Scalable and rate adaptive wireless multimedia multicast

The methods that are described in this work enable highly efficient audio-visual streaming over wireless digital communication systems to an arbitrary number of receivers. In the focus of this thesis is thus point-to-multipoint transmission at constrained end-to-end delay. A fundamental difference as compared to point-to-point connections between exactly two communicating sending and receiving stations is in conveying information about successful or unsuccessful packet reception at the receiver side. The information to be transmitted is available at the sender, whereas the information about successful reception is only available to the receiver. Therefore, feedback about reception from the receiver to the sender is necessary. This information may be used for simple packet repetition in case of error, or adaptation of the bit rate of transmission to the momentary bit rate capacity of the channel, or both. This work focuses on the single transmission (including retransmissions) of data from one source to multiple destinations at the same time. A comparison with multi-receiver sequentially redundant transmission systems (simulcast MIMO) is made. With respect to feedback, this work considers time division multiple access systems, in which a single channel is used for data transmission and feedback. Therefore, the amount of time that can be spent for transmitting feedback is limited. An increase in time used for feedback transmissions from potentially many receivers results in a decrease in residual time which is usable for data transmission. This has direct impact on data throughput and hence, the quality of service. In the literature, an approach to reduce feedback overhead which is based on simultaneous feedback exists. In the scope of this work, simultaneous feedback implies equal carrier frequency, bandwidth and signal shape, in this case orthogonal frequency-division multiplex signals, during the event of the herein termed feedback aggregation in time. For this scheme, a constant amount of time is spent for feedback, independent of the number of receivers giving feedback about reception. Therefore, also data throughput remains independent of the number of receivers. This property of audio-visual digital transmission is taken for granted for statically configured, single purpose systems, such as terrestrial television. In the scope of this work are, however, multi-user and multi-purpose digital communication networks. Wireless LANs are a well-known example and are covered in detail herein. In suchlike systems, it is of great importance to remain independent of the number of receivers, as otherwise the service of ubiquitous digital connectivity is at the risk of being degraded. In this regard, the thesis at hand elaborates at what bit rates audio-visual transmission to multiple receivers may take place in conjunction with feedback aggregation. It is shown that the scheme achieves a multi-user throughput gain when used in conjunction with adaptivity of the bit rate to the channel. An assumption is the use of an ideal overlay packet erasure correcting code in this case. Furthermore, for delay constrained transmission, such as in so-called live television, throughput bit rates are examined. Applications have to be tolerant to a certain level of residual error in case of delay constrained transmission. Improvement of the rate adaptation algorithm is shown to increase throughput while residual error rates are decreased. Finally, with a consumer hardware prototype for digital live-TV re-distribution in the local wireless network, most of the mechanisms as described herein can be demonstrated.Die in vorliegender Arbeit aufgezeigten Methoden der paketbasierten drahtlosen digitalen Kommunikation ermöglichen es, Fernsehinhalte, aber auch audio-visuelle Datenströme im Allgemeinen, bei hoher Effizienz an beliebig große Gruppen von Empfängern zu verteilen. Im Fokus dieser Arbeit steht damit die Punkt- zu Mehrpunktübertragung bei begrenzter Ende-zu-Ende Verzögerung. Ein grundlegender Unterschied zur Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen genau zwei miteinander kommunizierenden Sender- und Empfängerstationen liegt in der Übermittlung der Information über erfolgreichen oder nicht erfolgreichen Paketempfang auf Seite der Empfänger. Da die zu übertragende Information am Sender vorliegt, die Information über den Erfolg der Übertragung jedoch ausschließlich beim jeweiligen Empfänger, muss eine Erfolgsmeldung auf dem Rückweg von Empfänger zu Sender erfolgen. Diese Information wird dann zum Beispiel zur einfachen Paketwiederholung im nicht erfolgreichen Fall genutzt, oder aber um die Übertragungsrate an die Kapazität des Kanals anzupassen, oder beides. Grundsätzlich beschäftigt sich diese Arbeit mit der einmaligen, gleichzeitigen Übertragung von Information (einschließlich Wiederholungen) an mehrere Empfänger, wobei ein Vergleich zu an mehrere Empfänger sequentiell redundant übertragenden Systemen (Simulcast MIMO) angestellt wird. In dieser Arbeit ist die Betrachtung bezüglich eines Rückkanals auf Zeitduplexsysteme beschränkt. In diesen Systemen wird der Kanal für Hin- und Rückweg zeitlich orthogonalisiert. Damit steht für die Übermittlung der Erfolgsmeldung eine beschränkte Zeitdauer zur Verfügung. Je mehr an Kanalzugriffszeit für die Erfolgsmeldungen der potentiell vielen Empfänger verbraucht wird, desto geringer wird die Restzeit, in der dann entsprechend weniger audio-visuelle Nutzdaten übertragbar sind, was sich direkt auf die Dienstqualität auswirkt. Ein in der Literatur weniger ausführlich betrachteter Ansatz ist die gleichzeitige Übertragung von Rückmeldungen mehrerer Teilnehmer auf gleicher Frequenz und bei identischer Bandbreite, sowie unter Nutzung gleichartiger Signale (hier: orthogonale Frequenzmultiplexsignalformung). Das Schema wird in dieser Arbeit daher als zeitliche Aggregation von Rückmeldungen, engl. feedback aggregation, bezeichnet. Dabei wird, unabhängig von der Anzahl der Empfänger, eine konstante Zeitdauer für Rückmeldungen genutzt, womit auch der Datendurchsatz durch zusätzliche Empfänger nicht notwendigerweise sinkt. Diese Eigenschaft ist aus statisch konfigurierten und für einen einzigen Zweck konzipierten Systemen, wie z. B. der terrestrischen Fernsehübertragung, bekannt. In dieser Arbeit werden im Gegensatz dazu jedoch am Beispiel von WLAN Mehrzweck- und Mehrbenutzersysteme betrachtet. Es handelt sich in derartigen Systemen zur digitalen Datenübertragung dabei um einen entscheidenden Vorteil, unabhängig von der Empfängeranzahl zu bleiben, da es sonst unweigerlich zu Einschränkungen in der Güte der angebotenen Dienstleistung der allgegenwärtigen digitalen Vernetzung kommen muss. Vorliegende Arbeit zeigt in diesem Zusammenhang auf, welche Datenraten unter Benutzung von feedback aggregation in der Verteilung an mehrere Empfänger und in verschiedenen Szenarien zu erreichen sind. Hierbei zeigt sich, dass das Schema im Zusammenspiel mit einer Adaption der Datenrate an den Übertragungskanal inhärent einen Datenratengewinn durch Mehrbenutzerempfang zu erzielen vermag, wenn ein überlagerter idealer Paketauslöschungsschutz-Code angenommen wird. Des weiteren wird bei der Übertragung mit zeitlich begrenzter Ausführungsdauer, z. B. dem sogenannten Live-Fernsehen, aufgezeigt, wie sich die erreichbare Datenrate reduziert und welche Restfehlertoleranz an die Übertragung gestellt werden muss. Hierbei wird ebenso aufgezeigt, wie sich durch Verbesserung der Ratenadaption erstere erhöhen und zweitere verringern lässt. An einem auf handelsüblichen Computer-Systemen realisiertem Prototypen zur Live-Fernsehübertragung können die hierin beschriebenen Mechanismen zu großen Teilen gezeigt werden

Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems

El uso combinado de diversidad en el dominio temporal, frecuencial y espacial constituye una valiosa herramienta para mejorar la recepción de servicios de difusión móviles. Gracias a la mejora conseguida por las técnicas de diversidad es posible extender la cobertura de los servicios móviles además de reducir la infraestructura de red. La presente tesis investiga el uso de técnicas de diversidad para la provisión de servicios móviles en la familia europea de sistemas de difusión terrestres estandarizada por el prpoyecto DVB (Digital Video Broadcasting). Esto incluye la primera y segunda generación de sistemas DVB-T (Terrestrial), DVB-NGH (Handheld), y DVB-T2 (Terrestrial 2nd generation), así como el sistema de siguiente generación DVB-NGH. No obstante, el estudio llevado a cabo en la tesis es genérico y puede aplicarse a futuras evoluciones de estándares como el japonés ISDB-T o el americano ATSC. Las investigaciones realizadas dentro del contexto de DVB-T, DVB-H y DVBT2 tienen como objetivo la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles en redes terrestres. Esta Convergencia puede facilitar la introducción de servicios móviles de TB debido a la reutilización de espectro, contenido e infraestructura. De acuerdo a los resultados, la incorporación de entrelazado temporal en la capa física para diversidad temporal, y de single-input multiple-output (SIMO) para diversidad espacial, son esenciales para el rendimiento de sistemas móviles de difusión. A pesar de que las técnicas upper later FEC (UL-FEC) pueden propocionar diversidad temporal en sistemas de primera generación como DVB-T y DVB-H, requieren la transmisión de paridad adicional y no son útiles para la recepción estática. El análisis en t�ñerminos de link budjget revela que las técnicas de diversidad noson suficientes para facilitar la provision de servicios móviles en redes DVB-T y DVB-T2 planificadas para recepción fija. Sin embargo, el uso de diversidad en redes planificadas para recepción portableGozálvez Serrano, D. (2012). Combined Time, Frecuency and Space Diversity in Multimedia Mobile Broadcasting Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16273Palanci

