DE69832582T2

DE69832582T2 - Dynamische Netzbandbreitenzuweisung für Multimedia-Anwendungen mit weichen Dienstqualitätsanforderungen

Info

Publication number: DE69832582T2
Application number: DE69832582T
Authority: DE
Inventors: Daniel Reininger; Rauf Izmailov
Original assignee: Juniper Networks Inc
Current assignee: Juniper Networks Inc
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: DE69829515T2; DE69829425D1; DE69830625D1; EP0932280B1; DE69829515D1; DE69838493D1; EP0932280A2; DE69832582D1; DE69830625T2; DE69829425T2; EP0932280A3; DE69838493T2

Description

Hintergrund der Erfindung
Feld der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Dienstqualität (QoS, quality of service) für Netzwerkkommunikation. Insbesondere eine neue Form von QoS, weiche QoS (soft-QoS) genannt, wird eingeführt, um die Lücke zu überbrücken, die gegenwärtig zwischen der effizienten Bereitstellung von QoS auf Netzwerkstufe und den Anforderungen von Multimedia-Anwendungen existiert. Diese Erfindung ist in einem Netzwerksystem verwirklicht, welches weiche QoS verwendet, in einem Verfahren für die Nutzung von soft-QoS und einem Computer-Programmprodukt, das die Verwendung von soft-QoS ermöglicht.
Betroffene Technik
Gegenwärtig ist Kommunikation über ein Netzwerk weitgehend vorherrschend geworden. Verbindungen, die solch ein Netzwerk benutzen, verlangen ein Garantie einer bestimmten Dienstqualität. Die Dienstqualität (QoS), die von einer Netzwerkverbindung geboten wird, wird mit Bezug auf QoS-Parameter gemessen. QoS-Parameter werden in konventionellen Systemen mit statistischen Begriffen wie Zellenverlustrate, Verzögerungszittern und Zellenübertragungsverzögerung ausgedrückt.
Um eine Garantie einer bestimmten QoS vorzusehen, muss ein Netzwerk lang währende Annahmen der statistischen Charakteristiken seines Verkehrs machen. Aber dann umfasst Netzwerkverkehr verschiedene Verbindungen mit ihren jeweiligen eigenen Charakteristiken. Zusätzlich müssen Annahmen, die durch ein Netzwerk hinsichtlich einer bestimmten Verbindung gemacht werden, während ihre gesamten Dauer gültig sein. Wie oben angeführt, werden statistische Charakteristiken in konventionellen Systemen unter Verwendung von Verfahren einschließlich stochastischer Modellierung oder statistischer Analyse empirischer Daten ermittelt.
Aber dann sind Verkehrsprofile von interaktiven Multimedia-Verbindungen bei ihrer Initialisierung allgemein unbekannt. Insbesondere repräsentieren Parameter, die in lang andauernden statistischen Repräsentationen verwendet werden, die spezifischen QoS-Anforderungen der Multimedia-Anwendungen nicht. Es ist allgemein akzeptiert, dass verteilte Multimedia-Anwendungen einen Netzwerkdienst benötigen, der sich auf die dynamischen und heterogenen Bandbreiten-Anforderungen einstellen kann, die typisch für solche Anwendungen sind.
Darüber hinaus muss sich ein Netzwerk auf konservative Verkehrsannahmen abstützen, um eine bestimmte QoS zu garantieren. Solche Abstützung auf konservative Annahmen führt zu einer Reservierung von Netzwerkkapazität weit über das Erforderliche hinaus. Folglich ergibt sich eine schlechte Netzwerknutzung.
Es wird bemerkt, dass Probleme schlechter Netzwerknutzung aufgrund von Kapazitätsüberreservierung von Praktikern auf diesem Gebiet unter Verwendung von VBR⁺ angesprochen wurde. Siehe D. Reininger, G. Ramamurthy und D. Raychaudhuri, "VBR MPEG Video Coding with Dynamic Bandwidth Renogatiation", Proceedings of ICC (Juni 1995). VBR* ist eine Netzwerkdienstklasse, mit deren Verwendung eine Verbindung ihre Bandbreite neu verhandeln kann, während die Verbindung weiter besteht.
Unter Verwendung dieser Methodenlehre wird die Gesamtnutzung eines Netzwerks verbessert, da Bandbreite während des Bestehens einer Verbindung dynamisch zugewiesen und erneut zugewiesen werden kann. Siehe D. Reininger, W. Luo, "Statistical Multiplexing of VBR* video," Proceedings of SPIE International Symposium on Voice, Video & Data Communications, Dallas, Texas (November 1997).
Aber dann beinhalten Formeln, die in Bandbreitenberechnung von Verbindungen verwendet werden, QoS-Parameter wie äquivalente Bandbreite. Folglich verändert die Neuzuweisung von Bandbreite die QoS einer Verbindung. In solch einem Fall haben Prozeduren, die für die Bandbreiten-Neuzuweisung verwendet werden, wie VBR*, sicherzustellen, dass neue QoS-Parameter die ursprünglichen QoS-Anforderungen einer Verbindung erfüllen. Um dieses Ziel zu verwirklichen, verwenden die Autoren ein Konzept der "QoS-Zufriedenheit".
Ähnliche Mechanismen sind bekannt von "Scalable QoS Control für VBR Video Servers" von D. Reininger et al., IEEE Multimedia Signal Processing Workshop, Princeton, NJ, 1997.
Bekannte Verfahren basieren konventionell auf der QoS-Repräsentation als ein "harter", binärer ("Ja/Nein") Parameter. Z.B. wenn das abgegebene (oder geschätzte) Zellenverlustverhältnis größer als ein benötigtes Zellenverlustverhältnis ist, wird die Verbindung als unbefriedigend angesehen. Dieses Ergebnis gilt jedoch ohne Berücksichtigung, wie gering die Abweichung zwischen dem angeforderten und dem abgegebenen Zellenverlustverhältnis auch ist.
Wenn das oben Gesagte in Betracht gezogen wird, ist somit klar, dass die Verwendung binärer Parameter zu einer zu starken Verallgemeinerung der QoS-Zufriedenheit führt. Dies wurde in konventionellen Systemen teilweise berichtigt unter Verwendung zweier Sätze von QoS-Parametern in der Initialisierungsphase, die eine gewünschte QoS und eine akzeptable QoS sind.
Eine Benutzer-Verbindung und ein Netzwerk sind unter Verwendung der oben angeführten zwei Parameter in eine Sequenz von QoS-Verhandlungen verwickelt. In solch einem Fall werden einer Benutzer-Verbindung akzeptable QoS-Parameter zugewiesen, die zu den ursprünglich von ihr angeforderten, gewünschten QoS-Parametern unterschiedlich sein können. Obgleich diese Methodenlehre eine Verbesserung über die zuvor angeführte binäre Charakterisierung der QoS-Zufriedenheit darstellt, führt das Vorsehen einer gewünschten und einer akzeptablen QoS nicht zu einem angemessenen Mechanismus, um QoS-Werte zu handhaben, die zwischen die zwei fallen. Es ist weitestgehend klar, dass der Bereich zwischen den QoS-Grenzen, gewünscht und akzeptabel, nicht effektiv genutzt wird.
Auch haben konventionelle Systeme kein QoS-Zufriedenheitsschema, das eingesetzt werden kann, während die Verbindung besteht. Daneben ist es unmöglich für ein Netzwerk, eine hohe Nutzung zu erzielen, während hart begrenzte, lang andauernde QoS-Garantien unter den Anforderungen aufrecht erhalten werden, welche durch verteilte Multimedia-Anwendungen auferlegt werden.
Deshalb bestehen mindestens die folgenden Probleme in konventionellen Netzwerksystemen.

• "harte" QoS ist ungeeignet für Multimedia-Verkehr
• "harte" QoS führt zu einer unbefriedigenden Nutzung von Netzwerken.
• Konventionelle QoS-Zufriedenheitsschemata können nicht verändert werden, während eine Verbindung besteht.
• Konventionelle QoS-Zufriedenheitsschemata sehen keine qualitativ faire Resource-Zuweisung vor, da sie gleiche Bandbreiten-Zuweisung verwenden.

Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die oben identifizierten Probleme in Netzwerksystemen zu lösen. Insbesondere ist es ein Ziel dieser Erfindung, soft-QoS für den Ausgleich der Netzwerknutzung und QoS auf Anwenderebene in verteilten Multimedia-Systemen vorzusehen.
Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung, während Überlastung soft-QoS für die Nutzung der Toleranz einer Anwendung auf eine Verknappung der Netzwerkbandbreite anzuwenden. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, soft-QoS durch einen Zufriedenheitsindex und ein Weichheitsprofil zu repräsentieren.
Im Fall einer Video-Übertragung ist ein Zufriedenheitsindex ein Anzeichen für die wahrgenommene Qualität. Für unterschiedliche Multimedia-Anwendungen korreliert ein Weichheitsprofil den Zufriedenheitsindex mit der sich ergebenden Zuweisung von Bandbreite während einer Netzwerküberlastung. Z.B. zeigen Video-Anwendungen eine nicht lineare Qualitätsreaktion auf Veränderungen der Bitrate. Eine Skalierung einer Videoquelle reduziert ihre Bit-Rate, aber beeinflusst die wahrgenommene Qualität. Während "weiche" Anwendungen (wie Tele-Konferenz oder Blättern unter Multimedia-auf-Abruf) relativ große Reduktionen in der Bitrate tolerieren können, können "harte" Anwendungen (wie Video-auf-Abruf oder me dizinische Anwendungen) kein Skalieren der Bitrate ohne signifikante Einbußen der QoS auf Anwendungsebene tolerieren. Weichere Anwendungen sind robuster gegenüber einer Netzwerküberlastung, da sie einen langsameren Abfall im Zufriedenheitsindex bei zunehmender Verknappung der Bandbreite zeigen.
Es ist ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, Weichheitsprofile verschiedener Anwendungen in einem Netzwerk zu verwenden, um Nutzung von Bandbreite und Benutzerzufriedenheit auszubalancieren. Es ist ein noch anderes Ziel dieser Erfindung, zu ermöglichen, dass weichere Anwendungen einen günstig bepreisten Dienst für ihre vergrößerte Flexibilität gegenüber der Zuweisung von Bandbreite bekommen, was den Netzwerken erlaubt, aggressivere Nutzungsregime zu betreiben.
Es ist ein anderes Ziel dieser Erfindung, die Themen anzusprechen, die QoS betreffen, und den Gedanken der QoS-Zufriedenheit über ihren gegenwärtigen "harten", binären Statur hinaus zu erweitern.
Insbesondere ist der Zufriedenheitsindex graduell skaliert von "unbefriedigend" bis "befriedigend". Die exakte Beziehung zwischen dem Zufriedenheitsindex und der Bandbreite der Verbindung wird durch ihr Weichheitsprofil beschrieben. Weichheitsprofile spezifizieren, wie der Zufriedenheitsindex abnimmt, wenn nur ein Teil der angeforderten Bandbreite aktuell durch das Netzwerk zugewiesen werden kann. Falls ein geringer Bandbreitenmangel einen starken Abfall des Zufriedenheitsindexes verursacht, wird das korrespondierende Weichheitsprofil als "hart" angesehen. "Weichere" Profile korrespondieren mit Fällen, in denen ein Bandbreitenmangel bewirkt, dass der Zufriedenheitsindex langsamer abfällt. Weichheitsprofile können während der Initialisierung ausgewählt werden und können verändert werden, während eine Verbindung besteht.
Es ist ein noch anderes Ziel dieser Erfindung, Anwendungen zu ermöglichen, ein Weichheitsprofil zu wählen, das für ihre Bedürfnisse am besten geeignet ist. Z.B. tolerieren Video-auf-Abruf-(VoD)-Anwendungen allgemein eine Regulierung der Bitrate innerhalb eines kleinen dynamischen Bereichs, (das Ratensteuerung durch Quantisierersteuerung erreicht). Anwendungen wie Überwachung oder Tele-Konferenz können einen größeren dynamischen Bereich für Bitratensteuerung haben, da Video über einen Bereich von Rahmenraten unter halb der traditionellen 30 oder 24 Rahmen pro Sekunde angezeigt werden kann. Andere Multimedia-Anwendungen können einen größeren Bereich der Bitratensteuerung durch Skalieren der Auflösung zulassen. In diesen Beispielen werden VoD-Anwendungen auf "härtere" Profile festgelegt als die anderen, anpassungsfähigeren Multimedia-Anwendungen.
Es ist ein noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, zu ermöglichen, dass Anwendungen angemessene Weichheitsprofile abhängig von der Art der Anwendung wählen. Z.B. können Benutzer an drahtlosen Mobilendgeräten ein "weicheres" Profil für eine Anwendung auswählen, um die Kosten der Verbindung zu reduzieren, während ein "härteres" Profil ausgewählt werden kann, wenn dieselbe Anwendung auf einem drahtgebundenen Tischendgerät ausgeführt wird. Somit können anpassungsfähige Multimedia-Anwendungen, die in der Lage sind, ihre Video-Qualität zu skalieren, ihre soft-QoS-Anforderungen dynamisch spezifizieren, um die Kosten einer Sitzung in Grenzen zu halten.
Um die oben angeführten Ziele zu erreichen, wird ein verteiltes Multimedia-System mit Unterstützung einer weichen Dienstqualität entsprechend den angefügten Ansprüchen vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 zeigt ein Beispiel eines Zufriedenheitsprofils.
2 zeigt eine Tabelle, die das kritische Bandbreitenverhältnis für unterschiedliche MPEG-2-Video-Anwendungsszenarios repräsentiert.
3 zeigt ein QoS-API nach der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Systemmodell für ein verteiltes Multimedia-System mit Unterstützung von soft-QoS.
5 stellt eine QoS-Neuverhandlung auf Anwenderebene über ein Netzwerk dar, das ATM-Signalisierung verwendet.
6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die IP verwendet und RSVP-Verbindungen vorsieht.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die soft-QoS-Steuerungen über Netzwerke verwendet, die IP-Vermittlung auf ATM verwenden.
8 zeigt ein adaptives Bandbreitenzuweisungssystemmodell nach der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine detaillierte Beschreibung einer Algorithmus-Verwirklichung für eine soft-QoS-Steuerung nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt einen Bandbreiten-Neuzuweisungsalgorithmus nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt Beispiele verschiedener Schritte im Kern der Bandbreitenzuweisungsprozedur.
12 zeigt ein Zulassungssteuerungsalgorithmus nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 stellt eine Tabelle dar, welche die Leistung der soft-QoS-Steuerung bezüglich vorgewählter Metriken zeigt.
14 zeigt die Wirkung der Netzwerknutzung auf die Rate niedriger Zufriedenheit (LSR).
15 zeigt die Wirkung der Netzwerknutzung auf die mittlere Dauer niedriger Zufriedenheit (LSMD).
16 zeigt die Wirkung der Netzwerknutzung auf die Rate von Neuzuweisungen (RR).
17 zeigt die Wirkung eines Auslichtungsschwellwerts auf den Neuzuweisungssignalisierungsoverhead (RSO).
18 zeigt eine Tabelle, welche die Wirkung eines Auslichtungsschwellwerts auf den Neuzuweisungsleistung darstellt.
19 zeigt eine Abwägung zwischen dem Neuzuweisungssignalisierungsoverhead (RSO) und der Rate niedriger Zufriedenheit (LSR).
20 zeigt die Wirkung von Neuzuweisung auf den minimalen Zufriedenheitsindex.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden die Grundsätze der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hier werden verschiedene Merkmale, Vorzüge und verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum besseren Verständnis dieser Erfindung beschrieben. Experimente, die quantitativ die überlegenen Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen, werden gleichfalls mit einer Analyse ihre Ergebnisse präsentiert.
Grundsätze der Erfindung:
Definition der weichen Dienstqualität (soft-QoS)
Die vorliegende Erfindung hat das Hauptmerkmal einer weichen Dienstqualität (soft-QoS), welches eine glatte oder flexible QoS vorsieht und die sich von dem Konzept einer gewöhnlichen harten QoS unterscheidet, welche eine festgelegte QoS vorsieht. Insbesondere ist weiche Dienstqualität repräsentativ für die Bereitstellung ausreichender Netzwerk-Resourcen, wie einer Bandbreite, um akzeptable Anwendungsleistungen zu bewerkstelligen.
