Способ квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера Российский патент 2022 года по МПК H04L47/36 H04L47/76 

Изобретение относится к области оптимизации размера пакетов данных и может быть использовано для максимизации качества обслуживания (QoS) при передаче пульсирующего мультимедийного трафика.

Способность данного технического решения работать с любыми системами передачи данных поддерживающими механизм резервирования пропускной способности и буферного пространства, независимо от применяемых алгоритмов сжатия, а также возможность двухкритериальной оптимизации в части минимизации уровня потерь из-за переполнения буфера и минимизации задержки при передаче, позволяет использовать его практически в любых современных пакетных системах передачи мультимедиа, что обеспечивает его широкую промышленную применимость.

Одной из особенностей современных систем передачи данных является широкое распространение мультимедийного трафика, который, как известно, является наиболее «тяжелым» и требовательным к задержке, джиттеру и потерям данных, а также обладает долговременной зависимостью.

Другая особенность состоит в том, что в системах передачи данных повсеместно используются пакетные протоколы. При этом важным моментом является оптимизация размера пакета, так как это напрямую влияет на качество обслуживания телекоммуникационного трафика и в частности на задержку и потери из-за отказа в обслуживании.

Используемые в настоящее время механизмы обеспечения качества обслуживания телекоммуникационного трафика наиболее успешно справляются со своими функциями в условиях отсутствия пульсаций входного потока. Ввиду этого, одним из подходов, описанным в «Jean-Yves Le Boudec and Patrick Thiran. Network Calculus: A Theory of Deterministic Queuing Systems for the Internet. Online Version, December, 2019 (стр. 155-173)» и призванным обеспечить максимальное качество обслуживания при офлайн передаче мультимедиа, является оптимальное сглаживание без потерь, но, с учетом случайного характера доступной пропускной способности, механизмы подобного рода оказываются неэффективными для передачи в режиме реального времени, так как не всегда возможно корректно оценить требуемую для потока пропускную способность и буферное пространство. Причем, если осуществлять избыточное резервирование, то это приводит к неэффективному использованию ресурсов сети и угнетению других более низкоприоритетных потоков.

Также необходимо отметить, что большинство используемых в настоящее время протоколов передачи потокового видео в режиме реального времени не учитывают задержку вносимую пакетированием и используют при передаче размеры пакета, обусловленные особенностями телекоммуникационного оборудования, а не требованием максимума качества обслуживания. В контексте предлагаемого способа под максимумом качества обслуживания понимается минимум задержки при минимуме потерь из-за переполнения буфера.

Более того, зачастую размер пакета для передачи всех видов трафика в конкретной системе является фиксированным или же он фиксируется в пределах конкретного потока и не изменяется в процессе текущего сеанса связи (соединения).

Способы, описанные в RU 2459373, RU 2370907, RU 2601604, предназначенные для передачи пакетированных данных, ориентированы на обеспечение совместимости протоколов информационного обмена или исключение потерь и реализуют различные механизмы пакетирования, маршрутизации или сглаживания входного потока. При этом в данных способах основной упор сделан на текущее состояние сети связи, маршрут доставки, обеспечение отсутствия потерь и исключение дрожания, что носит случайный характер и не всегда корректно описывается применяемыми математическими моделями.

В результате, способы-аналоги не позволяют обеспечивать минимизацию задержки, вызванной пакетированием, и при этом исключить потери пакетов из-за переполнения буферов для потоковой передачи мультимедиа в системах с возможностью онлайн и офлайн передачи.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа, является способ, описанный в Premal Shah, and Abhay Karandikar. Optimal Packet Length Scheduling for Regulated Media Streaming. IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 7, NO. 8, AUGUST 2003 (стр. 409-411).

Сущность данного способа заключается в том, что для предварительно записанного мультимедиа файла производят определение оптимального плана пакетирования по критерию минимума относительных потерь из-за переполнения буфера, а затем начинают передачу. Для этого:

1. Задают характеристики канала связи.

2. Определяют интервал с максимальными относительными потерями (интервал максимальных перегрузок).

