86
1 Smoothing Variable-Bit Rate Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Video and Multiplexing in an Internetwork Internetwork April 1 , 2002 April 1 , 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: http://www.cse.bgu.ac.il/~hadar Copyright @2001, O. Hadar

1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

  • View
    222

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

1

Smoothing Variable-Bit Rate Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Video and Multiplexing in an

Internetwork Internetwork April 1 , 2002April 1 , 2002

Ofer Hadar

Communication Systems Engineering Dept., BGU

URL: http://www.cse.bgu.ac.il/~hadar

Copyright @2001, O. Hadar

Page 2: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

2

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

The Basic problemThe Basic problem

Network like predictable, “regular” traffic (CBR):

Can allocate resources (bandwidth, buffers,…) and commit to QoS

Allows for better pricing. Users like bursty information :

Data File transfer, fax, e-mail, telnet, web-browsing, etc.

Video streams are Variable Bit Rate (VBR) by nature.

Page 3: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

3

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

OutlineOutline

Problem Background

Motivation for smoothing of pre-recorded video

The Piecewise Constant Rate Transmission and Transport (PCRTT) algorithm.

The e-PCRTT algorithm.

Multiplexing of smoothed video streams.

Conclusions and ongoing work.

Page 4: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

4

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Case in Point: MoviesCase in Point: Movies

Huge (and only?) bandwidth consumer

Without compression: Unthinkable (up to 1 Gbps for HDTV stream)

With compression: highly bursty

temporal and spatial information: frames vary in sizes, scenes vary in bandwidth rate

Page 5: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

5

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

MPEG CompressionMPEG Compression::

Fixed GoP pattern such as IBBPBBP IBBPBBP I frames are JPEG encoded

B and P frames exploit temporal redundancy

I, P, B Frames

Page 6: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

6

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

What to do ? (1)What to do ? (1)

Conservative rich: reserve peak required bandwidth.

Wasteful, costly:ratio of peak to average rate may be over 5:1.

Conservative poor:

compress to specified bandwidth

Page 7: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

7

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Peak Bandwidth reservationPeak Bandwidth reservation

0 200 400 600 800 1000 12000.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2x 10

4

Reserved peak-rate Wasteful of Bandwidth

Page 8: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

8

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

CBR Video EncodingCBR Video Encoding

b = target encoding rate

q(n) is a function of buffer contents

quantization becomes very coarse as buffer

contents approaches B

Why is it always blurry exactly when it starts getting interesting ?

Encoder Buffer

Digitizadvideo

B

q(n) = quantization scale

Xn

Storage

b/F bits per frame

Page 9: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

9

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

What to do ? (2)What to do ? (2)

Practical solution: trade bandwidth for memory.

With large storage space: trickle the stream, playback from memory

need huge space how about live broadcast?

Page 10: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

10

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

What to do ? (3) What to do ? (3) Smoothing of Pre-Recorded VideoSmoothing of Pre-Recorded Video

Solution : reduce burstiness by prefetching video frames into the client playback buffer

Emerging applications:

Distance learning

Movies, advertisements

Virtual reality

Page 11: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

11

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Network EnvironmentNetwork Environment

Server with pre-recorded video on large, fast disks

Network, perhaps with rate or delay guarantees

Client sites with buffer space for video playback

ClientSmoothing

BufferVideo File

Server

0 2 4 6 8 10 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 x 10 4

( e.g. set-top box)

0 2 4 6 8 10 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 x 10 4

Network

M onitor

Page 12: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

12

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Bandwidth Smoothing AlgorithmsBandwidth Smoothing Algorithms

Given the parameters:

Frame size {fi} for n frames

Client buffer size b And the constraints at the client buffer:

Avoid underflow Avoid overflow

Find a server transmission schedule consisting of:

Number of time intervals Transmission of video at rate rj during the interval j

Time intervals of length tj , in units of frame slots

k

iiunder fkF

0

k

iiover fbkF

0

nm

Page 13: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

13

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Burstiness of MPEG streamsBurstiness of MPEG streams

