Video adaptation over heterogeneous networks

Los servicios de video hoy en día hacen parte de nuestras interacciones cotidianas y aportan la mayor parte del tráfico en la red. Su uso más amplio incluye escenarios fuera de lo común como lo son la ayuda en emergencias o en telemedicina. Por otra parte, las demandas de los usuarios de tales servi...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Pimentel Niño, Maria Alejandra
Tipo de recurso: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2014
País:España
Institución:CBUC, CESCA
Repositorio:TDR. Tesis Doctorales en Red
OAI Identifier:oai:www.tdx.cat:10803/283931
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/10803/283931
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Adaptación de video
Video adaptation
Redes heterogéneas
Heterogeneous networks
Calidad de experiencia
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description Los servicios de video hoy en día hacen parte de nuestras interacciones cotidianas y aportan la mayor parte del tráfico en la red. Su uso más amplio incluye escenarios fuera de lo común como lo son la ayuda en emergencias o en telemedicina. Por otra parte, las demandas de los usuarios de tales servicios, en términos de experiencia usuario, sigue en aumento, llevando a requerimientos más especializados de Calidad de Experiencia ( QoE en ínglés). Garantizar cierto nivel de satisfacción de usuario en escenarios exigentes donde las redes a disposición son heterogéneas continua siendo in problema abierto. Los objetivos principales de esta tesis han sido: 1) proponer un marco de trabajo para networking heterogéneo que permita la transmisión de video de manera impecable a través de redes heterogéneas, 2) proponer un marco centrado en el usuario, para transmitir video que sea coherente con el networking heterogéneo, y 3) diseñar un modelo y solución completos para ofrecer video adaptativo tal que se cumplan los requerimientos de satisfacción de usuario. A continuación se presentan las contribuciones de esta tesis que cumplen los tres objetivos trazados. Primero, proponemos modelar las redes heterogéneas desde un ángulo holístico. La metodología de este diseño holístico de sistema está basado en dos conceptos novedosos. En primer lugar, proveer un marco a través del cual las instancias de red pueden ser modeladas para garantizar generalidad y robustez. En segundo lugar, caracterizar de manera única las instancias de red a través de su min-cut. La ventaja de este marco es que puede verse como un modelo de sistema subyacente que garantiza una impecable transmisión de contenido sin importar la instancia de red. Esto es posible formulando una optimización cross-layer para transmisión de contenido, coherente con la filosofía de networking centrada en la información (information-centric networking). Segundo, proponemos un marco para video adaptativo impulsado por el QoE, basado en una formulación de optimización cross-layer. El algoritmo resultante permite la adaptación de video y se basa en los retardos de redes variantes en el tiempo, por lo tanto tiene en cuenta las restricciones de redes con retardos largos y las dificultades de establecer un camino de retorno que permita la adaptabilidad a los cambios en la red. Esta solución se ha evaluado sistemáticamente, tanto en entornos emulados como en una solución complemente implementada experimentalmente. Tercero, proponemos la contribución principal de esta tesis: un modelo completo centrado en el usuario, que ofrece servicios de video en redes heterogéneas. El problema de borrado de paquetes y de congestión en las redes sin garantías (best-effort) es desacoplado para así hacerlos coincidir con los efectos respectivos que degradan el video. Esto permite la formulación de dos problemas de optimización, en tiempo (fotogramas congelados) y espacio (artefactos en la imagen). La solución completa además una novedosa dimensión semántica coherente con information-centric networking, que propone reflejar las necesidades perceptuales del usuario final. Probamos las ventajas de nuestro diseño para escenarios donde el video es necesario para adquirir conciencia de situaciones (situation awareness), donde se usan comúnmente redes heterogéneas y mostramos ganancias considerables en términos de reducción de los efectos de la congestión y el borrado de paquetes, mientras que mejoramos el QoE y cumplimos las demandas perceptuales de los usuarios.