Weichheitsprofil ist eines der Parameter, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um soft-QoS zu spezifizieren. Ein klares Verständnis des Umfangs dieser Erfindung kann nur mit einer Definition eines Weichheitsprofils erreicht werden. Ein Weichheitsprofil ist definiert unter Verwendung zweier Parameter: Zufriedenheitsindex und Bandbreitenverhältnis. Der Zufriedenheitsindex ist ein Maß der Qualitätswahrnehmung des Benutzers. Das Bandbreitenverhältnis ist definiert als ein Maß der aktuell vom Netzwerk zugewiesenen Bandbreite zu der von der Anwendung angeforderten Bandbreite. Das Weichheitsprofil ist eine Funktion, die den Zufriedenheitsindex einer Anwendung mit der angeforderten Bandbreite und der vom Netzwerk zugewiesenen Bandbreite korreliert.
Hier werden verschiedene Wege der Ermittlung von Weichheitsprofilen betrachtet. Multimedia-Anwendungen zeigen allgemein eine nicht lineare Beziehung zwischen der Bitrate und der Qualität, was verwendet werden kann als ein Weg, Weichheitsprofile zu spezifizieren. Diese nicht lineare Reaktion wird manchmal empirisch charakterisiert durch wahrnehmende Bewertungstests.
Im Fall von Video-Anwendungen wurden Studien durchgeführt, um die Qualität verschiedener Verwirklichungen von digitalen Video-Diensten wie hochauflösendes Fernsehen (HDTV) und direkte Fernsehdienste (DBS) zu bewerten. Solch eine Studie von MPEG-2-Video für Fernsehdienste wird präsentiert in J. G. Lourens, H. H. Malleson und C. C. Theron, "Optimisation of bit-rates, for digitally compressed television services, as a function of acceptable picture quality and picture complexity", IEE Colloqium on Digitally Compressed TN by Satellite, 1995. Diese Studie präsentiert ausführliche Grafiken, die subjektive Bildqualitätsbewertung mit verschiedenen Kompressions-Bitraten korreliert. Sie betrachtet auch Aktivität und Komplexität des Video-Materials. Aus den unter Verwendung des oben angeführten Ansatzes ermittelten Korrelationen können Weichheitsprofile für Video, das in verschiedenen Anwendungsszenarien verwendet wird, abgeleitet werden.
Das Weichheitsprofil wird angenähert wiedergegeben durch eine stückweise lineare, "S-förmige" Funktion, die aus drei linearen Segmenten besteht. 1 stellt diese Funktion in der Form eines Graphen des Zufriedenheitsindexes gegenüber dem Bandbreitenverhältnis dar. Der Zufriedenheitsindex wird als eine Veränderung von 0–5 gezeigt, während das Bandbreitenverhältnis sich von 0 bis 1 verändert. Es werden drei lineare Segmente gezeigt: C-B, B-A, und A-1. Die Steigung eines jeden linearen Segments repräsentiert die Rate, mit der die Video-Qualität abnimmt (Zufriedenheitsindex abnimmt), wenn das Netzwerk nur einen Teil der angeforderten Bandbreite zuweist: je steiler die Neigung desto "härter" ist das korrespondierende Profil.
Der Zufriedenheitsindex wird von 2 bis 5 eingeteilt mit einer Granularität G. Zwei Betriebsbereiche werden in der bevorzugten Ausführungsform identifiziert: der Bereich zwischen 3 und 5 wird als Bereich akzeptabler Zufriedenheit angesehen, während unterhalb von 3 ein Bereich niedriger Zufriedenheit ist.
In der bevorzugten Ausführungsform wird ferner das Bandbreitenverhältnis von 0 bis 1 eingeteilt. Der durch B in 1 angezeigte Punkt wird das kritische Bandbreitenverhältnis genannt, weil er den Bereich akzeptabler Zufriedenheit von dem Bereich niedriger Zufriedenheit trennt.
Die Weichheitsprofilfunktion S(r) (wobei r das Bandbreitenverhältnis ist) nach der vorliegenden Erfindung wird vollständig von drei Zahlen A, B, C bestimmt, wobei
1 ≥ A ≥ B ≥ C ≥ 0
und
S(1) = 5 (ausgezeichnet), S(A) = 4 (sehr gut), S(B) = 3 (gut), S(C) = 2 (schlecht) und S(0) = 0 ist.
Für ein Bandbreitenverhältnis r zwischen 0 und 1 wird der korrespondierende Zufriedenheitsindex durch die Formel berechnet:
Das Weichheitsprofil wird auch verwendet für die Berechnung des Betrags der Bandbreite (Bandbreitenverhältnis r), die benötigt wird, um einen gewünschten Zufriedenheitsindex s zu erreichen:
Die vorliegende Erfindung kann auch praktiziert werden unter Verwendung einer weiteren Quantisierung des Weichheitsprofils für unterschiedliche Video-Anwendungen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Weichheitsprofil-Charakterisierungen verwendet, die aus Studien abgeleitet wurden, welche in J. G. Lourens, H. H. Malleson und C. C. Theron, "Optimisation of bit-rates, for digitally compressed television services, as a function of acceptable picture quality and picture complexity", IEE Colloqium on Digitally Compressed TN by Satellite, 1995, detailliert dargestellt sind. In der oben angeführten Studie zeigt ein statistisches Modell, das aus empirischen Ergebnissen abgeleitet wurde, die für MPEG-2-Fernseh-Anwendungen ermittelt wurden, dass A = 1,067 – B, C = 0,667 – B ist. 2 repräsentiert einen von der Anwendung abhängigen Bereich für das kritische Bandbreitenverhältnis B.
Soft-QoS-Steuerung für Multimedia-Anwendungen
3 zeigt eine QoS-Anforderung durch eine Anwendung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Eine Anwendung 500 verlangt zusätzliche Bandbreite. Der Pfeil 505 repräsentiert eine QoS-Anforderung auf Anwenderebene. Das Format dieser Anforderung wechselt mit den für die Anwendung typischen Aktionen. Die Anforderung wird von einer Netzwerk-Schnittstellenkarte 510 entgegengenommen, die auch QoS-Steuerung durchführt. Diese Karte interpretiert die QoS-Anforderung der Anwendung und wandelt sie unter Verwendung von 515 in eine QoS-Anforderung des Netzwerks um. Nach einem wichtigen Aspekt dieser Erfindung ist festzustellen, dass 515 als eine dynamische Verbindung gehalten wird, und nicht nur als ein einmaliges Initialisierungsereignis. Das Netzwerk 520 antwortet durch Bereitstellen einer verfügbaren QoS des Netzwerks in 525, welche dann in 535 der Anwendung mitgeteilt wird.
4 zeigt ein Beispiel eines Systemmodells für ein verteiltes Multimedia-Systems mit Unterstützung von soft-QoS nach der vorliegenden Erfindung. Eine Video-Abgabeanwendung, bei der ein Klient einen Video-Titel von einem entfernten Server über ein breitbandiges Grundnetzwerk 610 anfordert, wird als ein Beispiel betrachtet. Bei dem Verbindungsaufbau fordert eine Anwendung 660 die gewünschte QoS von einem Server und einem Netzwerk an. Für Video wird die von dem Server angeforderte Qualität beschrieben in Begriffen von Rahmenrate und Rahmendetail (gegeben durch eine Kombination von räumlicher Auflösung und Frequenzauflösung). Die von dem Netzwerk angeforderte Qualität ist eine soft-QoS-Spezifikation, charakterisiert durch einen Zufriedenheitsindex und ein Weichheitsprofil. Während eine Verbindung besteht, kann diese Anwendung ihre QoS-Anforderungen neu verhandeln.
Im Server berechnet die Endgeräte-QoS-Steuerung 650 die Bitrate, die für die Beibehaltung einer gewünschten Zielqualität notwendig ist, und verhandelt sie neu. Die Neuverhandlungsanforderungen werden über Zugriffsnetzwerke unter Verwendung einer Zugriffsaufbaukomponente 630 und einer Zugriffsabbaukomponente 620 an die soft-QoS-Steuerungen 625 und 635 in den Netzwerkvermittlungen geschickt.
Während Neuverhandlungen verarbeitet werden und während einer Netzwerküberlastung verwendet eine Quelle 640 mit variabler Bitrate (VBR) eine Bitraten-Steuerung, um ihre Bitrate und Qualität zu skalieren, um sicherzustellen, dass der erzeugte Verkehr mit der zugewiesenen Bandbreite übereinstimmt.