Integration

MPEG - Compressed video stream

B

B

P

BB

B

P

BB

II

I

Frame number

GOP

B

Bytes

Page 14: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

14

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Constructing a feasible rate-planConstructing a feasible rate-plan

Bandwidth changes

Overflow (Packets losses)

Underflow (Delay)

F_overF_under

b [buffer size]

b

start

end

Accumulative Bytes

Frame number

Page 15: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

15

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Existing Smoothing AlgorithmsExisting Smoothing Algorithms Critical bandwidth allocation [Feng95]

Minimum peak bandwidth Minimum number of bandwidth increases

Minimum changes bandwidth allocation [Feng95a]

Minimum peak bandwidth Minimum number of bandwidth changes

Minimum variability bandwidth allocation [Salehi96]

Minimum peak bandwidth Minimum variability of bandwidth allocations

Piecewise constant rate transmission [McManus96]

Bandwidth changes at periodic intervals Enhancement- Piecewise constant rate transmission [Hadar98]

Reducing the required client buffer

Page 16: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

16

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

b

The PCRTT algorithmThe PCRTT algorithm

min_dif

max_difOffset

L

U

Accumulative bytes

Frame number / timet

difdifB min_max_min B=Buffer size

T

Page 17: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

17

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Description of construction theDescription of construction the e-PCRTT algorithm e-PCRTT algorithm

b(t)

F_under

F_over

b

I2

B=Buffer size

T

(Initial delay=b/2), I1 Time (in frames units)

Accumulative bytes

Page 18: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

18

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Motion JPEG trace StatisticsMotion JPEG trace Statistics (in Kb/Frame) (in Kb/Frame)

Video

Name

Big E.T

(100)

Home

Alone2

Honey, I

blew Up

the Kid

Hot

Shots 2

Junior Rookie

of the

Year

Seminar 1 Sister

Act

Mean

Rate

12.35 15.75 11.38 13.84 12.77 14.01 12.43 8.604 11.902

STD

Rate

3.58 3.29 2.48 3.18 3.24 3.19 2.73 0.59 2.61

Peak

Rate

23.48 30.55 22.01 23.29 29.93 25.12 27.88 10.98 24.91

The most burstiness trace The least burstiness trace

Page 19: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

19

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

The influence of interval size on video rate-planThe influence of interval size on video rate-plan

0 500 1000 1500 2000 4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

14000

Interval size = 100 [frames]Interval size = 500 [frames]Interval size = 1000 [frames]

Time (frame time units)

Bytes /frame

Page 20: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

20

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

The impact of smoothing on the Marginal The impact of smoothing on the Marginal DistributionsDistributions

Unsmoothed

Smoothed:900 frames

Smoothed:10,000 frames

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 10 4

0

1000

2000

Rate [Bytes / frame]

No.

of

tran

smis

sion

Siz

es

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 10 4

0

20

40

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

x 10 4

0

5

10

No.

of

tran

smis

sion

Siz

esN

o.

of tr

ansm

issi

on S

izes

Rate [Bytes / frame]

Rate [Bytes / frame]

Page 21: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

21

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Bandwidth Fill Factor (Bandwidth Fill Factor (BFFBFF) criteria for network ) criteria for network utilizationutilization

ratePeak

rateAverage

ratePeak

rN

NratePeak

rBFF

N

ii

N

ii

_

_

_

1

_11

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2 x 10

4

Smoothed transmission rate

Waste or allocate

elsewhere

Peak-rate

Time (frame units)

Byt

es/f

ram

e

Peak-rate

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2 x 10

4

Video original bit rate

Waste or allocate elsewhere

Time (frame units)

Byt

es/f

ram

e

Page 22: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

22

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

BFFBFF as function of the smoothing interval size (frames as function of the smoothing interval size (frames units), for 9 single streams and one multiplexed stream.units), for 9 single streams and one multiplexed stream.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.0E+00 2.0E+02 4.0E+02 6.0E+02 8.0E+02 1.0E+04

Smoothing interval size (Frames)

BF

F

Seq_1

Seq_2

Seq_3

Seq_4

Seq_5

Seq_6

Seq_7

Seq_8

Seq_9

Seq_10

Multiplexed stream

E.T

Page 23: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

23

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Individual SmoothingIndividual Smoothing

Individual smoothing is optimal in terms of Individual streams.

