Cross-layer resource allocation for video transmission over wireless multi-access networks

Abstract

Video transmission over wireless multi-access networks is a challenging problem, where the demand for the best possible video quality and the considerate management of the limited network resources needs to be addressed. In this thesis, we present a multi-node cross-layer management framework that operates across the Physical, Data Link and Application layers of the wireless multi-access network. Our framework simultaneously allocates a source coding rate, a channel coding rate, and a power level to all nodes in a DS-CDMA network. We recognize that different nodes of a camera network can have different source coding rate requirements due to different scene activity that results in different rate-distortion characteristics. Additionally, different video "parts" have different distortion impact, thus require different resources. Moreover, the transmission of each node has an immediate effect on the other nodes due to interference. Thus, the received video quality is degraded. Taking into consideration the aforementioned factors along with each node's time-varying resource requirements, we propose a quality-driven joint consideration for the optimal allocation of the network resources, i.e., transmission power (at the Physical layer), source coding rate (at the Application layer) and channel coding rate (at the Data Link layer). Our framework jointly optimizes all nodes using a variety of optimization criteria. Some of the optimization criteria derive from Game theory and some have been used in wireless communications for other kinds of applications. Each optimization criterion is Pareto optimal, nevertheless has different quality/power/fairness tradeoffs that are explored in this thesis. The proposed cross-layer optimization framework addresses most of the challenges that emerge in multi-node video transmission by providing the following main contributions: (i) Motion-related prioritization of nodes in the network resource allocation using game theory; (ii) Effective and efficient re-allocation of resources in dynamically changing environment; (iii) Interference management by integrating in the optimization problem node transmission scheduling and allocation of resources; (iv) Joint Quality Enhancement and Power Control using Nash Bargaining Solution with a Pricing Utility Function; (v) Consideration of unequal error protection in the cross-layer resource allocation over wireless multi-access networks.

Η μετάδοση βίντεο σε δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης είναι ένα θέμα με πολλές ερευνητικές προκλήσεις. Σε αυτό το ερευνητικό θέμα πρέπει να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις για την καλύτερη δυνατή ποιότητα βίντεο και τη φειδωλή διαχείριση των περιορισμένων πόρων του δικτύου. Στην παρούσα διατριβή προτείνουμε ένα διαστρωματικό πλαίσιο διαχείρισης πολλαπλών κόμβων που λαμβάνει υπόψη το Φυσικό Στρώμα, το Στρώμα Ζεύξης Δεδομένων και το Στρώμα Εφαρμογής του δικτύου πολλαπλής πρόσβασης. Λαμβάνουμε υπόψη ότι κάθε κόμβος μπορεί να έχει ανάγκη διαφορετικού ρυθμού κωδικοποίησης της πηγής. Αυτό οφείλεται κυρίως στην καταγραφή σκηνών διαφορετικού περιεχομένου και διαφορετικής δραστηριότητας που έχει ως αποτέλεσμα διαφορετικά χαρακτηριστικά συσχέτισης ρυθμού-παραμόρφωσης. Επιπροσθέτως, διαφορετικά τμήματα της ακολουθίας βιντεο έχουν διαφορετικό αντίκτυπο στη συνολική παραμόρφωση και συνεπώς έχουν διαφορετικές απαιτήσεις πόρων. Επιπλέον, στα δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης η μετάδοση του κάθε κόμβου έχει άμεσο αντίκτυπο στη μετάδοση των άλλων κόμβων λόγω παρεμβολής. Συνεπώς, λόγω παρεμβολής υποβαθμίζεται και η τελική ποιότητα του βίντεο. Οι παραπάνω παράγοντες, καθώς και τις χρονικά μεταβαλλόμενες απαιτήσεις πόρων μας οδηγούν στο να προτείνουμε μια κοινή κατανομή των πόρων του δικτύου οδηγούμενη από το στόχο της βελτίωσης της λαμβανόμενης ποιότητας βίντεο. Για την κατανομή των πόρων σε όλους τους κόμβους χρησιμοποιούνται κριτήρια από τη θεωρία Παιγνίων, καθώς και κριτήρια που χρησιμοποιούνται γενικά στα ασύρματα δίκτυα. Κάθε κριτήριο παρέχει μια λύση βέλτιστη κατά Pareto, η οποία όμως έχει διαφορετικό ισολογισμό ποιότητας/ισχύος/δικαιοσύνης. Οι ισολογισμοί αυτών των τριών διαφορετικών εννοιών μελετούνται στα πλαίσια αυτής της διατριβής. Συνοψίζοντας τη συνεισφορά της διατριβής στο ερευνητικό πεδίο της διαστρωματικής κατανομής πόρων σε δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης καταλήγουμε στα παρακάτω κύρια σημεία: (ι)Χρήση της θεωρίας Παιγνίων στην εισαγωγή προτεραιοτήτων στην κατανομή πόρων σχετικών με την καταγραφόμενη κίνηση. (ii) Αποδοτική ανακατανομή πόρων σε δυναμικά μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα. (iii) Διαχείριση παρεμβολής προγραμματίζοντας τη μετάδοση των κόμβων χρονικά με ταυτόχρονη κατανομή πόρων στο πρόβλημα βελτιστοποίησης. (iv) Ταυτόχρονη βελτίωση της ποιότητας και έλεγχος ισχύος με τη χρήσης της λύσης διαπραγμάτευσης του Nash βασισμένη σε μια συνάρτηση ωφέλειας με χρέωση. (v) Εφαρμογή άνισης προστασίας σφάλματος στη διαστρωματική κατανομή πόρων.