5–7 zeigen die konzeptuelle Verwirklichung von Systemen unter Detaillierung verschiedener Netzwerkmechanismen für dynamische QoS-Unterstützung nach verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5 veranschaulicht eine QoS-Neuverhandlung der Anwendung über ein Netzwerk, das ATM-Signalisierung verwendet. Der Klient 710 ist über ein ATM-Netzwerk durch die ATM-Vermittlungen 730 und 740 mit dem Server 720 verbunden. Die soft-QoS-Steuerungen 735 und 745 sind mit den ATM-Vermittlungen verbunden. Verbindungsaufbauanforderungen 722 und Modifikationsanforderungen 721 werden durch den Server an das Netzwerk gestellt. Neu eingerichtete Verbindungen 724 und Modifikationsverfügbarkeit 723 werden von dem Server empfangen.
6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die IP anstelle von ATM verwendet und RSVP-Verbindungen bereitstellt. RSVP ist ein Signalisierungsmechanismusprotokoll für Bereitstellung von Dienstqualität. Es folgt dem IETF-Standard für Dienstqualitätsbereitstellung. In diesem Fall sind die soft-QoS-Steuerungen 815 und 825 mit den IP-Routern 810 und 820 verbunden.
7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die soft-QoS-Steuerungen über die relativ neue Technologie von IP-Vermittlung über ATM verwendet. In diesem Fall sind die QoS-Steuerungen 910 und 940 sowohl mit den Routern 920 und 930 als auch mit den ATM-Vermitlungen 730 und 740 verbunden.
Jede in 5–7 veranschaulichte soft-QoS-Steuerung kann sich als eine soft-QoS-Steuerung nach der vorliegenden Ausführungsform darstellen. In diesem Fall kann solch eine soft-QoS-Steuerung soft-QoS-Steuerungsoperationen nach der vorliegenden Erfindung durchführen.
Struktur der soft-QoS-Steuerung
Mit Bezug auf 8 wird eine Beschreibung gegeben über die Struktur der soft-QoS-Steuerung, die in jedem Knoten des Kommunikationsnetzwerkes verwendet wird. Die veranschaulichte soft-QoS-Steuerung ist in Betrieb, um Bandbreite adaptiv zuzuweisen, und umfasst einen Zufriedenheitsabschätzer 1010, einen soft-QoS-Steuerungsmodul 1020 und einen soft-CAC-Modul 1030. Der dargestellte soft-CAC-Modul 1030 ist entsprechend einem Verbindungszulassungssteuerungsalgorithmus (der später beschrieben werden wird) in Betrieb, und der soft-QoS-Steuerungsmodul 1020 kooperiert mit dem Zufriedenheitsabschätzer 1010 entsprechend einem soft-QoS-Steuerungsalgorithmus.
In 8 basiert Verbindungszulassung, die in dem soft-CAC-Modul 1030 durchgeführt wird, auf der verfügbaren Kapazität (Rqst, Weichheit) 1001, dem Bezugsprofil 1002 und dem geschätzten Dienstgrad (GoS, grade-of-service). Eine neue Verbindung wird akzeptiert, wenn die Ziel-GoS (GoS*) 1004 aufrecht erhalten bleiben kann.
Akzeptierte Verbindungen können ihre Bandbreiten-Anforderungen und ihre Weichheit während einer Sitzung neu verhandeln. Für neue Verhandlungen prüft der soft-CAC-Modul 1030, ob die angeforderte Bandbreite innerhalb der Grenzen des deklarierten Bezugsprofils liegt, und informiert den Zufriedenheitsabschätzer 1010 über Verbindungen, die Bandbreite außerhalb ihrer Bezugsprofile anfordern. Der soft-QoS-Steuerungsmodul 1020 weist den Neuverhandlungsanforderungen Bandbreite zu auf der Basis der Zufriedenheit, die von dem Zufriedenheitsabschätzer 1010 bereitgestellt wird. Hier werden die Verbindungen, von denen Bandbreite zurückgenommen wird, Geber genannt, während die Verbindungen, die von der Neuzuweisung profitieren, Empfänger genannt werden.
In diesem Fall kann vom Netzwerk angestoßene Neuverhandlung verwendet werden, um Bandbreite von Geber-Verbindungen neu zuzuweisen. Aus Stabilitätsgründen kann der Zufriedenheitsabschätzer 1010 verlangen, dass der soft-CAC-Modul 1030 neue Verbindungen (1012) zeitweise zurückweist.
Algorithmus für soft-QoS-Steuerung
Die in 8 veranschaulichte soft-QoS-Steuerung wird entsprechend einem soft-QoS-Steuerungsalgorithmus betrieben, der in der vorliegenden Erfindung wichtig ist. Die von dieser Erfindung vorgesehene soft-QoS-Steuerung empfängt soft-QoS-Anforderungen. Sie verarbeitet QoS-Neuverhandlungen auf der Basis der angeforderten Bandbreite und des zugeordneten Weichheitsprofil, welches soft-QoS charakterisiert. Neuverhandlungen, die eine Verringerung der zugewiesenen Bandbreite anfordern, werden vollständig gewährt, während Anforderungen, die eine Vergrößerung der Bandbreite anfordern, nur dann gewährt werden, wenn Kapazität verfügbar ist.
Falls eine Neuverhandlungsanforderung für einer vergrößerte Bandbreite ansteht, wird eine vorübergehende Zuweisung auf der Basis der verfügbaren Qualität am Ausgabeanschluss der Vermittlung getroffen, über den die Verbindung geführt wird. Falls solch eine vorübergehende Zuweisung einen Zufriedenheitsindex innerhalb eines vorgewählten Bereichs niedriger Zufriedenheit ergibt, wird ein Neuzuweisungsalgorithmus verwendet; um zusätzliche Bandbreite von bereits existierenden Verbindungen zurückzubekommen, die in dem Bereich akzeptabler Zufriedenheit betrieben werden. Die Verbindungen, von denen Bandbreite zurück zu beschaffen ist, werden Geber genannt. Die Verbindung, die von der Neuzuweisung profitiert, wird Empfänger genannt. Der Neuzuweisungsalgorithmus verwendet die Zufriedenheitsprofile der Verbindungen, um den minimalen Zufriedenheitsindex aller Verbindungen zu maximieren, unter Beibehaltung der Zufriedenheit aller Geber innerhalb des Bereichs akzeptabler Zufriedenheit.
Diese Optimierungskriterien führen zu einer rationalen Zuweisung, welche die QoS-Anforderungen aller Verbindungen berücksichtigt. Die Leistung des erfinderischen Algorithmus hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit eines Betriebs mit akzeptabler Zufriedenheit für unterschiedliche Netzwerkbelastungen sind der Hauptaugenmerk der experimentellen Ergebnisse, die als Teil dieser Spezifikation vorliegen. Diese Wahrscheinlichkeit vergrößert sich, falls die Zulassungsregeln relativ große Neuverhandlungsanforderungen vermeiden, welche eine minimale Zuweisung benötigen, welche die Zufriedenheit bestehender Verbindungen kompromittiert.
Eine detaillierte Beschreibung einer algorithmischen Verwirklichung für eine soft-QoS-Steuerung folgt. Die Beschreibung folgt dem Flussdiagramm in 9.
In Schritt 2050 wird geprüft, ob die angeforderte Bandbreite kleiner als die der Verbindung gegenwärtig zugewiesene Bandbreite ist (Neuverhandlung abwärts). Falls das zutrifft, wird die Anforderung vollständig angenommen. Sonst fordert die Verbindung eine Vergrößerung der Bandbreite (Neuverhandlung aufwärts). Dann wird jede neu Anforderung für eine Neuverhandlung aufwärts in Schritt 2020 einem Zulassungstest unterzogen. Der Test schätzt heuristisch, ob mindestens die minimale Zufriedenheit für alle aktiven Verbindungen unter Verwendung der zugewiesenen Kapazität und der Weichheitsprofile der aktiven Verbindungen erreicht werden kann, sobald die Anforderung angenommen ist. Die Verbindungen werden weiterhin mit der ihnen zuvor zugewiesenen Kapazität betrieben, wenn ihre Anforderung in Schritt 2060 durch die Zulassungsprozedur abgelehnt worden ist.
Sobald eine Anforderung in Schritt 2030 zugelassen wurde, wird in Schritt 2031 auf der Basis der verfügbaren Kapazität eine vorübergehende Zuweisung gemacht. Diese Zuweisung ist mindestens so groß wie die gegenwärtig zugewiesene Bandbreite für die Verbindung. In Schritt 2032 wird geprüft, ob der mit der vorübergehenden Zuweisung erreichte Zufriedenheitsindex oberhalb eines minimalen Zufriedenheitsindexes ist. Falls das zutrifft, wird in Schritt 2041 geprüft, ob die Verbindung mit der vorübergehenden Zuweisung eine maximale Zufriedenheit erreicht. Falls die Verbindung eine maximale Zufriedenheit erreicht, wird die Anforderung in Schritt 2043 vollständig angenommen; sonst wird die Anforderung in Schritt 2042 teilweise angenommen. Falls die vorübergehende Zuweisung einen Zufriedenheitsindex unterhalb der minimalen Zufriedenheit ergibt, wird der Neuzuweisungsalgorithmus in Schritt 2040 verwendet, um Bandbreite von Verbindungen zurückzugewinnen, die oberhalb der minimalen Zufriedenheit betrieben werden, wobei die Zufriedenheitsprofile der Verbindungen verwendet werden.