Individual smoothing implies smoothing each stream individually without considering other streams that are transmitted simultaneously.

Individual smoothing is not optimal in terms of a multiplexed group of streams.

Page 24: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

24

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Multiplexing of Smoothed Video streams according toMultiplexing of Smoothed Video streams according to e-PCRTT e-PCRTT

Smoothed video stream 2

Multiplexer...

Accumulative rate requirement (Bytes/Frame)

Rate requirement (Bytes/Frame)

Smoothed video stream 1

Smoothed video stream n Time (frame units)

Time (frame units)

Page 25: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

25

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Synchronized against Unsynchronized Multiple streams Synchronized against Unsynchronized Multiple streams (Total 5 video streams)(Total 5 video streams)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 1.02

1.04

1.06

1.08

1.1

1.12

1.14

1.16

1.18 x 10

5

Synchronized multiple stream

Unsynchronized multiple stream

Time (in frames units)

Rate (Bytes/frame)

Page 26: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

26

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Rate histograms of multiplexed stream: Rate histograms of multiplexed stream: (a) Synchronized streams (b) Unsynchronized streams.(a) Synchronized streams (b) Unsynchronized streams.

5 6 7 8 9 10 11

x 10 4

0

50

100

150

200

5 6 7 8 9 10 11 12

x 10 4

0

100

200

300

400

Number of bandwidthchanges: 1,972

Max_rate=106,374. KB/frameStd. = 7,263 KB/frame

Max_rate=112,354 KB/frameStd. = 7,861 KB/frame

(a)

(b)

Number of bandwidthchanges: 5,918

Rate [Bytes / frame]

Rate [Bytes / frame]

No. o

f tr

ansm

issio

n S

izes

No. o

f tr

ansm

issio

n S

izes

Page 27: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

27

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Objectives for Objectives for Multiplexing algorithmsMultiplexing algorithms

Consider the interaction between all streams.

Provide each individual stream a valid transmission.

Provide each individual stream a near-to-optimal transmission schedule.

computation load should suite real-time purpose.

Page 28: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

28

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Different Schemes for Efficient MultiplexingDifferent Schemes for Efficient Multiplexing

Time shifting schemes (Admission control schemes).

Re-smoothing schemes.

Optimal smoothing with linear approximation.

Page 29: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

29

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Applying Admission Control Policy to E-PCRTT Smoothed Video Streams

In the initiation stream, the user negotiates an appropriate bandwidth rate-plan with the network.

For each video stream the network reserves a series of different CBRs over equal size time-intervals according to the e-PCRTT algorithm.

The following metrics are used to determine the optimal interval size and initiate transmission time:

The maximum BFF. The minimum rate variance. The minimum peak-rate of the multiplexed stream

Page 30: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

30

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Minimum variance of the Multiplexed streamMinimum variance of the Multiplexed stream

mn

diffunctionQ

blokblokdifn

nn

1_

1

0

5

10

15

20

25

bit

frame

reat program

Page 31: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

31

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Demonstration of the Admission control Demonstration of the Admission control processprocess

New request for a video stream

One interval shifting

Page 32: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

32

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Time allocation of 10 different multiplexing video streams using the BFF criteria

0 20 40 60 80 100 120 140 0

20

40

60

80

100

120 Actual Multiplexed Link Bandwidth

Time (Minutes)

Page 33: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

33

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

BFF as a function of number of streams

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

B F

F

Number of streams

Page 34: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

34

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

An example of multiplexing two video streams An example of multiplexing two video streams into a CBR channel before and after bandwidth into a CBR channel before and after bandwidth

smoothingsmoothing..

