения каналов, где он кэшируется и при необходимости передается на телевизионную приставку с помощью кратковременного одноадресного потока.
С ервер переключения
Т елевн»ион мая \
Сервер IP TV
iil
I раничныи
маршрутизатор
----► График мулыивешания
» Одноадресный график ► Служебная информация
Рис. 14. Архитектура сети 1Р ТУ на базе технологии 1СС
Данная реализация обладает, однако, и существенным недостатком - если одновременно большое число пользователей переключаются между каналами, го объемы одноадресною трофика растут, повыиая нагрузку на сеть Массовый переход пользователей может быть вызван в чостности, трансляцией рекламы, которая зачастую омхронизирована и начинается на нескольких каналах одновременно. Периодичность этого явления означает, что проект^юваь*« звек>ев сети должно учитывать эти кратковременные всплески требовали к пропускной способности.
Аналитические методы проектирования звеньев сети обычно предполагают исследование требований к пропускной способности в часы наивысшей нагрузки в сети, при этом нагрузка может считаться постоянной. В такие периоды применение многоадресной рассылки значительно снижает объемы 1РТУ-трафика по сравнению с одноадресной рассылкой. Однако требования 1РТУ-трафика к пропускной способности звеньев сети в устойчивом состоянии не показывает всей картины в целом, в периоды рекламы может наблюдаться существенное увеличение объема трофика. Ниже, с учетом результатов работы [7] исследована модель звена сети доступа (звена между
мультиплексором 051АМ и граничным маршрутизатором), по которой провайдер 1Р ТУ предоставляет пользователям два типа трафика:
- многоадресный для доставки видеоданных;
- одноадресный для ускорения процедуры переключения каналов.
Исследуются требования к пропускной способности звена сети в период рекламной паузы.
2. Модель поведения пользователя в период рекламной паузы в виде обрывающегося процесса восстановления
Модель строится исходя из следующих предположений:
- провайдер 1РТУ предоставляет пользователю \/ телевизионных каналов различного качества;
- в ответ на запрос пользователя на просмотр канала на телевизионную приставку вначале направляется одноадресный поток трафика, после заполнения буфера телевизионной приставки пользователь подключается к многоадресному потоку;
- время заполнения буфера телевизионной приставки фиксировано, не зависит от скорости канала и равно Г;
- реклама на всех телевизионных каналах синхронизирована и начинается и заканчивается одновременно;
- в период рекламы новые пользователи не подключаются;
- в момент начала рекламы пользователь с вероятностью а решает переключиться на другой канал и переключается на него через некоторое случайное время, после чего процесс выбора повторяется;
- процесс переключения каналов любой из пользователей заканчивает не позднее момента завершения рекламы.
Рассмотрим период рекламной паузы, который начинается в момент времени 0 и оканчивается в момент Т. Пусть на начало указанного периода в системе находилось П заявок (пользователей), причем для простоты полагаем, что новые заявки в систему не поступают, и их суммарное число не изменяется.
Заявка пользователя на просмотр телевизионного канала под номером ш может находиться в одном из двух состояний:
- (/.///), если она обслуживается как многоадресные соединения;
” (II.ш). если она обслуживается как одноад-
ресные соединения.
В состоянии П/,т) заявка занимает условных единиц канального ресурса (ЕКР), в го время как все заявки, находящиеся в состоянии (/.///), делят Ьш ЕКР, не требуя
дополнительных ресурсов. Предполагается, что емкость звена сети не ограничена, и потерь заявок не происходит.
Обозначим и'Д/) число (/.ш)-заявок в системе в момент времени /, 16 {/.//}, ....\/|» и пусть
!»'(/)«(/)• Тогда для любого момента /е[<>.7']
дГг= 1
справедливо: ,/'(/)+и" (/)=«• Предложим также, что
169
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО -ОБЩЕСТВА
п11 (п) =о, то есть в начальный момент времени все заявки находятся в одном из состояний (/.///). т € {1... ..\/}
В момент времени 0 в системе порождаются п обрывающихся процессов восстановления (см., например, [8]) по числу находящихся в системе заявок. Зафиксируем некоторую заявку и рассмотрим соответствующий ей процесс, который задается последовательностью моментов восстановления /7- } , причем Т0 =0- Величина Тк с вероятностью
I * Ь><»
I - </ принимает значение эс, и тогда процесс оканчивается с вероятностью единица, а момент обрыва
Т = тт |чир{г4
Обозначим
к:Т> £Г
последний момент
восстановления перед обрывом процесса. Введем также последовательность интервалов ук = Тк к = 1...А', между соседними моментами восстановле-
ний. Случайные величины )'к независимые одинаково распределенные.