Der Bandbreiten-Neuzuweisungsalgorithmus wird aufgerufen, falls eine Verbindung V eine größere Bandbreite als verfügbar anfordert, um ihren minimalen Zufriedenheitswert zu erreichen.
Der in 10 gezeigte Bandbreiten-Neuzuweisungsalgorithmus hält den Zufriedenheitswert aller Verbindungen so hoch wie möglich. Insbesondere muss der minimale Zufriedenheitsindex aller Verbindungen größer als ein vom Netzwerk gewählter Schwellwertindex, min.satisfaction, sein. Als Nächstes wird der Betrieb des Bandbreiten-Neuzuweisungskernalgorithmus beschrieben. Da Verbindungen zu einem gegebenen Zeitpunkt unterschiedliche Zufriedenheitsindexe haben, identifiziert der Neuzuweisungsalgorithmus diejenigen Verbindungen, die den höchsten Zufriedenheitsindex und die größte zugewiesene Bandbreite haben. Die Auswahl der Verbindungen mit dem höchsten Zufriedenheitsindex als primäre Kandidaten für Neuzuweisung (Geber-Verbindungen) hält den minimalen Zufriedenheitsindex aller aktiven Verbindungen so hoch wie möglich.
Ferner ermöglicht das Auslichten der Liste der Geberverbindungen durch Auswahl nur von Verbindungen mit der höchsten zugewiesenen Bandbreite als primäre Kandidaten für Neuzuweisung dem Netzwerk, die Anzahl der Neuzuweisungen zu steuern (Signalisierungslast). Diese Auswahl wird bestimmt durch einen Auslichtungsschwellwert (p). Eine Verbindung wird in die Liste der Geber aufgenommen, wenn ihre gegenwärtig zugewiesene Bandbreite mal dem Auslichtungsschwellwert größer ist als die für den Empfänger benötigte Bandbreite. Je kleiner der Auslichtungsschwellwert ist, desto weniger Verbindungen werden in die Geberliste aufgenommen (falls p = 0 ist, werden keine Verbindungen aufgenommen), und umgekehrt.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Profilformeln berechnet der Neuzuweisungsalgorithmus die Menge der Bandbreite, die von den Geberverbindungen an V neu zugewiesen werden kann. In diesen Berechnungen ist die Menge der freigegebenen Bandbreite derart, dass die verbleibende Bandbreite den Zufriedenheitsindex der Geberverbindungen um eine Einheitsgranularität G reduziert.
In Schritt 2110 wird eine Neuzuweisung für eine Zielverbindung angefordert. In Schritt 2120 wird eine Auswahl der Geberverbindungen initialisiert. In Schritt 2130 wird eine soft-QoS-Verbindung ausgewählt. Falls die Bandbreite der ausgewählten Verbindung oberhalb eines vorbestimmten Sperrwerts liegt, wird die Verbindung in Schritt 2141 zu der Liste der Geberverbindungen hinzugefügt. Dies wird in den Schritten 2140 bis 2142 wiederholt, bis alle QoS-Verbindungen erschöpft sind. In Schritt 2150 wird eine bestimmte Bandbreite aus der Liste der Geberverbindungen zugewiesen. In Schritt 2160 wird bestimmt, ob der Zufriedenheitsindex der Zielverbindung oberhalb eines minimalen Zufriedenheitsindexes ist. Falls das zutrifft, werden die Geberverbindungen in Schritt 2180 über die Neuzuweisung informiert. Falls das nicht zutrifft, wird in Schritt 2170 eine zweite Bestimmung gemacht, um zu erkennen, ob der Zufriedenheitsindex aller anderen Verbindungen oberhalb der minimalen Zufriedenheit ist. Falls das zutrifft, verzweigt der Algorithmus zurück zu Schritt 2120 und die Prozedur wird wiederholt. Falls das nicht zutrifft, fordert der Algorithmus in Schritt 2190 von dem Netzwerk zusätzliche Bandbreite.
Als Ergebnis der Bandbreitenneuzuweisungskernprozedur verringert sich der Zufriedenheitsindex der Geberverbindungen um G, während der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung (V) sich vergrößert. Der Neuzuweisungsalgorithmus stoppt, wenn der Zufriedenheitsindex der Empfängerverbindung innerhalb des Bereichs akzeptabler Zufriedenheit ist.
Sonst wird die Neuzuweisungskernprozedur wiederholt, bis entweder der Zufriedenheitsindex von V im Bereich akzeptabler Zufriedenheit liegt oder der Zufriedenheitsindex anderer aktiver Verbindungen min.satisfaction erreicht, die Grenze zwischen dem Bereich akzeptabler Zufriedenheit und dem Bereich niedriger Zufriedenheit. Im letzteren Fall ruft das System eine Anforderung nach größerer Bandbreite von der Netzwerkschicht auf.
Die Ergebnisse der Bandbreitenneuzuweisungskernprozedur sind in 11 veranschaulicht, wobei 10 aktive Verbindungen (mit A, B, ..., J bezeichnet) als Punkte auf ihren jeweiligen Weichheitsprofilen angezeigt sind. Z.B. ist der Zufriedenheitswert der Verbindung A 5 (das Maximum), der Zufriedenheitswert der Verbindungen I und J 3,5, was oberhalb des Werts min.satisfaction von 3 liegt, und der Zufriedenheitswert der Verbindung V unterhalb von min.satisfaction liegt. Der Algorithmus weist Bandbreite nachfolgend der Verbindung V zu, um ihren Zufriedenheitswert oberhalb von min.satisfaction zu bringen. In Schritt 0 (11A) wird die Verbindung A als Geberverbindung identifiziert, und ein Teil ihrer Bandbreite wird der Verbindung V neu zugewiesen. Dies reduziert den Zufriedenheitswert von A um die Granularität G, welche in diesem Beispiel 0,25 ist. Es vergrößert auch den Zufriedenheitswert von V. Das Ergebnis ist in Schritt 1 (11B) gezeigt. In diesem Schritt, stellt der Algorithmus die neue Liste der Geberverbindungen zusammen, welche A und C umfasst. Die Verbindung B ist nicht in der Liste der Geberverbindungen einbezogen, weil ihre Bandbreite als zu klein für V angesehen wird. Das Ergebnis ist in Schritt 2 gezeigt (11C). In diesem Schritt umfasst die neue Liste der Geberverbindungen A, C und D (E ist nicht einbezogen aus denselben Gründen wie bei B im vorangegangenen Schritt), und das abschließende Ergebnis der Neuzuweisung ist in Schritt 3 (11 D) gezeigt, wo der Zufriedenheitsindex von V oberhalb von min.satisfaction ist. Der Algorithmus passt nun die Bandbreiten von A, C, D und V an und informiert diese Verbindungen über ihre neuen Zuweisungen.
Zulassungssteuerungsalgorithmus
Um soft-QoS-Garantien von dem Netzwerk zu bekommen, wird von Benutzern verlangt, ein Bezugsnutzungsprofil zu spezifizieren, wenn sie eine Verbindung aufbauen.
R(t) sei die gesamte Dauerkapazitätsanforderung der Verbindungen. Das Ziel unseres soft-CAC-Algorithmusses ist zu garantieren, dass LSR = Pr[R(t) > C] ≤ δN = LSRmax,wo δ_N die maximale Rate niedriger Zufriedenheit, LSR_max, die in dem Benutzer-Netzwerk-Vertrag deklariert ist, und C die Verbindungsbandbreite ist.
Der in 12 dargestellte soft-CAC-Algorithmus arbeitet auf folgende Weise. Die Verbindung nennt ihr Bezugsprofil in Schritt 1 unter Verwendung der Parameter:
{R_B, Δ_max, S_H ^–1(sat_min)}
wo R_B eine Basislinienrate, Δ_max die maximal erwartete Abweichung von R_B und S_H ^–1(sat_max) das härteste, während der Sitzung zu verwendende Profil ist. Die Parameter des Bezugsprofil können heuristisch abgeschätzt werden auf der Basis vergangener Nutzungsmuster und/oder Hardwarebegrenzungen.
In Schritt 2 wird das Bezugsprofil umgewandelt in die soft-UPC-Parameter UPC = (λ s / p, λ s / s, B s / s) mittels der Formel:
wo T_on die Periode für den "Ein-Aus"-Ratenprozess ist, der die Bitrate der Quelle modelliert.
Die soft-QoS-Parameter werden in Schritt 3 verwendet, um das System in ein Zwei-Zustands-Modell umzuwandeln, wobei die hohen und niedrigen Raten (λ_H und λ_L) mit den Wahrscheinlichkeiten P_on bzw. (1 – P_on) vorkommen, wo
wo C und B die Verbindungsbandbreite und der Pufferraum für VBR⁺-Verbindungen und das Basiszeitintervall T_N = B/(2C) ist.
Im nächsten Schritt 4 berechnet der Algorithmus das Inkrement m_i, s 2 / i durch die Formeln:
wo