На данном шаге посредством трех вложенных циклов осуществляют полный перебор всех возможных интервалов разбиения анализируемого вектора входных данных и поиск интервала с наибольшими относительными потерями путем последовательного сравнения с переприсваиванием. Данный интервал соответствует промежутку времени с наибольшими перегрузками из-за недостатка пропускной способности.

3. Составляют оптимальный план пакетирования для участка с наибольшими относительными потерями.

На данном этапе определяют максимально возможную остаточную пропускную способность в каждый дискретный момент времени на интервале с максимальной перегрузкой и составляют план пакетирования, при котором будет использована вся пропускная способность. Полученный вектор размеров полезной части пакетов, позволяет задействовать всю имеющуюся пропускную способность.

4. Проверяют условие отсутствия потерь на анализируемом интервале.

5. Пропускают рекурсивный вызов, если отсутствуют относительные потери на анализируемом интервале.

6. Составляют оптимальный план пакетирования для всего оптимизируемого интервала передачи мультимедиа файла.

7. Пересчитывают остаточную производительность для времени предшествующему началу перегрузки, если присутствуют относительные потери на анализируемом интервале.

8. Осуществляют рекурсивный вызов способа для интервала слева и справа от интервала максимальных перегрузок.

9. Передают по каналу связи пакетированный в соответствии с полученным планом мультимедиа файл.

Способ прототип имеет следующие недостатки.

1. Не передают мультимедиа в режиме реального времени.

2. Не используют резервирование пропускной способности и буферного пространства, с учетом статистических характеристик входного потока.

3. Не адаптируют границы резервирования под текущие характеристики входного потока.

4. Не учитывают появление служебного трафика при пакетировании.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в максимизации качества обслуживания мультимедийного трафика посредством минимизации задержки и минимизации потерь из-за переполнения входного буфера, за счет определения оптимального плана пакетирования с адаптивным резервированием пропускной способности и буферного пространства.

Технический результат заключается в минимизации задержки и минимизации потерь из-за переполнения буфера при передаче пакетированного мультимедиа потока реального времени с целью повышения качества обслуживания телекоммуникационного трафика в условиях перегрузки, за счет определения оптимального плана пакетирования с адаптивным резервированием пропускной способности и буферного пространства.

Графические материалы, используемые для иллюстрации предлагаемого решения:

фиг. 1 - функциональная схема способа квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера;

фиг. 2 - график относительных потерь для различных политик планирования размера пакета.

На фигуре 1 представлена функциональная схема способа квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера, которая включает следующие элементы:

1. Маршрутизатор.

2. Источник мультимедиа.

3. Блок анализа статистики.

4. Приемник мультимедиа.

5. Блок вычисления оптимальных параметров резервирования.

6. Блок составления квазиоптимального плана пакетирования для накопленных в буфере данных.

Для решения задачи максимизации качества обслуживания мультимедийного трафика, предлагается способ квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера, заключающийся в том, что:

1. Резервируют всю имеющуюся пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе 1.

2. Начинают передачу мультимедийных данных от источника мультимедиа 2 на маршрутизатор 1 и блок анализа статистики 3.

3. Пакетируют мультимедийные данные в маршрутизаторе 1 с фиксированным размером пакета, обеспечивающим минимум задержки при использовании всей текущей зарезервированной пропускной способности с учетом добавления к каждому пакету служебной части.

Причем, устанавливают размер полезной части пакета в соответствии с выражением вида

где: r_вх - скорость входного потока, l_сл - размер служебной части пакета, r_вых - максимальная зарезервированная скорость выходного интерфейса (пропускная способность маршрутизатора).

4. Начинают передачу пакетированных мультимедийных данных от маршрутизатора 1 на приемник мультимедиа 4.

5. Определяют в блоке анализа статистики 3 среднюю скорость и среднеквадратическое отклонение скорости входного потока, а также показатель Харста для функции объема мультимедийных данных в единицу времени методом нормированного размаха.

6. Передают текущую среднюю скорость и среднеквадратическое отклонение скорости входного потока, а также значение показателя Харста в блок вычисления оптимальных параметров резервирования 5 при получении устойчивого значения показателя Харста с отклонением не более 0.05 или исчерпании плана пакетирования.