Analysis and evaluation of in-home networks based on HomePlug-AV power line communications

[ESP] No hace mucho tiempo, las redes in-home (también denominadas redes domésticas) únicamente se utilizaban para interconectar los diferentes ordenadores de una vivienda, de manera que pudieran compartir una impresora entre ellos. Hoy en día, sin embargo, esta definición es mucho más amplia debido a la gran cantidad de dispositivos existentes en la vivienda con capacidad de conectarse a una red para transmitir y recibir información. En una red in-home actual, podemos encontrar desde teléfonos móviles equipados con conectividad WI-FI a dispositivos NAS (Network Attached Storage), utilizados para almacenar información, imágenes o videos en red, que a su vez pueden ser transferidos a televisiones de alta definición u ordenadores. A la hora de instalar una red de comunicaciones en una vivienda, se persiguen principalmente dos objetivos, reducir el coste de instalación y conseguir una gran flexibilidad de cara a futuras ampliaciones. Una red basada en tecnología PLC (Power Line Communications) cumple estos requisitos ya que, al utilizar la infraestructura de cableado eléctrico existente en la vivienda, es muy sencilla y económica de instalar y ampliar. Dentro de la tecnología PLC existen diferentes estándares, siendo HomePlug-AV (HomePlug Audio-Video o simplemente HPAV) el más extendido en la actualidad para la instalación de redes domésticas. Este estándar permite alcanzar velocidades de transmisión de hasta 200Mbps a través de los cables de baja tensión de una vivienda convencional. El objetivo principal de esta tesis doctoral es aportar nuevas ideas que mejoren las prestaciones de las redes in-home basadas en la tecnología PLC, utilizando como base el estándar Homeplug-AV. Estas redes utilizan una arquitectura centralizada, en la que la mayor parte de la inteligencia de red está concentrada en un coordinador central (CCo, por sus siglas en inglés). Por lo tanto, la mayor parte de las modificaciones propuestas irán encaminadas a mejorar dicho dispositivo, que podrá llegar a convertirse en un gestor de red capaz de manejar conjuntamente interfaces de diferentes tecnologías. En primer lugar, se presenta un análisis detallado del comportamiento del estándar en diferentes situaciones que se pueden producir de manera común en una red doméstica. Este análisis se realizó tanto con dispositivos reales como mediante simulación. Para el segundo tipo de medidas, se diseñó un simulador de la tecnología HomePlug que implementa el nivel físico y el nivel MAC de la misma, junto con modelos de los servicios más utilizados en entornos domésticos. Este simulador se utilizó tanto para estas medidas iniciales como para evaluar las diferentes modificaciones del estándar propuestas posteriormente en este trabajo. Este análisis proporcionó dos resultados significativos. En primer lugar, se comprobó que al introducir un modelo real de nivel físico al protocolo CSMA/CA utilizado a nivel MAC se producían resultados muy diferentes a los presentados en los modelos publicados hasta ese momento. Por ello, se propuso un modelo matemático que incorporaba dichos efectos. En segundo lugar, se identificaron diferentes áreas de la tecnología que eran susceptibles de mejora. El resto de la tesis se centró entonces en la mejora de dichos puntos débiles. El primero de estos puntos débiles está relacionado con las transmisión de datos unicast. El medio PLC es selectivo en frecuencia y muy dependiente del tiempo y de la localización de las estaciones. Incluso es posible que, en un mismo enlace, la capacidad de los enlaces ascendente y descendente sea distinta. En estos entornos, la utilización del protocolo de transporte TCP presenta serios problemas, ya que define gran parte de sus parámetros en función del Round Trip time (RTT) del enlace. Como alternativa se pensó en los códigos Fountain. Este tipo de codificación de fuente permite realizar transmisiones fiables de datos sin necesidad de utilizar un canal de retorno, evitando de esta forma los problemas derivados de las asimetrías de la red. Se realizaron varios experimentos comparando ambas soluciones, y se comprobó que las prestaciones de este tipo de codificaciones superan al protocolo TCP a la hora de transmitir ficheros de manera fiable a través de las redes PLC. Además, los códigos Fountain también se utilizaron para el diseño de otra aplicación. Es muy común que en un escenario doméstico haya disponible más de una tecnología (Wi-Fi, Ethernet, PLC, etc). Tenemos por tanto que una aplicación capaz de integrar interfaces de diferentes tecnologías podría ser muy útil en estos entornos, ya que se podría conseguir un mayor ancho de banda, mayor tolerancia a errores, balanceo de carga, etc. El kernel de Linux dispone de un módulo denominado Bonding que permite agrupar diferentes interfaces Ethernet. Sin embargo, no está preparado para agrupar interfaces de diferentes tecnologías, y mucho menos para tecnologás de capacidad variable como es el caso de PLC o de las comunicaciones inalámbricas. Por ello, se realizó una modificación de dicho driver utilizando para ello los códigos Fountain, que solucionan los problemas que se pueden producir debido a las variaciones de capacidad. Por otra parte, con la actual versión del estándar HomePlug AV, las comunicaciones multicast presentan unas prestaciones muy pobres. Esto es debido a que, a pesar de que el canal PLC es broadcast, la naturaleza de la modulación OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing) que se utiliza a nivel físico es punto a punto. Esto hace que las transmisiones simultáneas a un grupo de receptores se traduzcan automáticamente en sucesivas transmisiones punto a punto a los diferentes miembros del grupo. Con esta técnica, la capacidad efectiva de transmisión multicast disminuye de manera muy importante a medida que aumenta el número de receptores. En este trabajo se han propuesto dos técnicas alternativas. La primera consiste en la utilización de un mapa de tonos común para todos los miembros del grupo multicast, asignado a estas comunicaciones los parámetros de modulación del cliente con las peores condiciones de canal. Este algoritmo ha sido tradicionalmente descartado en los sistemas OFDM por sus bajas prestaciones. Sin embargo, la correlación existente entre los diferentes canales de una red PLC hace que su comportamiento sea mucho mejor. Además, se propuso un segundo algoritmo que utilizaba técnicas de optimización para maximizar la tasa de comunicación multicast, obteniendo un mejor comportamiento cuando el número de clientes es elevado. Por último, en redes de capacidad física variable, como es el caso de las redes PLC, las técnicas cross-layer están despertando un gran interés. Este tipo de algoritmos están basado en la compartición de información entre diferentes capas de la estructura OSI para mejorar el comportamiento del sistema. En este trabajo se ha propuesto un algoritmo que modifica los parámetros del protocolo