Hierarchical routing and cross-layer mechanisms for improving video streaming quality of service over mobile wireless ad hoc networks
Pau Arce Vila · 2014
This thesis dissertation addresses the problem of providing video streaming services over mobile wireless ad hoc networks.This sort of network represents a hostile environment for this kind of real-time data transmission to the extent that obtaining a good quality of viewer experience is challenging and still under study.Besides the research point of view, providing high-quality multimedia services is decisive for the practical usability and feasibility of wireless ad hoc networks so that service providers can broaden the range of services offered.So far, mobile wireless ad hoc networks have been used to provide network connection among users who could not have connectivity otherwise.However, quality expectations and requirements have been increased notably, fostered by the advent of real-time multimedia applications over mobile devices.Due to the considerable processing and bandwidth constraints underlying these types of devices, coupled with their ability to move freely, it becomes a difficult task to achieve an acceptable quality of service throughout the entire video transmission.Thus, the contribution of this thesis work is twofold.On the one hand, the main problems and limitations that may be encountered and should be faced when deploying real-time services over mobile wireless ad hoc networks are analyzed and discussed.Bandwidth constraints and node mobility are portrayed as the major causes that prevent good quality of service and smooth video playback.On the other hand, following then the aim of improving video streaming quality, this thesis proposes practical solutions that involve diverse routing and cross-layer techniques.ii medium, any node in the surrounding area of the destination endpoint can altruistically retransmit those video packets that have not been correctly received at destination.Moreover, due to the video awareness and frame prioritization algorithm considered in this proposal, it becomes very convenient for real-time video streaming services.The results show that the presented mechanism succeeds in improving video quality and user experience, especially when packet losses are caused due to the mobility of the destination node.iii ResumenEsta tesis aborda la problemática que surge a la hora de proveer servicios de streaming de vídeo sobre redes móviles ad hoc inalámbricas.Este tipo de redes representa un entorno hostil para esta clase de transmisiones en tiempo real hasta el punto en que obtener una buena calidad de experiencia para el usuario se vuelve todo un reto.Además del punto de vista de la investigación, la posibilidad de proveer servicios multimedia de alta calidad es un factor decisivo para la usabilidad práctica y la viabilidad de las redes ad hoc de forma que los proveedores de servicios puedan ampliar su abanico de servicios ofertados.Hasta ahora, las redes móviles ad hoc inalámbricas han sido utilizadas para proporcionar conectividad de red entre usuarios que, de otro modo, no habrían podido tenerla.Sin embargo, los requerimientos y perspectivas de calidad se han ido incrementando notablemente, impulsados por la aparición de nuevas aplicaciones multimedia en tiempo real sobre dispositivos móviles.Debido a las considerables limitaciones en ancho de banda y capacidad de computación inherentes a este tipo de dispositivos, junto con la posibilidad de que puedan moverse libremente, se vuelve difícil obtener una calidad de servicio aceptable a lo largo de toda una transmisión de vídeo.Así, la contribución de esta tesis tiene un doble objetivo.Por un lado, se analizan los principales problemas y limitaciones que pueden encontrarse y deben tenerse en cuenta a la hora de desplegar servicios en tiempo real sobre redes móviles ad hoc inalámbricas.Las restricciones de ancho de banda y la movilidad de los nodos aparecen como las causas principales que impiden obtener una buena calidad de servicio y una reproducción de vídeo sin interrupciones.Por otro lado, y siguiendo con el propósito de mejorar la calidad del streaming de vídeo, se proponen soluciones concretas que engloban diversos mecanismos relacionados con los protocolos de encaminamiento y técnicas cross-layer.Una de las propuestas está centrada en encaminamiento jerárquico.La organización jerárquica de los nodos de la red puede reducir las interferencias entre paquetes así como ofrecer una arquitectura estructurada que ayude a reducir la sobrecarga de tráfico de paquetes de control.Concretamente, el protocolo de encaminamiento jerárquico propuesto tiene como objetivo incrementar la escalabilidad de la red a medida que el número de nodos aumenta, manteniendo una baja complejidad en el algoritmo.La iv reducción de la pérdida de paquetes, así como de las interrupciones en la reproducción, hace que la calidad del vídeo recibido se vea notablemente mejorada.Además, partiendo de la base de que los nodos de una red ad hoc están dispuestos a realizar