Μελέτη βελτιστοποίησης της μετάδοσης υπηρεσιών πολυμέσων σε ετερογενή ασύρματα δίκτυα

Abstract

The popular trend for wireless communications marks our demand for freedom and flexibility. Recently, the inherent human need for communication and sharing of ideas and experiences has been enriched with the need for wireless multimedia. Wireless multimedia communications have the ability to alter several parameters of our daily life. The great variety of offered services is only limited by the available resources of the wireless medium. The key is the capacity of the wireless medium and this research focuses on optimizing the video traffic while fully utilizing the wireless channel. This thesis introduces a new analytical method of creating synthetic MPEG-4 video streams over heterogeneous wireless networks. The aggregate video traffic generated by multiple wireless video sources is modeled by a two-dimensional Marcov chain. In order to achieve a guaranteed quality of service, a handoff mechanism is proposed based on the state transition probabilities of the statistical model. Moreover, an analytical distortion prediction model for H264/AVC coded video is presented. In order to precisely estimate the received video distortion, the proposed model utilizes the inherent characteristics of H.264/AVC coding and in particular, the correlation among neighboring video frames. The distortion prediction model’s ability to estimate the received video distortion is studied under different channel conditions. Hence, complex combinations of errors due to the wireless channel are considered in this thesis. Moreover, an analysis of video packet scheduling algorithms and traffic differentiation schemes, based on the video packet’s impact to the overall video distortion, is included. The importance of each video packet is estimated by the proposed distortion prediction model. Therefore, the transmission rate of a video source can be adapted to the varying wireless channel conditions. The evaluation of the model has been extended in order to include the study of the 802.11e standard, which incorporates mechanisms for guaranteeing quality of service. Finally, the thesis proposes algorithms for optimised video multipath routing in wireless multimedia sensor networks. A proposed extension of the LEACH protocol is implemented that ensures multipath video packet routing. Thus, significantly improved received video distortion and power consumption in the wireless sensor nodes, is achieved.

Η δημοφιλής τάση για ασύρματη επικοινωνία συμβολίζει την ανάγκη μας για ανεξαρτησία και ευελιξία. Σε συνδυασμό με την έμφυτη ανάγκη του ανθρώπου για επικοινωνία, ανταλλαγή σκέψεων και εμπειριών, η τάση αυτή περιλαμβάνει τα τελευταία χρόνια την απαίτηση για ασύρματα πολυμέσα. Η ασύρματη επικοινωνία πολυμέσων έχει τη δυνατότητα να αλλάξει πολλές από τις παραμέτρους της καθημερινότητάς μας. Η πληθώρα των εφαρμογών που προσφέρονται περιορίζεται μόνο από τη δυνατότητα του ασύρματου καναλιού να διαθέσει πόρους, ενέργεια και χρόνο. Η χωρητικότητα του ασύρματου διαύλου επικοινωνίας είναι το κλειδί και η έρευνα εστιάζει στη βελτιστοποίηση της μετάδοσης εφαρμογών ροής βίντεο, αξιοποιώντας όσο το δυνατόν καλύτερα το ασύρματο κανάλι. Στα πλαίσια της διατριβής προτείνεται μια νέα αναλυτική μέθοδος δημιουργίας συνθετικών βίντεο ροών MPEG-4 που μεταδίδονται σε ένα ετερογενές ασύρματο περιβάλλον. Η κίνηση που δημιουργούν πολλαπλές ροές βίντεο μοντελοποιείται από μια αλυσίδα Μαρκόφ δύο διαστάσεων. Προκειμένου να διατηρηθεί η ποιότητα παρεχόμενης υπηρεσίας, προτείνεται ένας μηχανισμός μεταγωγής των ροών βίντεο με βάση τις πιθανότητες μετάβασης καταστάσεων του μοντέλου. Επιπλέον, παρουσιάζεται ένα αναλυτικό μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης της αντιλαμβανόμενης ποιότητας κωδικοποιημένου βίντεο Η.264/AVC. Το μοντέλο αυτό αξιοποιεί τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κωδικοποίησης Η.264/AVC και ιδιαίτερα τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των πλαισίων βίντεο, ώστε να εξασφαλίσει την ακριβή εκτίμηση της συνολικής αλλοίωσης. Η μελέτη περιλαμβάνει συνδυασμούς πιθανών σφαλμάτων στο ασύρματο κανάλι ώστε να αποδειχθεί η δυνατότητα εκτίμησης της αλλοίωσης από το προτεινόμενο μοντέλο σε κάθε συνθήκη του δικτύου. Στη συνέχεια, αναλύονται μηχανισμοί προγραμματισμού της μετάδοσης πακέτων βίντεο και διαφοροποίησης της σημαντικότητας των πακέτων με βάση τον αντίκτυπό τους στη συνολική αλλοίωση του βίντεο. Η σημασία κάθε πακέτου εκτιμάται από το προτεινόμενο μοντέλο εκτίμησης της αλλοίωσης. Εξασφαλίζεται, έτσι, η προσαρμογή του ρυθμού μετάδοσης του βίντεο στις διαφορετικές συνθήκες του δικτύου. Η αξιολόγηση του μοντέλου εκτίμησης επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει το πρωτόκολλο 802.11e το οποίο διαθέτει μηχανισμούς διασφάλισης της ποιότητας υπηρεσίας. Τέλος, παρουσιάζονται αλγόριθμοι επιλογής βέλτιστων διαδρομών μεταξύ πηγής και παραλήπτη σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων πολυμέσων. Προτείνεται μια επέκταση του πρωτοκόλλου LEACH ώστε να είναι δυνατή η δρομολόγηση πακέτων βίντεο από πολλαπλές διαδρομές με στόχο τη μικρότερη δυνατή αλλοίωση της ποιότητας και την εξοικονόμηση ενέργειας στους κόμβους.