Пусть в момент Т0 заявка находилась в состоянии (/.///„) •
Далее, в момент ¡Г-о она переходит в состояние (II.п^), где находится время //( = тіп{г.}’}/ занимая при этом ЕКР. В случае, если > г, заявка в момент Г, + г освобождает занимаемые ей ресурсы и переход ит в состояние (/. ),
присоединяясь к обслуживанию других заявок того же типа, либо, в случае их отсутствия в системе, занимает /, ЕКР. Далее в момент 7*, -О заявка переходит в состояние (//./и,), и процедура повторяется вплоть до момента ТК -0, когда заявка в последний раз меняет состояние на (ІІ.інК), и затем через время Г переходит в состояние (1.Шк), в котором и
находится до момента времени 7 . Поясним процесс перехода заявок. Пользователь, переключаясь во время рекламной паузы с канала на канал, получает кратковременный одноадресный поток трафика, при этом если он задерживается на канале дольше, чем время заполнения буфера телевизионной приставки, то происходит переключение с одноадресного потока на поток мультивешания. Длительность процесса выбора канала ограничивается временем рекламной паузы. Обрывающийся процесс восстановления } , соответствующий
I * Ьй. г
обслуживанию запросов выделенного пользователя в период рекламной паузы, проиллюстрирован на рис 2.
*і Уг П Ъ У к
Н^т і^-г
▼ 1 г 1 Г 1 і ™ га : Т 1
Г0-о г, т2 г, гм тк V, ТК т
Рис. 2. Обрывающийся процесс восстановления, описывающий обслуживание запросов пользователя в период рекламной паузы
3. Построение имитационной модели звена сети доступа
При моделировании звена сети доступа, по которой пользователям предоставляются услуги 1Р ТУ, следует
рассматривать как периоды просмотра каналов - периоды трансляции телевизионных передач, когда поведение пользователей можно считать стабильным, так и периоды рекламы, когда значительная часть пользователей одновременно начинает переключение каналов. Таким образом, временная ось разбивается, соответственно, на интервалы .у,./?,) и как проил-
люстрировано на рис.З.
Период рекламы
Период просмоіра
Рис. 3. Периоды просмотра каналов и периоды рекламы
Для анализа требований к пропускной способности сети в периоды просмотра можно использовать модели и рекуррентные алгоритмы, разработанные в [9, 10,
11 ]. Для моделирования периода рекламы определим индикаторную функцию {*(!)• которая принимает значение 0, если в момент / заявка под номером / находится в состоянии (/.•), и значение 1, если она находится в состоянии (//.•)■ Тогда (1) задается следующим образом:
0.7;, £/< Г/.
/■'(/)= ¿1<тк' + н{.к = \..А'Л 1,1
О.Тк'+Н{ йкГ^,.к-1......АУ.
где индекс / ставит обрывающийся процесс восстановления в соответствие запросам /-го пользователя на просмотры каналов, / € ¡|. . Кроме того, для удоб-
ства записи доопределим значение 7^ , = Т •
Далее введем функцию с. (г) числа приборов (числа ЕКР), на которых обслуживается заявка под номером /:
<1<т^г к - 1....К>. (2)
Теперь число ЕКР, занятых в момент времени /, может быть расчитоно по формуле
с(,)=2л(,)/'(,)+Е*<»н ("»('))' (,^'<7 • ,3*
}-\ т=1
Для иллюстрации проведем моделирование периода рекламы для звена сети со следующими исходными данными: 400 пользователей услуг мультивещания имеют доступ к 100 каналам телевидения, при этом только 200 пользователей активны - просматривают каналы, но телевизионные приставки остальных также включены. Популярность телевизионных каналов распределена по закону Ципфа [12], который утверждает, что если каналы отсортированы по убыванию популярности, то / -й канал просматривают в среднем в / раз реже, чем первый. Все каналы доступны в ЭЭ (3,75 Мбит/с) и Н0-качестве (15 Мбит/с). Одноадресная передача данных требует скорости, в 2,5 раза превышающей скорость стандартного потока мультивещания,
170
при этом время заполнения буфера т = 0.67 с. Все каналы одинаково популярны, а с вероятностью 0,9 пользователь выбирает канал в БО-качестве, и, соответственно, с вероятностью 0,1 - в НО-качестве. Время между переключениями каналов распределено экспоненциально со средним значением 4 секунды, при этом пользователь каждый раз решает переключить канал с вероятностью </=0.91, а с дополнительной вероятностью 0.09 заканчивает процесс выбора. На рис. 4 приведены графики зависимости требований одноадресного, многоадресного и суммарного потоков трафика от пропускной способности звена в период рекламы, которая начинается в момент времени 0. Как видно из графика, пик роста требований к пропускной способности приходится на начало рекламной паузы. Отметим также, что в случае использования только одноадресных соединений для предоставления услуг 1Р ТУ, в рассматриваемом примере средняя скорость потока трафика на одного пользователя составляла бы 3.75*0.9 +15*0.1 = 4,875 Мбит/с, а суммарная скорость для всех 400 пользователей составила бы 1950 Мбит/с, что значительно превышает требования многоадресных соединений к пропускной способности звена.