i: eine Verbindung bezeichnet,
R_B(i): eine Basislinienrate für die Verbindung ist,
S_H ^–1(i)(satmin): ein mit sat_min, korrespondierendes Bandbreitenverhältnis ist,
λ s / H und λ s / L: hohe und niedrige Raten sind,
Δ_max: die maximal erwartete Abweichung von R_B(i) ist und
P_on: eine Wahrscheinlichkeit ist, dass λ s / H vorkommt.

Falls die Anforderung ein Zellenweggang ist (was in Schritt 5 getestet wird), gibt der Algorithmus in Schritt 6 die Bandbreite der Verbindung frei und subtrahiert in Schritt 7 die Parameter (m_i, s 2 / i) zu den jeweiligen Summen:
wo

M new / R und S 2new / R: neuer Mittelwert und Varianz sind,
M old / R und S 2old / R: alter Mittelwert und Varianz sind,
ϕ: eine Gaußsche Verteilungsfunktion ist,
δ_N: der maximale niedrige Zufriedenheitsindex ist und
C: eine Verbindungsbandbreite ist.

Danach wird die Information, welche die Verbindungsfreigabe betrifft, in Schritt 8 an die Quelle der Verbindung gesendet.
Falls andererseits die Anforderung ein Verbindungsaufbau ist, addiert der Algorithmus in Schritt 9 den Mittelwert und die Varianz zu den jeweiligen Summen wie folgt.
und die Entscheidungsfunktion L wird in Schritt 10 durch die Formel berechnet:
wo

Die Funktion L wird verwendet in dem Entscheidungsschlüsselschritt 11 des GAC-Algorithmus: falls L = 0 ist, wird die Verbindung akzeptiert, und sonst wird sie zurückgewiesen. Falls die Verbindung akzeptiert wird, wird die Bandbreite in Schritt 12 reserviert und die Quelle in Schritt 8 informiert. Sonst werden die Parameter (M₂, S 2 / R) in Schritt 7 wieder angepasst und die Quelle in Schritt 8 informiert, dass ihre Anforderung abgelehnt wurde.
Das Netzwerk verwendet das Bezugsprofil für die Verbindungszulassungssteuerung. Zugelassene Benutzer können ihre Bandbreitenanforderungen und Weichheitsprofile neu verhandeln. Das Netzwerk stimmt zu, soft-QoS vorzusehen für Neuverhandlungsanforderungen innerhalb des Bezugsprofils. Eine Anforderung wird als innerhalb des Bezugsprofils liegend angesehen, falls die äquivalente Bandbreite, die zugeordnet ist, um die Anforderung minimal zu erfüllen, innerhalb der Grenzen liegt, die in dem Bezugsprofil spezifiziert sind.
Soft-QoS-Bereitstellung impliziert die Zuweisung von Bandbreite, um mehr als minimale Zufriedenheit im Weichheitsprofil zu erreichen, abhängig von Begrenzungen bei globalen (klassenweisen) Dienstparametern wie: LSR ≤ LSR_max und Ausfalldauern von höchstens einer Blockierungswahrscheinlichkeit P_b ≤ P_b ^max.
Experimentelle Ergebnisse
In diesem Abschnitt wird die Leistung der vorgeschlagenen soft-QoS-Steuerung bei interaktivem VBR⁺-Videoverkehr bei variablen Netzwerkbelastungen bewertet. Zuerst wird die experimentelle Methodenlehre und die verwendeten Leistungsmetriken vorgestellt, gefolgt von Simulationsergebnissen der Steuerung auf einer ATM-Zugriffsvermittlung.
Methodenlehre
Ein realistisches Video-Verkehrsmodell wurde entwickelt, das repräsentativ für vollständig interaktive, verteilte Multimedia-Anwendungen ist. MPRG-2-komprimiertes, digitales Video wurde unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren Video-Werkprodukts genommen. Vier 20-minütige Folgen wohlbekannter Aktionsfilme wurden benutzt. Jede Sequenz wurde durch Veränderung der Quantisierungsskala von 4 bis 12 in Inkrementen von 2 auf fünf Qualitätsniveaus codiert. Die sich ergebenden MPEG-2-Rahmenebenen-Bitzahlen wurden von den Bitströmen extrahiert. Zum Verbindungsaufbauzeitpunkt wählt jede VBR⁺-Quelle einen der vier Filme zufällig aus. Während eine Sitzung besteht, wurden die ursprünglichen Rahmenbitzahlen dynamisch skaliert, um die Verkehrscharakteristiken eines Video-Servers zu reflektieren, welcher interaktive Multimedia-auf-Abruf-(MoD)-Klienten unterstützt. Das Modell wählte interaktive Modes zufällig von einer gleichförmigen Verteilung möglicher Modes aus, wie schneller Vorlauf, Rücklauf, Abspielen mit unterschiedlichen Rahmenraten, Hintergrunds- und Vordergrundsbetrachtung u.s.w. Eine exponentielle Verteilung mit einer durchschnittlichen Haltezeit, die für den ausgewählten Mode vernünftig ist, wurde verwendet, um die Verweilzeit unter den interaktiven Modes zu modellieren.
Ein Beispiel eines Multimedia-Systems mit vielfachen interaktiven Modes wird in D. Reininger, M. Ott, G. Michelitsch und G. Welling, "Scalable QoS Control for VBR Video Servers", Proc. First IEEE Conference on Multimedia Signal Processing, Princeton University, Princeton, NJ, Juni 1997 und in M. Ott, G. Michelitsch und G. Welling, "Adaptive QoS in Multimedia Systems", Proc. Fifth JFIP International Workshop on Quality of Service, 1WQOS'97, Columbia University, New York, Mai 1997 beschrieben. In diesem System können Video-Anzeigefenster zum Vordergrund oder zum Hintergrund einer Benutzerschnittstellenlandschaft bewegt werden, siehe M. Ott, G. Michelitsch, D. Reininger und G. Welling, "An Architecture for Adaptive QoS and its Application to Multimedia Systems Design", zu erscheinen in Computers and Communication, Spezialausgabe über QoS.
Wenn ein Video-Fenster im Vordergrund ist, wählt es ein weicheres Profil aus als wenn es im Hintergrund ist. Zusätzlich kann Hintergrund-Video eine geringere räumliche Auflösung haben als Vordergrund-Video. Eine Qualitätsvorrichtung kann an ein Video-Fenster angebracht sein, um explizite Steuerung der Rahmenanzeigerate und Detaillierung (als eine Kombination von Quantisierungsniveau und räumlicher Auflösung) zu steuern. Eine Fernsteuerungsvorrichtung ermöglicht "Trick"-Modes wie schneller Vorlauf, Rücklauf, Sprung zum letzten Rahmen, Sprung zum ersten Rahmen u.s.w.
Eine Java-basierte, verteilte Software-Simulation wurde verwendet, um eine variable Anzahl von interaktiven VBR⁺-MPEG-Video-Quellen auf den Anschluss einer ATM-Vermittlung zu multiplexen, deren Bandbreitenzuweisung durch die soft-QoS-Steuerung verwaltet wird.
Jede der VBR⁺-Verbindungen wurde als ein separater Java-Thread verwirklicht und verhandelte ihre soft-QoS asynchron neu. Neuverhandlungsnachrichten zwischen den Verbindungen und der soft-QoS-Steuerung bestanden aus Bandbreitenanforderungen (gegeben in Begriffen eines UPC-Verkehrsdeskriptors) und dem Index eines Weichheitsprofils.
Die folgenden Leistungsmetriken wurden verwendet:

