Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Optimal quality of service under dynamic resource constraints in distributed multimedia database systems

 
: Thimm, H.

:
urn:nbn:de:0011-b-731208 (1.6 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: f29dee515c76f3f48948db1ead0adfa4
Created on: 31.07.2002


Sankt Augustin: GMD Forschungszentrum Informationstechnik, 1998, 232 pp.
Zugl.: Darmstadt, TU, Diss., 1998
GMD research series, 1998,10
ISBN: 3-88457-334-9
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPSI; 2007
Dienstgüte; Dienstgüteanpassung; Ressourcenverwaltung; Multimediale Präsentation; Medienskalierung; Multimedia; Datenbankverwaltungssystem; reaktives System; quality of service; Service Management; best-effort data delivery; multimedia presentation; media scaling; multimedia database system; resource management; reactive system

Abstract
Zukünftige Multimedia-Datenbankverwaltungssysteme (MM-DBVS) müssen neue, multimedia-spezifische Dienste bereitstellen. Da multimediale Anwendungen im allgemeinen präsentationsintensiv sind, ist insbesondere ein Dienst zur Verwaltung und Ausführung multimedialer Präsentationen erforderlich. Wir nennen diesen Dienst im folgenden Playout Management Dienst. In einem MM-DBVS übernimmt der Playout Management Dienst die Aufgabe, Medienobjekte wie z.B. Texte, Bilder, Audios, Videos und digitale Animationen, sowie deren Kombination zu komplexen Präsentationen dem Benutzer zu präsentieren. Dabei sind die vom Benutzer spezifizierten Präsentationsparameter einzuhalten, die auch als benutzerspezifische Dienstgüte bzw. Quality of Service (QoS) Parameter bezeichnet werden. Beispiele für QoS Parameter sind Größe und Farbtiefe von Rasterbildern oder Bildwiederholrate und Gleichlaufschwankung von Videopräsentationen. Da in verteilten Umgebungen die Verfügbarkeit von Betriebsmitteln nicht kontinuierlich garantiert ist, kann es während multimedialer Präsentationen häufig zu Ressourcenmangel kommen. Dieser Mangel an Ressourcen erschwert die Einhaltung aller QoS Parameter, so daß im Extremfall die Präsentation unkontrolliert terminiert. Eine triviale Interventionsstrategie ist das Pausieren der Präsentation so lange bis die Ressourcen wieder ausreichend verfügbar sind. Eine Alternativstrategie ist die Anpassung der QoS Parameter an die verfügbaren Ressourcen unter Berücksichtigung der vom Benutzer spezifizierten Ober- und Unterschranken. Dieser zweite Ansatz wird auch als Adaptive QoS Management bezeichnet. Bei Ressourcenmangel werden dabei die Werte der QoS Parameter verschlechtert, während sie bei Überfluß verbessert werden. Die Reduzierung der Bildwiederholrate bei Videopräsentationen, z.B. von 30 auf 20 Bilder pro Sekunde, kann zur Anpassung bei Ressourcenmangel vorgenommen werden. Die Auswahl der zu adaptierenden QoS Parameter kann entweder explizit durch den Benutzer oder vollautomatisch durch das MM-DBVS erfolgen. Übernimmt diese Aufgabe das MM-DBVS, ist der Benutzer von dem schwierigen Problem befreit, geeignete Parameteranpassungen aus einer Vielzahl möglicher Alternativen auszuwählen (insbesondere bei komplexen, multimedialen Präsentationen). Darüber hinaus kann eine vollautomatische Auswahl bestmögliche QoS Parameter und minimale Anzahl an Präsentationsunterbrechungen garantieren. Die Vorteile des vollautomatischen Ansatzes motivieren daher eine Erweiterung des Playout Management Dienstes zu einem Reactive Playout Management Dienst für adaptive, multimediale Präsentationen. Um diesen Dienst erweiterte MM-DBVS ermöglichen nun erstmals multimediale Präsentationen in verteilten Umgebungen mit stark schwankender Verfügbarkeit an Ressourcen wie z.B. in Intranets. Trotz unvorhersehbarer Schwankungen wird die Präsentation bestmöglich durchgeführt. Diese Dissertation stellt einen Ansatz für einen Reactive Playout Management Dienst vor, der integriert in ein MM-DBVS mehrere Präsentationen gleichzeitig, unter bestmöglicher Anpassung an die verfügbaren Ressourcen präsentieren kann. Kernaussage dieser Dissertation ist, daß die bestmögliche Anpassung an die verfügbaren Ressourcen, eine globale Optimierung der QoS Parameter aller gleichzeitig ablaufender Präsentationen erfordert. Ziel der globalen Optimierung ist, die QoS Parameter der einzelnen Präsentationen so zu optimieren, daß die durchschnittliche Qualität bzw. Dienstgüte aller Präsentationen optimal wird. Es werden Konzepte zur Berechnung der Dienstgüte multimedialer Präsentationen eingeführt und ein Steuerungssystem zur globalen Optimierung der einzelnen Dienstgüten spezifiziert. Wir nennen dieses Steuerungssystem im folgenden Embedded Presentation QoS Control System (PQCS). Kern des PQCS bildet ein Algorithmus zur Auswahl und Ausführung sogenannter Corrective Actions Sets, die die QoS Parameter der einzelnen Präsentationen optimal an die verfügbaren Ressourcen anpassen. Die Auswahl der Corrective Actions Sets basiert auf einer zweidimensionalen Metrik zu deren qualitativen Bewertung. Untersucht werden zwei verschiedene Ansätze zur Realisierung des beschriebenen PQCS Algorithmus. Der eine Ansatz basiert auf Linearer Programmierung, der andere auf eigenen Heuristiken. In einer Simulationsstudie werden konkrete Implementierungen beider Alternativen empirisch evaluiert. Die Integration des PQCS Systems in ein MM-DBVS erfolgt im Rahmen des MM-DBVS AMOS.