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Los objetivos principales de esta tesis han sido: 1) proponer un marco de trabajo para networking heterogéneo que permita la transmisión de video de manera impecable a través de redes heterogéneas, 2) proponer un marco centrado en el usuario, para transmitir video que sea coherente con el networking heterogéneo, y 3) diseñar un modelo y solución completos para ofrecer video adaptativo tal que se cumplan los requerimientos de satisfacción de usuario. A continuación se presentan las contribuciones de esta tesis que cumplen los tres objetivos trazados. Primero, proponemos modelar las redes heterogéneas desde un ángulo holístico. La metodología de este diseño holístico de sistema está basado en dos conceptos novedosos. En primer lugar, proveer un marco a través del cual las instancias de red pueden ser modeladas para garantizar generalidad y robustez. En segundo lugar, caracterizar de manera única las instancias de red a través de su min-cut. La ventaja de este marco es que puede verse como un modelo de sistema subyacente que garantiza una impecable transmisión de contenido sin importar la instancia de red. Esto es posible formulando una optimización cross-layer para transmisión de contenido, coherente con la filosofía de networking centrada en la información (information-centric networking). Segundo, proponemos un marco para video adaptativo impulsado por el QoE, basado en una formulación de optimización cross-layer. El algoritmo resultante permite la adaptación de video y se basa en los retardos de redes variantes en el tiempo, por lo tanto tiene en cuenta las restricciones de redes con retardos largos y las dificultades de establecer un camino de retorno que permita la adaptabilidad a los cambios en la red. Esta solución se ha evaluado sistemáticamente, tanto en entornos emulados como en una solución complemente implementada experimentalmente. Tercero, proponemos la contribución principal de esta tesis: un modelo completo centrado en el usuario, que ofrece servicios de video en redes heterogéneas. El problema de borrado de paquetes y de congestión en las redes sin garantías (best-effort) es desacoplado para así hacerlos coincidir con los efectos respectivos que degradan el video. Esto permite la formulación de dos problemas de optimización, en tiempo (fotogramas congelados) y espacio (artefactos en la imagen). La solución completa además una novedosa dimensión semántica coherente con information-centric networking, que propone reflejar las necesidades perceptuales del usuario final. Probamos las ventajas de nuestro diseño para escenarios donde el video es necesario para adquirir conciencia de situaciones (situation awareness), donde se usan comúnmente redes heterogéneas y mostramos ganancias considerables en términos de reducción de los efectos de la congestión y el borrado de paquetes, mientras que mejoramos el QoE y cumplimos las demandas perceptuales de los usuarios.Video services have become part of everyday interactions and contribute to a major portion of network traffic. Their broader usage includes out-of-the-ordinary scenarios as aid in emergencies, or telemedicine. Moreover, user demands of such services in terms of overall user experience continue to increase, leading to more specialized Quality of Experience (QoE) requirements. Guaranteeing a level of satisfaction to the user in challenging scenarios where the alternative networks are heterogeneous in nature continues to be an open issue. The main objectives of this thesis have been to: 1) propose a framework for heterogeneous networking that allows for a seamless delivery of video content along diverse heterogeneous networks, 2) propose a user-centric framework for video transmission in line with heterogeneous networking, and 3) design a complete model and solution to provide video adaptation in heterogeneous networks such that it meets the requirements for user satisfaction. The contributions of this thesis, such that the three objectives are met are as follows. First, we propose to model heterogeneous networks with a holistic approach. The methodology of this holistic system design is based on two novel concepts. On one hand, to provide a framework by which heterogeneous network instances can be modeled to guarantee generality and robustness. On the other hand, to uniquely characterize the network instances via their min-cut. The strength of this framework is its usage as an underlying system model that can guarantee seamless content delivery regardless of the network instance. The latter is possible by formulating a general cross-layer optimization for content delivery, coherent to information-centric networking philosophy. Second, we propose a QoE-driven adaptive video framework, based on a cross-layer optimization formulation. The derived adaptive video algorithm for time-variant networks is delay-driven, hence contemplates the constraints of long-delayed networks and the challenges of establishing a feedback loop to enable the network adaptability. The framework is evaluated systematically, in both an emulation and a fully implemented experimental environment. Third, we propose the main contribution of this thesis: a complete model to provide user-centric video services in heterogeneous networks. The problem of combined erasures and congestion in best effort network is decoupled to match the specific degrading effects on the video. This allows for two separate QoE driven optimization approaches in time (freezes) and space (artifacts) domain. The complete solution offers a feasible dynamic streaming adaptation that suits constraint heterogeneous networks such as satellite. The performance is evaluated through a novel QoE three-dimensional analysis. The overall solution contemplates a novel semantical dimension, in line with information-centric networking, with an unexplored take on semantics that intends to reflect on the perceptual needs of the end user. We prove the strength of our design for the situation awareness scenario, where heterogeneous networks are often used, and show substantial gain in terms of mitigation of the effects of congestion and erasures while improving QoE and achieving the expected user's perceptual demands.Universitat Autònoma de BarcelonaVázquez Castro, María ÁngelesUniversitat Autònoma de Barcelona. Departament de Telecomunicació i Enginyeria de Sistemes201420142014info:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion109 p.application/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10803/283931TDX (Tesis Doctorals en Xarxa)reponame:TDR. Tesis Doctorales en Redinstname:CBUC, CESCAInglésL'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:www.tdx.cat:10803/2839312026-06-14T12:46:07Z
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