40 60
Время, с
Рис. 15. Требования к пропускной способности звена сети в период рекламной паузы
4. Заключение
В заключение отметим, что при проектировании звеньев сети помимо исследования средней нагрузки в ЧНН необходимо также проводить анализ и учитывать требования к пропускной способности в периоды рекламных пауз. Расчеты показывают, что при 200 актив-
ных пользователях суммарное требование в период рекламной паузы может увеличиться более чем в полтора раза по сравнению с устойчивым состоянием пользователей в период просмотра каналов.
Литература
1. Y. Kim, J. К. Park, Н. J. Choi, S. Lee, Н. Park, J. Kim, Z. Lee, and К. Ко, "Reducing IPTV Channel Zapping Time Based on Viewer's Surfing Behavior and Preference," IEEE International Symposium on Broodband Multimedia Systems and Broadcasting 2008, March 31 - April 2, 2008, pp. 1 -6.
2. T. Janevski and Z. Vanevski, "Statistical analysis of multicast versus instant channel changing unicast IPTV provisioning," in Proceedings of the 16th Telecommunications Forum (TEL-FOR ’08), Belgrade, Serbia, November 2008.
3. Chunglae Cho, Intak Man, Yongil Jun, and Hyeongho Lee, 'Improvement of channel zapping time in IPTV services using the adjacent groups join-leave method,' The 6th International Conference on Advanced Communication Technology. vol. 2, pp. 971- 975, 2004.
4. Hyunchul Joo, Hwangjun Song, Dai-Boong Lee, and In-kyu Lee, "An Effective IPTV Channel Control Algorithm Considering Channel Zapping Time and Network Uhlizafion,' IEEE Trans. Broadcasting, vd. 54, no. 2, pp. 208-216, Jun. 2008.
5. Cisco CDA Visual Quality Experience Application User Guide,
Releose 3.0, 2008, http://www.cisco.com/en/US/
docs/video/cds/cda/ vqe/ 3_0/ user/guide/ vqe_userguide3_0.pdf.
6. Microsoft Corporation, Microsoft TV: IPTV Edition, http://www.microsoft.com/tv/IPTVEdition.mspx, 2007.
7. Donald E. Smith. IP TV Bandwidth Demand: Multicast and Channel Surfing // INFOCOM 2007. 26th IEEE International Conference on Computer Communications. - 2007. - pp. 2546-2550.
8. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Том 2 // М.: Мир. 1967. - 765 с.
9. Башарин Г.П., Самуйлов К.Е., Яркина Н.В., Гудкова И.А. Новый этап развития математической теории телетрафика // Автоматика и телемеханика. 2009. N?. С. 16-28.
10. Irina Gudkova and Olga Plaksina. Performance Measures Computation for a Single Link Loss Network with Unicast and Multicast Traffics // Lecture Notes in Computer Science. 2010, Volume 6294, Smart Spaces and Next Generation Wired/Wireless Networking, pp. 256-265.
1 1. Плаксина O.H., Самуйлов K.E. Рекуррентный алгоритм расчета вероятностей блокировок на звене мультисервис -ной сети с многоадресными соединениями. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Математика, информатика физика». - 2010. 1). - С. 54-60.
12. D.T. vanVeen, М.К. Weldon, С.С. Bahr, and Е.Е. Harstead, An analysis of the technical and economic essentials for providing video over fiber-to-the-premises networks,' Bell Labs Tech J., vol. 10, no. 1, pp. 181 -200, 2005.
MODELING IPTV BANDWIDTH DEMAND INCREASED BY CHANNEL SURFING AT COMMERCIAL BREAKS
Olga Schukina, senior lecturer at Telecommunication Systems Department, Peoples' Friendship University of Russia, Moscow
Channel changing experience is a key factor in an IPTV subscriber's viewing satisfaction. Due to high multicast connection establishment latencies additional mechanisms such as instant channel change are used to improve channel zapping time. In this paper, an access network link serving IPTV traffic is considered. We focus on channel surfing traffic burst during commercial breaks.
Key words: IP TV, channel surfing, instant channel change, bandwidth demand, multicast.
171