0 2 4 6 8 10 1

1.5

2

2.5

3

3.5

4 x 10 4

Combined smoothed streams Combined Unsmoothed streams

(1)

(2)

Peak -rate

Page 35: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

35

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

The management process of bandwidth rate The management process of bandwidth rate reduction at the reduction at the j'thj'th interval interval

t

t

New plan Original plan

BW Network Peak-Rate

tj

Rate reduction

BWi

BW R

rI

Page 36: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

36

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTTM-EPCRTT Multiplexing of EPCRTT smoothed streamsMultiplexing of EPCRTT smoothed streams

All input streams are smoothed by the e-pcrtt algorithm using fixed-size intervals

Extreme peaks of the multiplexed stream exceeding the systems bandwidth are re-smoothed in order to achieve bandwidth reduction.

The re-smoothing is e-pcrtt oriented and provides each stream a valid, near-to-optimal transmission schedule

Page 37: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

37

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Time

Page 38: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

38

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Time

Page 39: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

39

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Time

Page 40: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

40

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Time

Page 41: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

41

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Time

Page 42: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

42

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 43: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

43

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 44: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

44

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 45: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

45

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 46: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

46

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 47: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

47

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 48: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

48

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT system’s inputsystem’s input

Time

Non -Buffered Multiplexer

Smoothing

Smoothing

Smoothing

Total Bandwidth

Page 49: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

49

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream

Time

Total Bandwidth

Page 50: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

50

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream

Time

Total Bandwidth

RR - The systems bandwidth.

The bandwidth of some intervals excesses the link’s bandwidth B.

Page 51: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

51

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream

Time

Total Bandwidth

RR - The systems bandwidth.

MI

MI - multiplexing Interval.

The Multiplexed Streams is divided in to MI, each processed independently.

Page 52: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

52

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT the multiplexed streamthe multiplexed stream

Time

Total Bandwidth

RR - The systems bandwidth.

SI

SI - Individual Smoothing fixed size interval.

MI - multiplexing Interval.

MI

The MI is considerably larger than SI, (in simulation it was 45 times bigger).

Page 53: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

53

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT iterative re-smoothingiterative re-smoothing

Time

Total Bandwidth

R

1) Find the Extreme Peak (will be denoted as Smoothing Interval SIj).

2) Select the stream (Si) which will enable a maximum bandwidth- reduction at the extreme peak.

SIj

Page 54: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

54

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT iterative re-smoothingiterative re-smoothing

Time

The BFSM algorithm is implemented on the selected Individual stream in order to reduce its bandwidth at the extreme peak.

SIj

Si

Page 55: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

55

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm

Time

Backward Forward Smoothing Multiplexing

Si

SIj

Page 56: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

56

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm

Time

The BFSM changes the transmission schedule of Si

by reducing the bite rate in SII and increasing it in the neighboring intervals.

Si

SIj

Page 57: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

57

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm

Time

In order to do so the area of neighboring intervals that would be changed should be determined.

Si

SIj

Page 58: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

58

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm

Time

We define the neighboring area between the nearest two local minimums.

Total Bandwidth

SIj

Page 59: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

59

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm

This is the E-PCRTT ‘Data Flow River’ of stream Si

Page 60: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

60

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT BFSM algorithmBFSM algorithm

The BFSM is derived from the E-PCRTT algorithm.

Page 61: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

61

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTTM-EPCRTT

BFSM algorithm

Re-smoothing

Iterated

RR

Page 62: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

62

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT PerformancePerformance

0 5 10 15 20 25 30 35 40 452.6

2.8

3

3.2

3.4

3.6

3.8

4x 10

4Global Bandwidth Constraint:original "dotted", M-EPCRTT "solid"

Smoothing Intervals

Ban

dwid

th

Page 63: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

63

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

M-EPCRTT M-EPCRTT PerformancePerformance

x 104

Iterations0 50 100 150 200 250 300

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

4Global Bandwidth Constraint:Maximum Bandwidth in every Iteration.

Ban

dwid

th

Page 64: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

64

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Optimal Multiplexing of Video StreamsOptimal Multiplexing of Video Streams

Assume m video streams. Denote the video streams by the index j = 1 , …, m.

