Quality of Service Routing and Mechanisms for Improving Video Streaming over Mobile Wireless Ad hoc Networks

Abstract

[EN] This thesis dissertation tackles the problem concerning provision of video streaming services over mobile wireless ad hoc networks. Such networks are characterized by their versatility and flexibility, features that make them particularly suited to be used in many scenarios. However, some limitations inherited of the wireless channel and the mobility of the nodes make difficult to guarantee certain degree of quality of service, which is a required condition to the multimedia applications. Furthermore, with the massive demand of video content, it has become very necessary for mobile ad hoc networks to have an efficient routing and quality of services mechanisms to support this traffic. This is because video streaming services require network to provide sufficient bandwidth and an upper bound in delay, jitter and loss rate. Consequently, traditional best-effort protocols are not adequate. The main contribution of this thesis is the development of a comprehensive routing protocol that has a feedback scheme in order to provide information to the application about the network conditions. This protocol has a cross-layer architecture and it incorporates three important enhancements. Firstly, a new route recovery strategy, which provides a mechanism to detect the link failures in a route and re-establish the connections taking into account the conditions of quality of service that have been established during the previous route discovery phase. Secondly, an algorithm for the estimation of the available bandwidth along the route, information that is sent to application layer in order to apply an adaptation procedure that adjusts the bit rate of the video source. This rate-adaptive strategy is performed exploiting the layered scheme of the scalable video coding. In particular, the adaptive method removes, from the scalable video stream, those layers that could not be efficiently supported by network since their bitrates exceed the available bandwidth. The third main feature of the proposed routing protocol is a gateway discovery algorithm to improve the interconnectivity between mobile ad hoc networks and infrastructure-based networks. This algorithm incorporates available bandwidth as a metric during the gateway selection and a dynamic adaptation of some operational parameters such as the size of the proactive area and the frequency of the advertisement messages.

Additionally, in order to solve the lack of a software tool to simulate rate-adaptive transmission of scalable video, a new simulation framework had be implemented. This simulation tool is an open source software freely available and, thus, it represents other contribution of this thesis.

The results reveal performance improvements in terms of packet delay, dropped packets and the number of link failures while a more efficient use of the available bandwidth is obtained. In terms of video transmission, the results prove that the combined use of the proposed protocol and the scalable video coding provides an efficient platform for supporting rate-adaptive video streaming over mobile ad hoc networks.

[ES] Esta tesis aborda los problemas relacionados con los servicios de video en modo streaming sobre las redes móviles ad hoc. Este tipo de redes se caracterizan por su versatilidad y flexibilidad, lo cual las hace especialmente adecuadas para ser utilizadas en diversos escenarios. Sin embargo, algunas limitaciones inherentes a los enlaces inalámbricos y a la movilidad de los nodos, hace difícil garantizar cierto nivel de calidad de servicio, lo cual es una condición necesaria para el transporte de flujos multimedia. Además, con la masiva demanda de videos desde los dispositivos móviles, hace aún más necesario asegurar un encaminamiento eficiente y un cierto nivel de calidad de servicio en las redes móviles ad hoc. Por lo tanto, los tradicionales protocolos que funcionan bajo el modelo del "mejor esfuerzo" no son adecuados. Esto se debe principalmente a que las aplicaciones multimedia necesitan que la red asegure suficiente ancho de banda y unos valores máximos de retardo, jitter, y tasa de pérdidas.

La principal contribución de esta tesis es el desarrollo de un protocolo de encaminamiento que contiene un esquema de realimentación que le permite informar a la aplicación sobre las condiciones de la red. Este protocolo tiene una arquitectura cross-layer e incorpora tres importantes mejoras. Primero, una nueva estrategia de mantenimiento y recuperación de rutas que provee mecanismos para detectar los fallos de conectividad y el posterior re-establecimiento de las conexiones, teniendo en cuenta las condiciones de calidad de servicio que fueron establecidas durante la etapa inicial del descubrimiento de las rutas. Segundo, un algoritmo para la estimación del ancho de banda disponible a lo largo de la ruta, información que es enviada a la capa de aplicación para aplicar un proceso de adaptación que ajusta la tasa de envío de datos de la fuente. Esta estrategia adaptativa de la tasa aprovecha el esquema por capas de la codificación escalable de video. En particular, el método adaptativo elimina del flujo de video escalable, aquellas capas que no pueden ser transmitidas por la red ya que su tasa de bits supera el ancho de banda disponible. La tercera mejora incluida en el protocolo propuesto es un algoritmo de descubrimiento de gateways para mejorar la interconectividad entre las redes móviles ad hoc y las redes basadas en infraestructura. Dicho algoritmo utiliza el ancho de banda disponible para seleccionar el mejor gateway, así mismo, realiza una adaptación dinámica de algunos parámetros operacionales como el alcance y la frecuencia de los mensajes anuncio.