 

Multimedia database management systems (MM-DBMS) are expected to offer new multimedia-specific services that have not been required before. Since multimedia applications are presentation-intense, in particular demanded is a service to administer and execute multimedia presentations for on-demand viewers. We regard such a service as Playout Management Service. In a MM-DBMS, the Playout Management Service presents at the viewer's machine media objects such as text, pictures, audios, videos, and digital animations. It also performs complex presentations that are composed of multiple media objects. While performing presentations, the Playout Management Service has to accommodate the Quality of Service (QoS) parameters specified by the viewer. The size and color depth of a raster image and the frame rate and jitter delay of a video clip are sample QoS parameters to only name a few. As a result of ressource sharing, distributed computing environments cannot guarantee that ressources are sufficiently available all the time. Therefore, ressource scarcity may occur during multimedia presentations. In the presence of ressource scarcity, it becomes complicated to perform multimedia presentations according to given QoS parameters. In extreme cases, presentations may degenerate or even terminate in an uncontrolled manner. To overcome such defficiencies, a naive strategy is to pause the presentation when ressource scarcity is detected and to possibly resume the presentation when ample ressources are available later on. A more sophisticated approach is to dynamically (and continuously) adapt the QoS parameters to the available ressources under consideration of upper and lower bounds specified by the viewer. This approach is referred to as Adaptive QoS Management. In the event of ressource scarcity, QoS parameters are degraded. Conversely, degraded QoS parameters are improved when ressource abundance is detected. For example, it is possible to adapt a video presentation to ressource scarcity by reducing the frame rate from 30 frames per second (fps) to 20 fps. The QoS parameters to be adapted may either be manually chosen by the viewer or automatically by the MM-DBMS. When this choice is automatically handled, the viewer is freed from the difficult problem to find proper QoS parameters which values are to be changed to new values. For composite multimedia presentations this decision often leads to a combinatorial explosion of the parameter space. An automated selection of the QoS parameters may yield the best possible QoS parameters using optimization techniques. Following this idea, one may extend Playout Management towards a Reactive Playout Management (RPM) to automatically handle ressource fluctuations thereby optimizing QoS parameters. Such a RPM service enables a MM-DBMS to use the available resources so that multimedia presentations will be performed with the best possible QoS parameters. In this thesis we introduce a Reactive Playout Management Service that adapts QoS parameters across concurrent multimedia presentations under observation of the individual viewer constraints. It was our central goal that the service will adapt presentations towards the globally optimal QoS parameters with respect to the available ressources. Therefore, performed is a global optimization where the QoS parameters of the individual presentations are optimized so that the mean quality of all presentations becomes maximal. We introduce concepts to numerically evaluate the quality of multimedia presentations referred to as Presentation QoS. Using the Presentation QoS as optimization criterion, the global optimization as described above is then performed by a control system referred to as Embedded Presentation QoS Control System (PQCS). We specify the operation of the PQCS system in terms of the key routines and the data flow among them. In the presence of resource scarcity and abundance, respectively, performed first is a so-called Ressource Partitioning Routine that centrally determines the individual local shares by which presentations need to change their current ressource utilization. Then, a so-called Adaptation Preparation Routine is performed at each presentation site that will yield Corrective Action Sets. In turn, the Corrective Action Sets are applied to the individual presentations. We propose different algorithms for these routines based on Linear Programming and own heuristics. We evaluate these algorithms by a comprehensive simulation study. The architectural integration of our concepts is demonstrated in the framework of IPSI's own MM-DBMS AMOS.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/B-73120.html