Divide this stream into equal periods of length .

Let L j (t) be a piecewise linear approximation to L j (t) with

breakpoints at epochs .

Let the ith period correspond to the time interval: [ (i-1)t (i)t], i = 1,…,n .

Then the breakpoints of L j (t) , for the jth video stream, are

represented by the sequence of values : LI,J ,i = 0,…,n.

Construct a piecewise linear approximation of U j (t) with the

same breakpoints as in L(t) :U j (t) = L j (t) + bj

T

TnTiTTt ,...,,...,2,,0

Page 65: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

65

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

The Linear programming solutionThe Linear programming solution

Buffer = B

Effective Buffer size

B’

Rate plane after Linear programming

Page 66: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

66

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Denote the values of U j (t) at each breakpoint as the

sequence: u i j ,i = 0,…,n .

where, u i j = l i j + bj

u i j u i+1 j

i-1 i i+1

ratel i j l i+1 j

yi j yi+1 j

Page 67: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

67

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Let such a schedule for the jth video stream be represented by the sequence:

S j = {yi j , yi+1 j ; i = 0,…,n } (1) 

Such a schedule is said to be a feasible if: l i j <= yi j <= u i j ,i = 0,…,n (2) 

Let r i j = the rate in segment i of the jth video stream.

where,

r i j = yi j - yi-1 j , i = 1,…,n (3)

  Let the total rate for all video streams in period i be:

(4)

  Let R denote the peak rate as the maximum rate over all n periods.

R = Max {r i ; i = 1,…,n } (5)

The Optimal Multiplexing Problem 

The Optimal Multiplexing Problem is to find the collection of schedules {S j

; j = 1,…,m } such that the maximum rate is minimized, i. e. 

Find Z = Min Max{r i ; i = 1,…,n } (6)

S j , j=1,…,m  

n

jjii rr

1,

Page 68: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

68

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Small Example for Small Example for Multiplexing Solution from Multiplexing Solution from Linear ProgrammingLinear Programming

Buffer Size Fixed at B(j)= 5, for each Video Stream j = 1,2,3 . 4 time intervals L = 0 1 4 5 10

0 2 3 4 9 0 4 5 6 10

U =

5 6 9 10 15

5 7 8 9 14

5 9 10 11 15 The Optimal solution Transmission Schedule

 Y =

  5.0000 5.0000 8.0000 10.0000 10.0000

5.0000 5.0000 5.5000 5.5000 9.0000

5.0000 8.5000 8.5000 10.0000 10.0000

 

Page 69: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

69

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Total Rate = 3.5, 3.5, 3.5, 3.5 Total Rate = 3.5, 3.5, 3.5, 3.5 Optimal Rate = 3.5 (Buffer = 5)Optimal Rate = 3.5 (Buffer = 5)

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15Stream for Video1

period epochsM

Byt

es

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15Stream for Video2

period epochs

MB

ytes

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15Stream for Video3

period epochs

MB

ytes

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

20

40

Period Epochs (Buffer =5 For Each Video Stream, Opt Multiplex Rate = 3.5)

Total All Video Streams

MB

ytes

Page 70: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

70

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Optimal Peak Rate vs Total Buffer SizeOptimal Peak Rate vs Total Buffer Size(Buffer = 5 for each Video Stream)(Buffer = 5 for each Video Stream)

0 5 10 15 20 25 30 35 400

2

4

6

8

10

12

14Optimal Peak Rate vs Total Buffer Size (Buffer =5 For Each Video Stream

Total Buffer Size , B

Opt

imal

Pea

k R

ate

, R

Page 71: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

71

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Total Rate = 7, 6, 8, 7 Total Rate = 7, 6, 8, 7 Optimal Rate = 8 (Buffer = 2)Optimal Rate = 8 (Buffer = 2)

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

Stream for Video1

period epochsM

Byt

es

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

Stream for Video2

period epochs

MB

ytes

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

Stream for Video3

period epochs

MB

ytes

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

20

Period Epochs (Buffer =2 For Each Video Stream, Opt Multiplex Rate = 8)