Adicionalmente, ha sido desarrollada una herramienta software para simular la transmisión adaptativa de video escalable sobre redes móviles ad hoc. Esta herramienta de simulación es un software de código abierto y constituye otra contribución más de esta tesis.

Los resultados muestran mejoras en el funcionamiento de las redes relacionadas con el retardo, la tasa de pérdidas de paquetes y el número de fallos en la conectividad. Simultáneamente, se obtiene un uso más eficiente del ancho de banda. En relación a la calidad del video transmitido, los resultados demuestran que la utilización del protocolo propuesto junto con la codificación de video escalable, provee un eficiente sistema para la transmisión adaptativa de video escalable sobre redes móviles ad hoc.

[CA] Aquesta tesi aborda els problemes relacionats amb els serveis de vídeo en mode streaming sobre les xarxes mòbils ad hoc. Aquest tipus de xarxes es caracteritzen per la seva versatilitat i flexibilitat, la qual cosa les fa especialment adequades per a ser utilitzades en diversos escenaris. No obstant això, algunes limitacions inherents als enllaços sense fils i a la mobilitat dels nodes, fa difícil garantir cert nivell de qualitat de servei, cosa que és una condició necessària per al transport de fluxos multimèdia. A més, amb la massiva demanda de vídeos des dels dispositius mòbils, fa encara més necessari assegurar un encaminament eficient i un cert nivell de qualitat de servei en les xarxes mòbils ad hoc. Per tant, els tradicionals protocols que funcionen sota el model del "millor esforç" no són adequats. Això es deu principalment al fet que les aplicacions multimèdia necessiten que la xarxa asseguri suficient ample de banda i uns valors màxims de retard, jitter, i taxa de pèrdues. La principal contribució d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un protocol d'encaminament que conté un esquema de realimentació que li permet informar l'aplicació sobre les condicions de la xarxa. Aquest protocol té una arquitectura cross-layer i incorpora tres importants millores. Primer, una nova estratègia de manteniment i recuperació de rutes que proveeix mecanismes per detectar les fallades de connectivitat i el posterior re-establiment de les connexions, tenint en compte les condicions de qualitat de servei que van ser establertes durant l'etapa inicial del descobriment de les rutes. Segon, un algoritme per a l'estimació de l'ample de banda disponible al llarg de la ruta, informació que és enviada a la capa d'aplicació per aplicar un procés d'adaptació que ajusta la taxa d'enviament de dades de la font. Aquesta estratègia adaptativa de la taxa aprofita l'esquema per capes de la codificació escalable de vídeo. En particular, el mètode adaptatiu elimina del flux de vídeo escalable aquelles capes que no poden ser transmeses per la xarxa ja que la seva taxa de bits supera l'ample de banda disponible. La tercera millora inclosa en el protocol proposat és un algoritme de descobriment de gateways per millorar la interconnectivitat entre les xarxes mòbils ad hoc i les xarxes basades en infraestructura. Aquest algoritme utilitza l'ample de banda disponible per seleccionar el millor gateway, així mateix, realitza una adaptació dinàmica d'alguns paràmetres operacionals com l'abast i la freqüència dels missatges anunci.

Addicionalment, ha estat desenvolupada una eina programari per a simular la transmissió adaptativa de vídeo escalable sobre xarxes mòbils ad hoc. Aquesta eina de simulació és un programari de codi obert i constitueix una altra contribució més d'aquesta tesi.

Els resultats mostren millores en el funcionament de les xarxes relacionades amb el retard, la taxa de pèrdues de paquets i el nombre de fallades en la connectivitat. Simultàniament, se n'obté un ús més eficient de l'ample de banda. En relació a la qualitat del vídeo transmès, els resultats demostren que la utilització del protocol proposat juntament amb la codificació de vídeo escalable, proveeix un eficient sistema per a la transmissió adaptativa de vídeo escalable sobre xarxes mòbils ad hoc.