CSMA/CA de nivel MAC utilizando información de nivel físico y los requerimientos de QoS del servicio de niveles superiores. De esta forma se consigue dar prioridad en el acceso al medio a los clientes con problemas de QoS, mejorando de esta forma del comportamiento de la red. Este algoritmo ha sido evaluado mediante simulación en un escenario doméstico típico, comprobando que ofrece unos resultados muy prometedores. [ENG] Not very long time ago, in-home networks (also called domestic networks) were only used to share a printer between a number of computers. Nowadays, however, due to the huge amount of devices present at home with communication capabilities, this definition has become much wider. In a current in-home network we can find, from mobile phones with wireless connectivity, or NAS (Network Attached Storage) devices sharing multimedia content with high-definition televisions or computers. When installing a communications network in a home, two objectives are mainly pursued: Reducing cost and high flexibility in supporting future network requirements. A network based on Power Line Communications (PLC) technology is able to fulfill these objectives, since as it uses the low voltage wiring already available at home, it is very easy to install and expand, providing a cost-effective solution for home environments. There are different PLC standards, being HomePlug-AV (HomePlug Audio-Video, or simply HPAV) the most widely used nowadays. This standard is able to achieve transmission rates up to 200 Mpbs through the electrical wiring of a typical home. The main objective of this thesis is to provide new ideas to improve the performance of PLC technology based in-home networks, using as starting point the HPAV standard. A network based on this technology uses a centralized architecture, in which the most important part of the network intelligence is concentrated in a single device, the Central Coordinator (CCo). Hence, most of the modifications proposed in this work will try to improve this particular device, which can even become a multi-technology central manager, able to combine interfaces of different technologies to improve the network performance. Initially, it is presented a detailed analysis of HPAV performance in some scenarios typically found in a home environment. It was done through simulation and by experimentation using real devices. To obtain the former results, it was designed a HPAV simulator which implements the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers of the standard, together with a traffic modeling module which implements the services most commonly found in a home network. This simulation tool was used both in these initial measurements and to evaluate the standard modifications that are proposed in this work. This analysis provides two main results. Firstly, it was found that when a real PHY model is used together with the CSMA/CA MAC protocol the simulation results were very different to those obtained with previously presented mathematical models of this protocol. Hence, it was proposed a new model that considers these effects. Next, some areas of the technology which could be improved were identified. The rest of the thesis was then centered around proposing solutions to these weaknesses. The first weakness solved is related to unicast data transmission. PLC medium is frequency selective and time variant, and it presents a remarkable variation among locations or depending on the connected loads. Even in a single link, the channel capacities between transmitter and receiver can be very asymmetric. In such environments, the use of TCP as transport protocol presents serious problems, since it defines some of its parameters according to the Round Trip Time (RTT). Alternatively, the use of Fountain codes for reliable data transmission in these environments was proposed. These codes allow to transmit information without a feedback channel, overcoming in this way the problems related to the variability of the channel. Different experiments were performed comparing both solutions, concluding that in PLC based networks the performance achieved by Fountain codes outperforms the results obtained with a TCP-based application. In addition, Fountain codes were also used for another application. In home environments, it is very common to find more than one available technology to deploy a network (Wi-Fi, Ethernet, PLC, etc). Therefore, an application that makes possible the aggregation of different interfaces would be very useful, as it will provide higher bandwidth, fault tolerance and load balancing. The Linux Kernel contains a driver (Bonding) which allows Ethernet interfaces aggregation. However, it is not prepared for asymmetric interfaces aggregation and even less for variable capacity technologies like PLC or Wi-Fi. In this work, it is presented a modification of this driver which uses Fountain codes to solve the problems that may arise when asymmetric interfaces are aggregated. On another note, multicast communications in the actual HPAV standard versions presents serious problems. This is because, although PLC medium is broadcast by nature, the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation used at PHY layer is always point to point. Therefore, multicast communications are carried out as successive point-to-point transmissions to the different members of the group. This technique clearly degrades the performance of multicast services as the number of receivers increases. In this work, they have been proposed two alternative algorithms. The first one consists of using a common tone map for all the multicast group members. This tone map corresponds to the modulation parameters obtained for the client with the worst channel conditions. This algorithm has been traditionally discarded in OFDM systems because of its poor performance. However, in contrast to other technologies (like wireless for example), channel responses in a given PLC network exhibit significant correlation among them. This reduces the differences among the users, improving the performance of this algorithm. In addition, another technique which uses an optimization algorithm to maximize the multicast bit rate is also evaluated, obtaining that its use can be suitable when the number of multicast clients is high. Finally, due to the properties of PLC medium, cross-layer technique are eliciting a big interest. These algorithms are based in the information sharing between adjacent layers in the OSI model to improve the system behavior. In this work, it has been proposed an extension of the HPAV CSMA/CA algorithm which modifies the protocol parameters using PHY layer information and the QoS requirements of the upper-layer services. In this way, priority access to the channel can be provided to the nodes with QoS problems, improving the whole network performance. This algorithm has been evaluated through simulation in a typical home environment with very promising results.Universidad Politécnica de Cartagen