Total All Video Streams

MB

ytes

Page 72: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

72

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Zooming of Total Accumulative streamZooming of Total Accumulative stream

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

5

10

15

20

25

30

35

Period Epochs

TotalMultiplexed Stream(Buffer =2 For Each Video Stream,Opt Multiplex Rate = 8

MB

ytes

Page 73: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

73

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Zooming of Total Bit-rateZooming of Total Bit-rate

1 2 3 4 50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Periods (Buffer =2 For Each Video Stream, Opt Multiplex Rate = 8)

Total Rate - Multiplexed Stream

MB

ytes

Page 74: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

74

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Multiplexing ComparisonMultiplexing Comparison

Interval

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5x 10

7R

ate(

Mbi

t/sec

)

Buffer size = 1 Mbytes

Page 75: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

75

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5x 10

7

Interval

Rat

e(M

bit/s

ec)

Buffer size = 2 Mbytes

Page 76: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

76

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

7

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5x 10

Interval

Rat

e(M

bit/s

ec)

Buffer size = 3 Mbytes

Page 77: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

77

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5x 10

7

Interval

Rat

e(M

bit/s

ec)

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

Buffer size = 5 Mbytes

Page 78: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

78

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5x 10

7

Interval

Rat

e(M

bit/s

ec)

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

Buffer size = 10 Mbytes

Page 79: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

79

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2003.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5x 10

7

Interval

Rat

e(M

bit/s

ec)

Channel Bandwidth = C

Multiplexed Stream

RateonTransmissiunderareaTotal

BandwidthChannelaboveareaTotalPloss

Page 80: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

80

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Total Ploss

40 50 60 70 80 90 100Bandwidth(Mbit/sec)

P lo

ssPCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

Buffer size = 1 Mbytes

Rmax= 78 Mbit/s

Rmax= 65 Mbit/s

Page 81: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

81

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

bandwidth(Mbit/sec)

P lo

ss

Rmax= 64 Mbit/s

Rmax= 78 Mbit/s

Buffer size = 2 Mbytes

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

Page 82: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

82

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Total Ploss

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

bandwidth(Mbit/sec)

P lo

ss

Buffer size = 5 Mbytes

Rmax= 78 Mbit/s

Rmax= 63 Mbit/s

Page 83: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

83

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Total Ploss

30 40 50 60 70 80

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

bandwidth(Mbit/sec)

P lo

ss

Rmax= 78 Mbit/s

Rmax= 62.5 Mbit/s

PCRTT multiplexing without any manipulations

Multiplexing through Linear Programming

Buffer size = 10 Mbytes

Page 84: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

84

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Block diagram for future research

VoD Disks

Video Server

Clients

Encoding + Streaming

Video Source

High Speed

Network

High Speed

Network

Video Rate Smoothing &Efficient schemes for Multiplexing

Stored Content

Live Video

R total_Max

)R3_Max, B3_max(

)R1_Max, B1_max(

)R2_Max, B2_max(

Page 85: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

85

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Ongoing WorkOngoing Work

Smoothing with Linear filtering Allows us to calculate analytically the rate histogram.

Smoothing after multiplexing Aggregated Smoothing.

Efficient smoothing algorithm for CBR service Deriving the optimum channel rate and initial play back delay

under the constraint of client buffer size. Optimization of the Multiplexing problem with different

constraints. Multiplexing of smoothed video streams in Video on Demand

System.

Page 86: 1 Smoothing Variable-Bit Rate Video and Multiplexing in an Internetwork April 1, 2002 Ofer Hadar Communication Systems Engineering Dept., BGU URL: hadar

86

המחלקה - אוניברסיטת בן-גוריון בנגב (37111231 )רשתות תקשורת מולטימדיה להנדסת מערכות תקשורת

Future workFuture work

Construct an admission control suitable for real-time.

Implement other re-smoothing heuristics.

Comparing these algorithms with the optimal multiplexing algorithm.

Implementing a real VoD system which will include various multiplexing schemes.