tareas de encaminamiento, cada uno de estos nodos puede resultar esencial para el correcto funcionamiento de la red y el encaminamiento de paquetes.En armonía con esta filosofía, se propone un nuevo mecanismo cross-layer centrado en la recuperación de paquetes perdidos.Gracias a que el medio inalámbrico es compartido, cualquier nodo es capaz de sobreescuchar paquetes que no vayan dirigidos a él.Así, los nodos cercanos al nodo destino podrían guardar y retransmitir altruistamente aquellos paquetes que no hubieran sido recibidos correctamente en destino.Además, gracias a la capacidad de detectar y priorizar tramas de vídeo, esta propuesta resulta muy adecuada para servicios de streaming de vídeo en tiempo real.Los resultados obtenidos muestran que el mecanismo propuesto mejora la calidad de vídeo y la experiencia de usuario, especialmente cuando la pérdida de paquetes se produce debido a la movilidad del nodo destino.v Resum Esta tesi aborda la problemàtica que sorgeix a l'hora de proveir servicis de streaming de vídeo sobre xarxes mòbils ad hoc sense fil.Este tipus de xarxes representa un entorn hostil per a esta classe de transmissions en temps real fins al punt en què obtindre una bona qualitat d'experiència per a l'usuari es torna tot un repte.A més del punt de vista de la investigació, la possibilitat de proveir servicis multimèdia d'alta qualitat és un factor decisiu per a la usabilitat pràctica i la viabilitat de les xarxes ad hoc de manera que els proveïdors de servicis puguen ampliar el seu catàleg de servicis oferits.Fins ara, les xarxes mòbils ad hoc sense fil han sigut utilitzades per a proporcionar connectivitat de xarxa entre usuaris que, d'una altra manera, no haurien pogut tindre.No obstant això, els requeriments i perspectives de qualitat s'han anat incrementant notablement, impulsats per l'aparició de noves aplicacions multimèdia en temps real sobre dispositius mòbils.A causa de les considerables limitacions en amplada de banda i capacitat de computació inherents a este tipus de dispositius, junt amb la possibilitat que puguen moure's lliurement, es torna difícil obtindre una qualitat de servici acceptable al llarg de tota una transmissió de vídeo.Així, la contribució d'esta tesi té un doble objectiu.D'una banda, s'analitzen els principals problemes i limitacions que poden trobar-se i han de tindre's en compte a l'hora de desplegar servicis en temps real sobre xarxes mòbils ad hoc sense fil.Les restriccions d'amplada de banda i la mobilitat dels nodes apareixen com les causes principals que impedeixen obtindre una bona qualitat de servici i una reproducció de vídeo sense interrupcions.D'altra banda, i seguint amb el propòsit de millorar la qualitat del streaming de vídeo, es proposen solucions concretes que engloben diversos mecanismes relacionats amb els protocols d'acarrerament i tècniques cross-layer.Una de les propostes està centrada en acarrerament jeràrquic.L'organització jeràrquica dels nodes de la xarxa pot reduir les interferències entre paquets així com oferir una arquitectura estructurada que ajude a reduir la sobrecàrrega de tràfic de paquets de control.Concretament, el protocol d'acarrerament jeràrquic proposat té com a objectiu incrementar l'escalabilitat de la xarxa a mesura que el nombre de nodes augmenta, mantenint una baixa complexitat en l'algoritme.La reducció de la pèrdua de paquets, així com de les interrupcions en la reproducció, fa que la qualitat del vídeo rebut es veja notablement millorada.vi A més, partint de la base que els nodes d'una xarxa ad hoc estan disposats a realitzar tasques d'acarrerament, cada un d'estos nodes pot resultar essencial per al funcionament correcte de la xarxa i l'acarrerament de paquets.En harmonia amb esta filosofia, es proposa un nou mecanisme cross-layer centrat en la recuperació de paquets perduts.Gràcies a què el mig sense fil és compartit, qualsevol node és capaç de sobreescoltar paquets que no vagen dirigits a ell.Així, els nodes pròxims al node destí podrien guardar i retransmetre de forma altruista aquells paquets que no hagueren sigut rebuts correctament en destí.A més, gràcies a la capacitat de detectar i prioritzar trames de vídeo, esta proposta resulta molt adequada per a servicis de streaming de vídeo en temps real.Els resultats obtinguts mostren que el mecanisme proposat millora la qualitat de vídeo i l'experiència d'usuari, especialment quan la pèrdua de paquets es produeix a causa de la mobilitat del node destí.vii Agradecimientos Quiero dar las gracias a todas aquellas personas que de un modo u otro han estado presentes estos años y me han apoyado y animado, dejando de alguna forma su huella en este trabajo y en mí.En especial quiero agradecer al Dr. Juan Carlos Guerri, director de esta investigación, toda la paciencia y el apoyo brindados, y todos los cafés que hemos compartido revisando algoritmos, artículos y resultados.Quiero también extender mi agradecimiento a todos mis compañeros del Grupo de Comunicaciones Multimedia por hacer tan gratas las horas de trabajo e investigación.Especialmente a I