Random Linear Network Coding for 5G Mobile Video Delivery

An exponential increase in mobile video delivery will continue with the demand for higher resolution, multi-view and large-scale multicast video services. Novel fifth generation (5G) 3GPP New Radio (NR) standard will bring a number of new opportunities for optimizing video delivery across both 5G core and radio access networks. One of the promising approaches for video quality adaptation, throughput enhancement and erasure protection is the use of packet-level random linear network coding (RLNC). In this review paper, we discuss the integration of RLNC into the 5G NR standard, building upon the ideas and opportunities identified in 4G LTE. We explicitly identify and discuss in detail novel 5G NR features that provide support for RLNC-based video delivery in 5G, thus pointing out to the promising avenues for future research.Comment: Invited paper for Special Issue "Network and Rateless Coding for Video Streaming" - MDPI Informatio

A hybrid packet loss recovery technique in wireless ad hoc networks

TCP utilization in wireless networks poses certain problems due to its inability to distinguish packet losses caused by congestion from those caused by frequent wireless errors, leading to degraded network performance. To avoid these problems and to minimize the effect of intensive channel contention in wireless networks, this work presents a new Hybrid ARQ technique for reliable and efficient packets transfer in static wireless ad hoc network. It is a combination of recent FEC based Raptor coding technique with ARQ based selective retransmission method, which outperforms purely ARQ based method. In contrast to most Hybrid ARQ techniques, which usually employ a byte level FEC, we mostly use packet level FEC in our simulations for the data transfer, on top of less frequent ARQ to recover the residual errors. Existing packet level FEC methods are mostly based on simple parity check codes or Reed Solomon codes with erasure decoding; in this work we use the recent raptor codes. We also introduce the notion of adaptive redundancy which helps to achieve better average network performance and to further improve the redundancy efficiency