• ATM-Vermittlungsanschlussnutzung (U), gemessen als das Verhältnis der durchschnittlichen Gesamtbandbreite, die den VBR⁺-Verbindungen zugewiesen war, zur OC-3-Verbindungskapazität.
• Rate niedriger Zufriedenheit (LSR), als Verhältnis der Zeit (in Video-Rahmenintervallen von 33 ms), die eine durchschnittliche Verbindung im Bereich niedriger Zufriedenheit ihres Weichheitsprofils verbringt, zur Dauer der Verbindung.
• Mittlere Dauer niedriger Zufriedenheit (LSMD), als Zeit (in Video-Rahmenintervallen von 33 ms), die eine durchschnittliche Verbindung aufeinander folgend im Bereich niedriger Zufriedenheit ihres Weichheitsprofils verbringt.
• Standard Abweichung niedriger Zufriedenheit (LSSD), als Standardabweichung der LSMD.
• Neuzuweisungsrate (RR), als Rate der Neuverhandlungsanforderungen, die von der soft-QoS-Steuerung empfangen wurden und eine Neuzuweisung anforderten.
• Neuzuweisungssignalisierungs-Overhead (RSO), als Maß für das Verhältnis von Signalisierungen, die erzeugt wurden, um die Geber über eine Neuzuweisung zu benachrichtigen, welche sich aus dem Neuzuweisungsalgorithmus ergaben, zur Anzahl der Signalisierungen, die von den Neuverhandlungen der Verbindungen erzeugt wurden.

Simulationsergebnisse
13 bildet eine Tabelle ab, welche die Leistung der soft-QoS-Steuerung in Begriffen der oben angeführten Metriken zeigt. Die Simulation wurde über etwa 20 Echtzeit-Minuten (angenähert 85000 Rahmen) durchgeführt. Wenn die Anzahl der interaktiven Video-Ströme sich von 20 auf 32 verändert, verändert sich die Anschlussnutzung von 65% auf 95%. Jeder Video-Strom fordert QoS-Neuverhandlungen etwa einmal je 3 Sekunden im Mittel an. Somit verarbeitet die QoS-Steuerung in der Größenordnung von 10 soft-QoS-Anforderungen (r.p.s.). Von diesen Anforderungen, benötigen weniger als 5% eine Bandbreiten-Neuzuweisung, um zu vermeiden, unter min.satisfaction zu fallen (siehe RR in der Tabelle). Wie in 14 gezeigt, kann die soft-QoS-Steuerung eine akzeptable Qualität mit hoher Wahrscheinlichkeit (über 95%) selbst bei sehr hohen Nutzungsregimen beibehalten. Insbesondere ist festzuhalten, dass Neuzuweisung das LSR in dem 80–85% Nutzungsregime um etwa eine Größenordnung verbessert. Auch zeigt 15, dass der Neuzuweisungsalgorithmus die Zeit signifikant reduziert, die eine durchschnittliche Verbindung im Bereich niedriger Zufriedenheit verbringt. Insbesondere sind in 15 Neuzuweisung und keine Neuzuweisung durch eine gestrichelte bzw. eine ausgezogene Linie spezifiziert. Zusätzlich zeigt 16 eine Beziehung zwischen der Anschlussnutzung und der Neuzuweisungsrate (RR). Die Neuzuweisungsrate (RR) wird bei einem Anstieg der Anschlussnutzung hoch.
Jede Neuzuweisung benötigt vielfache Signalisierungsnachrichten, um die von der Neuzuweisung betroffenen Geberverbindungen zu benachrichtigen. 17 zeigt, dass der Neuzuweisungssignalisierungs-Overhead (RSO), der zu diesem Zweck hinzukommt, über 40% betragen kann. Die Signalisierungslast ist eine Funktion der Anzahl der Geber, die von der Neuzuweisung betroffen sind. Wie früher beschrieben wurde, kann die Größe der Liste der Geberverbindungen gesteuert werden durch den Auslichtungsschwellwert p. Je kleiner jedoch die Anzahl der potentiellen Geber wird, desto kleiner sind die Chancen, dass die Neuzuweisung darin erfolgreich ist, die empfangene Verbindung innerhalb des Bereichs akzeptabler Zufriedenheit zu bringen.
Die Empfindlichkeit der Abwägung zwischen Signalisierungslast, Zufriedenheitsindex und den Werten des Auslichtungsschwellwerts wurden als Nächstes untersucht. In diesen Simulationen wurde die Anzahl der gemultiplexten Ströme (bei 24 Strömen) konstant gehal ten, und die Auslichtungsschwellwerte wurden verändert. Die Ergebnisse werden in 18 präsentiert.
Mit Zunahme des Auslichtungsschwellwerts p nimmt die Anzahl der Verbindungen zu, die in die Gebergruppe aufgenommen sind (und die Anzahl der Signalisierungen nimmt in Korrespondenz dazu zu). Unter der Annahme, dass die Bandbreitenzuweisungen zufällig und gleichförmig über einen bestimmten Bereich verteilt sind, ist die Abhängigkeit zwischen p und der durchschnittlichen Größe der Gebergruppe linear (wegen der Linearität der Verteilungsfunktion). Die Zahlen in 17 und 18 unterstützen diese Vermutung: mit Zunahme von p nimmt auch die durchschnittliche, durch RSO angezeigte Signalisierungslast bis zu einem Sättigungspunkt linear zu. Der Sättigungspunkt korrespondiert mit dem Fall, in dem alle Verbindungen in der Liste der Geber eingeschlossen sind.
Wie in 19 gezeigt, nimmt bei Vergrößerung von p die Signalisierungslast zu, aber die soft-QoS-Parameter werden verbessert, zusammen mit LSMD und LSSD. Diese Zunahme setzt sich bis zu einem Sättigungspunkt für die Signalisierungslast fort; nach dem Sättigungspunkt beginnt eine Zunahme des Werts der QoS-Parameter. Der Grund dafür ist, dass nach dem Sättigungspunkt zu viele Geberverbindungen von der Neuzuweisung betroffen sind, was die gesamte soft-QoS sinken lässt. Diese Analyse und die Ergebnisse von Simulationen demonstrieren, dass der Auslichtungsschwellwert p ermöglicht, die Signalisierungslast und die QoS von Verbindungen durch Ausführen einer geeigneten Abwägungsentscheidung auszubalancieren.
Um visuell zu verifizieren, dass der Neuzuweisungsalgorithmus tatsächlich den minimalen Zufriedenheitsindex maximiert, wurde der minimale Zufriedenheitsindex S aller gemultiplexten Ströme berechnet und im Zeitablauf (gemessen in Video-Rahmen-Intervallen von 33 ms) aufgetragen. 20 zeigt einen 500-Rahmen-Schnappschuss des Verhaltens des minimalen Zufriedenheitsindexes S im hohen Nutzungsregime (28 Ströme). Die Zeichnung veranschaulicht klar zwei Hauptvorteile von soft-QoS-Neuzuweisungen:

• Die minimale Zufriedenheit verbringt signifikant mehr Zeit auf der höchsten Stufe (5);
• Die minimale Zufriedenheit verbringt signifikant weniger Zeit im Bereich niedriger Zufriedenheit.