7. Вычисляют оптимальную пропускную способность и объем буферного пространства в блоке 5, требуемые для резервирования с минимумом потерь из-за переполнения буфера с учетом текущего значения показателя Харста.

При этом для вычисления оптимальной резервируемой пропускной способности и буферного пространства, используют следующие выражения:

где: - средняя скорость входного потока, - оценка СКО скорости входного потока; Н - показатель Харста входного потока; N_пак - число пакетов принятых от источника мультимедийных данных на текущий момент времени; - максимальный размер пакета принятого от источника мультимедийных данных на текущий момент времени.

8. Передают оптимальные значения пропускной способности и объема буфера в блок составления квазиоптимального плана пакетирования 6.

9. Используют рекурсивный алгоритм оптимального планирования длин пакетов по критерию минимума относительных потерь, для накопленных во входном буфере маршрутизатора данных. Под планом пакетирования понимают таблицу размеров пакетов для каждого дискретного момента времени. При этом:

определяют интервал с максимальными относительными потерями (интервал максимальных перегрузок);

составляют оптимальный план пакетирования для участка с наибольшими относительными потерями;

проверяют условие отсутствия потерь на анализируемом интервале;

пропускают рекурсивный вызов, если отсутствуют относительные потери на анализируемом интервале;

составляют оптимальный план пакетирования для всего оптимизируемого интервала передачи мультимедиа фрагмента;

пересчитывают остаточную производительность для времени предшествующему началу перегрузки, если присутствуют относительные потери на анализируемом интервале;

осуществляют рекурсивный вызов алгоритма для интервала слева и справа от интервала максимальных относительных перегрузок.

10. Передают на маршрутизатор 1 новые параметры резервирования и план пакетирования для накопленных в буфере данных.

11. Изменяют план пакетирования, зарезервированную пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе 1 на оптимальные в текущий момент времени или выделяют весь имеющийся ресурс в случае нехватки производительности или объема буфера.

12. Продолжают передачу мультимедиа данных с учетом оптимального плана пакетирования и параметров резервирования.

13. Запускают процесс корректировки параметров резервирования и пакетирования при изменении значения показателя Харста на величину более чем 0.05 или при исчерпании плана пакетирования в блоке вычисления оптимальных параметров резервирования 5.

При этом повторяют шаги (5-12).

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием возможности реализовать его с использованием, как программируемых интегральных схем, так и телекоммуникационного оборудования с программным управлением.

Сопоставление заявленного способа квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Используют рекурсивный алгоритм оптимального планирования длин пакетов по критерию минимума относительных потерь.

2. Задают характеристики канала связи.

3. Передают по каналу связи пакетированный в соответствии с полученным планом мультимедиа поток.

Отличительные признаки предлагаемого решения.

1. Начитают передачу мультимедиа без использования предварительного просмотра всего файла, а в режиме близком к реальному времени.

2. Резервируют всю имеющуюся пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе при запуске передачи.

3. Пакетируют мультимедийные данные в маршрутизаторе с фиксированным размером пакета, обеспечивающим минимум задержки при использовании всей текущей зарезервированной пропускной способности с учетом добавления к каждому пакету служебной части, до момента составления оптимального плана пакетирования по рекурсивному алгоритму.

4. Составляют оптимальный план пакетирования для накопленных во входном буфере данных, а не для всего передаваемого фрагмента данных.

5. Совмещают механизм пакетирования с фиксированным размером пакета и использованием плана пакетирования в зависимости от наличия данных во входном буфере.

6. Изменяют резервируемую пропускную способность и буферное пространство с учетом статистических характеристик входного потока, обеспечивая минимум потерь из-за переполнения буфера.

Таким образом, заявленный способ квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера, позволяет минимизировать задержку пакетирования и потери из-за переполнения входного буфера, при этом учитывается появляющийся служебный трафик.

Для обеспечения возможности работы с онлайн и офлайн потоками реализованы два механизма пакетирования. Один использует фиксированный размер пакета, обеспечивающий минимум задержки, а второй, использует пакетирование с переменной длиной пакета, обеспечивающей минимум потерь из-за переполнения буфера.

Внедрение в предложенный способ механизма резервирования, учитывающего фрактальные свойства входного потока, и совмещение его с механизмом рекурсивного оптимального планирования длин пакетов по критерию минимума относительных потерь, позволило уменьшить последствия вызванные неадекватностью применяемых математических моделей и получить существенное увеличение качества обслуживания для пульсирующих мультимедиа потоков реального времени в условиях нестабильного поведения сети связи.

Более того, использование выражений (2) и (3) при вычислении резервируемой пропускной способности и буферного пространства, позволяет обеспечить минимизацию буфера и, следовательно, уменьшить задержку ожидания.

Изобретение относится к области связи. Техническим результатом является минимизация задержки и минимизация потерь из-за переполнения буфера при передаче пакетированного мультимедиа потока реального времени с целью повышения качества обслуживания телекоммуникационного трафика в условиях перегрузки, за счет определения оптимального плана пакетирования с адаптивным резервированием пропускной способности и буферного пространства. Способ содержит этапы, на которых: резервируют всю имеющуюся пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе; пакетируют мультимедийные данные в маршрутизаторе с фиксированным размером пакета, обеспечивающим минимум задержки при использовании всей текущей зарезервированной пропускной способности с учетом добавления к каждому пакету служебной части; определяют и передают текущую среднюю скорость и среднеквадратическое отклонение скорости входного потока, а также значение показателя Харста в блок вычисления оптимальных параметров резервирования при получении устойчивого значения показателя Харста с отклонением не более 0,05 или исчерпании плана пакетирования; изменяют план пакетирования, зарезервированную пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе на оптимальные в текущий момент времени или выделяют весь имеющийся ресурс в случае нехватки производительности или объема буфера; запускают процесс корректировки параметров резервирования и пакетирования при изменении значения показателя Харста на величину более чем 0,05 или при исчерпании плана пакетирования. 1 ил.

Способ квазиоптимальной потоковой пакетной передачи мультимедиа по критерию минимума задержки и минимума относительных потерь из-за переполнения буфера, заключающийся в том, что: резервируют весь ресурс маршрутизатора; начинают передачу мультимедийных данных от источника мультимедиа на маршрутизатор и блок анализа статистики; пакетируют мультимедийные данные в маршрутизаторе; начинают передачу пакетированных мультимедийных данных от маршрутизатора на приемник мультимедиа; определяют параметры входного потока; передают параметры входного потока в блок вычисления оптимальных параметров резервирования; вычисляют оптимальные параметры резервирования; передают оптимальные параметры резервирования в блок составления квазиоптимального плана пакетирования; используют рекурсивный алгоритм оптимального планирования длин пакетов по критерию минимума относительных потерь; изменяют план пакетирования и параметры резервирования; продолжают передачу мультимедиа данных с учетом оптимального плана пакетирования и параметров резервирования; запускают процесс корректировки параметров резервирования и пакетирования, отличающийся тем, что: резервируют всю имеющуюся пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе; пакетируют мультимедийные данные в маршрутизаторе с фиксированным размером пакета, обеспечивающим минимум задержки при использовании всей текущей зарезервированной пропускной способности с учетом добавления к каждому пакету служебной части; определяют в блоке анализа статистики среднюю скорость и среднеквадратическое отклонение скорости входного потока, а также показатель Харста для функции объема мультимедийных данных в единицу времени методом нормированного размаха; передают текущую среднюю скорость и среднеквадратическое отклонение скорости входного потока, а также значение показателя Харста в блок вычисления оптимальных параметров резервирования при получении устойчивого значения показателя Харста с отклонением не более 0,05 или исчерпании плана пакетирования; вычисляют оптимальную пропускную способность и объем буферного пространства, требуемые для резервирования с минимумом потерь из-за переполнения буфера с учетом текущего значения показателя Харста; используют рекурсивный алгоритм оптимального планирования длин пакетов по критерию минимума относительных потерь, для накопленных во входном буфере маршрутизатора данных; изменяют план пакетирования, зарезервированную пропускную способность и буферное пространство в маршрутизаторе на оптимальные в текущий момент времени или выделяют весь имеющийся ресурс в случае нехватки производительности или объема буфера; запускают процесс корректировки параметров резервирования и пакетирования при изменении значения показателя Харста на величину более чем 0,05 или при исчерпании плана пакетирования.