Die Verarbeitungsanforderungen der vorgeschlagenen soft-QoS-Steuerung produziert Ergebnisse wie folgt. Es wurde beobachtet; dass etwa 160 Neuverhandlungen pro Sekunde erzeugt wurden, wenn der Anschluss der Vermittlung zu etwa 80% Nutzung mit interaktiven MPEG-2-Video-Strömen belastet ist. In einer Standardkonfiguration benötigte die Steuerung weniger als 5 ms, um eine Neuverhandlungsanforderung zu verarbeiten. Somit kann die gegenwärtige Java-basierte Verwirklichung der Steuerung mehr als 200 r.p.s. verarbeiten. Unter Beachtung, dass die Neuverhandlungsverarbeitungskapazität der Vermittlungssteuerung unter Verwendung eines Just-in-Time-Compilers, von nativen Verfahren oder einer Multiprozessor-Steuerung signifikant verbessert werden kann, kann geschlossen werden, dass die soft-QoS-Steuerung innerhalb der Möglichkeiten gegenwärtig verfügbarer, externer Vermittlungssteuerungen verwirklicht werden kann.
Jedoch betrachten diese Auswertungen nur die Verarbeitungsanforderungen, um eine Zuweisung zu berechnen, sobald die Verhandlungsanforderung die soft-QoS-Steuerung erreicht.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung führt weiche Dienstqualität (soft-QoS) ein, ein neuartiges Konzept, das die Lücke zwischen der effizienten Bereitstellung von QoS auf Netzwerkebene und den Anforderungen von Multimedia-Anwendungen überbrückt. Das Konzept von soft-QoS sieht die Verwirklichung eines flexiblen und effizienten Bandbreitenzuweisungsschemas für adaptive Multimedia-Anwendungen vor. Die Bandbreitenzuweisung wird verwirklicht innerhalb einer soft-QoS-Steuerung für die VBR⁺-ATM-Netzwerkdienstklasse. Die Leistung der soft-QoS-Steuerung für interaktives MPEG-2-Video über ATM gilt bei heterogenen soft-QoS-Anforderungen.
Die Steuerung verwendet das Weichheitsprofil der Verbindungen, um eine Bandbreitenzuweisung zu berechnen, welche den minimalen Zufriedenheitsindex der aktiven Verbindungen maximiert.
Simulationsergebnisse zeigen, dass der Zufriedenheitsindex aktiver Verbindungen bei hohen Nutzungsregimen (89–90%) mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit in dem Bereich akzeptabler Zufriedenheit gehalten wird, während die Verarbeitungsanforderungen innerhalb der Möglichkeiten gegenwärtiger PC-basierter, externer Vermittlungssteuerungen gehalten wird. Zusätzlich kann die zusätzliche Signalisierung, die durch Neuzuweisung von Bandbreite während einer Überlastung erzeugt wird, durch den Auslichtungsschwellwert des Algorithmus linear gesteuert werden.
Obgleich die präsentierten Ergebnisse auf Weichheitsprofilen für Video basieren, ist die Definition von soft-QoS für adaptive Multimedia-Anwendungen generell angemessen. Die Simulationen nutzen einen Basisliniensatz von Weichheitsprofilen. Exaktere Weichheitsprofile können definiert und erneut definiert werden, wenn die Erfahrung der Benutzer mit verteilten Multimedia-Anwendungen wächst. Neue Profile können leicht eingebracht werden, sobald sie verfügbar werden.

Claims

Verteiltes Multimediasystem mit weicher Dienstqualität, umfassend: eine Mehrzahl von Clients (710) mit Anwendungen; eine Steuerung (625, 635) der weichen Dienstqualität; und ein Netzwerk (520); wobei die Steuerung (625, 635) der weichen Dienstqualität eine Verbindung zwischen einer Anwendung (660) und dem Netzwerk (520) zulässt und eine Bandbreite für jede Verbindung anpassbar steuert, was auf Basis eines den Qualitätsgrad für jede Verbindung wiedergebenden Güteindexes und eines von jeder Verbindung angenommenen minimalen Güteindexes erfolgt; und wobei die Verbindung durch ein Referenzprofil (1002) spezifiziert wird, das mit einer Bandbreite der Verbindung in Zusammenhang steht; und wobei die Steuerung (625, 635) der weichen Dienstqualität, wenn die Verbindung in Betrieb ist, eine Neuverhandlungsanforderung auf Basis der weichen Dienstqualität verarbeitet, wenn die Neuverhandlungsanforderung eine von dem Referenzprofil verschiedene Bandbreite anfordert, und die durch die Neuverhandlungsanforderung angeforderte Bandbreite zuweist; und wobei die Steuerung (625, 635) der weichen Dienstqualität umfasst: ein eine weiche Verbindung zulassendes Steuermodul (CAC-Modul 1030), das auf das Referenzprofil (1002) und die Neuverhandlungsanforderung anspricht, um die Zulassung der Neuverhandlungsanforderung zu steuern; einen Güteschätzer (1010) zur Berechnung eines Güteindexes der Neuverhandlungsanforderung, wenn die Neuverhandlungsanforderung zugelassen ist; und ein Steuermodul (1020) der weichen Dienstqualität zur Zuweisung der Bandbreite für die Neuverhandlungsanforderung auf Basis des berechneten Güteindexes und des minimalen Güteindexes.
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 1, bei dem das Referenzprofil durch Referenzprofilparameter festgelegt ist, die sich aus einer Grundlinienrate (R_B), einer maximal zu erwartenden Abweichung Δmax von der Grundlinienrate R_b und ei nem dem minimalen Güteindex entsprechenden Profil S_H ^–1 (sat_min) zusammensetzen.
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Steuermodul (1030) der weichen Dienstqualität die Bandbreite in Reaktion auf die Neuverhandlungsanforderung durch Verwendung des Weichheitsprofils, das durch den Güteindex festgelegt ist, wodurch der Gütegrad wiedergegeben wird, und eines Bandbreitenverhältnisses zwischen einer angeforderten Bandbreite und einer angenommenen Bandbreite zuweist.
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 3, bei dem das Bandbreitenverhältnis r unter Verwendung des Weichheitsprofils mittels der folgenden Formel berechnet wird:
wobei r(s) das Bandbreitenverhältnis bezeichnet; A, B und C drei Zahlen sind, die die Bandbreitenanforderungen einer Client-Anwendung und deren Leistungsanforderung beschreiben, wobei A, B und C Zahlen kleiner 1 sind, für die 1 ≥ A ≥ B ≥ C ≥ 0 gilt; und L gegeben ist durch:
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Neuverhandlung von einem Anwender oder dem Netzwerk aufgerufen werden kann.
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Neuverhandlung an Netzwerkelemente übersandt wird.
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dienstqualität in Form von Framerate and Framedetail vorliegt.
Verteiltes Multimediasystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Multimediabitratenquelle Ratensteuerung zur Skalierung ihrer Bitrate und Qualität verwendet.