Design and Implementation of a Communication Protocol to Improve Multimedia QoS and QoE in Wireless Ad Hoc Networks

[EN] This dissertation addresses the problem of multimedia delivery over multi-hop ad hoc wireless networks, and especially over wireless sensor networks. Due to their characteristics of low power consumption, low processing capacity and low memory capacity, they have major difficulties in achieving optimal quality levels demanded by end users in such communications. In the first part of this work, it has been carried out a study to determine the behavior of a variety of multimedia streams and how they are affected by the network conditions when they are transmitted over topologies formed by devices of different technologies in multi hop wireless ad hoc mode. To achieve this goal, we have performed experimental tests using a test bench, which combine the main codecs used in audio and video streaming over IP networks with different sound and video captures representing the characteristic patterns of multimedia services such as phone calls, video communications, IPTV and video on demand (VOD). With the information gathered in the laboratory, we have been able to establish the correlation between the induced changes in the physical and logical topology and the network parameters that measure the quality of service (QoS) of a multimedia transmission, such as latency, jitter or packet loss. At this stage of the investigation, a study was performed to determine the state of the art of the proposed protocols, algorithms, and practical implementations that have been explicitly developed to optimize the multimedia transmission over wireless ad hoc networks, especially in ad hoc networks using clusters of nodes distributed over a geographic area and wireless sensor networks. Next step of this research was the development of an algorithm focused on the logical organization of clusters formed by nodes capable of adapting to the circumstances of real-time traffic. The stated goal was to achieve the maximum utilization of the resources offered by the set of nodes that forms the network, allowing simultaneously sending reliably and efficiently all types of content through them, and mixing conventional IP data traffic with multimedia traffic with stringent QoS and QoE requirements. Using the information gathered in the previous phase, we have developed a network architecture that improves overall network performance and multimedia streaming. In parallel, it has been designed and programmed a communication protocol that allows implementing the proposal and testing its operation on real network infrastructures. In the last phase of this thesis we have focused our work on sending multimedia in wireless sensor networks (WSN). Based on the above results, we have adapted both the architecture and the communication protocol for this particular type of network, whose use has been growing hugely in recent years.[ES] Esta tesis doctoral aborda el problema de la distribución de contenidos multimedia a través de redes inalámbricas ad hoc multisalto, especialmente las redes inalámbricas de sensores que, debido a sus características de bajo consumo energético, baja capacidad de procesamiento y baja capacidad de memoria, plantean grandes dificultades para alcanzar los niveles de calidad óptimos que exigen los usuarios finales en dicho tipo de comunicaciones. En la primera parte de este trabajo se ha llevado a cabo un estudio para determinar el comportamiento de una gran variedad de flujos multimedia y como se ven afectados por las condiciones de la red cuando son transmitidos a través topologías formadas por dispositivos de diferentes tecnologías que se comunican en modo ad hoc multisalto inalámbrico. Para ello, se han realizado pruebas experimentales sobre una maqueta de laboratorio, combinando los principales códecs empleados en la transmisión de audio y video a través de redes IP con diversas capturas de sonido y video que representan patrones característicos de servicios multimedia tales como las llamadas telefónicas, videoconferencias, IPTV o video bajo demanda (VOD). Con la información reunida en el laboratorio se ha podido establecer la correlación entre los cambios inducidos en la topología física y lógica de la red con los parámetros que miden la calidad de servicio (QoS) de una transmisión multimedia, tales como la latencia el jitter o la pérdida de paquetes. En esta fase de la investigación se realiza un estudio para determinar el estado del arte de las propuestas de desarrollo e implementación de protocolos y algoritmos que se han generado de forma explícita para optimizar la transmisión de tráfico multimedia sobre redes ad hoc inalámbricas, especialmente en las redes inalámbricas de sensores y redes ad hoc utilizando clústeres de nodos distribuidos en un espacio geográfico. El siguiente paso en la investigación ha consistido en el desarrollo de un algoritmo propio para la organización lógica de clústeres formados por nodos capaces de adaptarse a las circunstancias del tráfico en tiempo real. El objetivo planteado es conseguir un aprovechamiento máximo de los recursos ofrecidos por el conjunto de nodos que forman la red, permitiendo de forma simultánea el envío de todo tipo de contenidos a través de ellos de forma confiable y eficiente, permitiendo la convivencia de tráfico de datos IP convencional con tráfico multimedia con requisitos exigentes de QoS y QoE. A partir de la información conseguida en la fase anterior, se ha desarrollado una arquitectura de red que mejora el rendimiento general de la red y el de las transmisiones multimedia de audio y video en particular. De forma paralela, se ha diseñado y programado un protocolo de comunicación que permite implementar el modelo y testear su funcionamiento sobre infraestructuras de red reales. En la última fase de esta tesis se ha dirigido la atención hacia la transmisión multimedia en las redes de sensores inalámbricos (WSN). Partiendo de los resultados anteriores, se ha adaptado tanto la arquitectura como el protocolo de comunicaciones para este tipo concreto de red, cuyo uso se ha extendido en los últimos años de forma considerable[CA] Esta tesi doctoral aborda el problema de la distribució de continguts multimèdia a través de xarxes sense fil ad hoc multi salt, especialment les xarxes sense fil de sensors que, a causa de les seues característiques de baix consum energètic, baixa capacitat de processament i baixa capacitat de memòria, plantegen grans dificultats per a aconseguir els nivells de qualitat òptims que exigixen els usuaris finals en eixos tipus de comunicacions. En la primera part d'este treball s'ha dut a terme un estudi per a determinar el comportament d'una gran varietat de fluxos multimèdia i com es veuen afectats per les condicions de la xarxa quan són transmesos a través topologies formades per dispositius de diferents tecnologies que es comuniquen en mode ad hoc multi salt sense fil. Per a això, s'han realitzat proves experimentals sobre una maqueta de laboratori, combinant els principals códecs empleats en la transmissió d'àudio i vídeo a través de xarxes IP amb diverses captures de so i vídeo que representen patrons característics de serveis multimèdia com son les cridades telefòniques, videoconferències, IPTV o vídeo baix demanda (VOD). Amb la informació reunida en el laboratori s'ha pogut establir la correlació entre els canvis induïts en la topologia física i lògica de la xarxa amb els paràmetres que mesuren la qualitat de servei (QoS) d'una transmissió multimèdia, com la latència el jitter o la pèrdua de paquets. En esta fase de la investigació es realitza un estudi per a determinar l'estat de l'art de les propostes de desenvolupament i implementació de protocols i algoritmes que s'han generat de forma explícita per a optimitzar la transmissió de tràfic multimèdia sobre xarxes ad hoc sense fil, especialment en les xarxes sense fil de sensors and xarxes ad hoc utilitzant clusters de nodes distribuïts en un espai geogràfic. El següent pas en la investigació ha consistit en el desenvolupament d'un algoritme propi per a l'organització lògica de clusters formats per nodes capaços d'adaptar-se a les circumstàncies del tràfic en temps real. L'objectiu plantejat és aconseguir un aprofitament màxim dels recursos oferits pel conjunt de nodes que formen la xarxa, permetent de forma simultània l'enviament de qualsevol tipus de continguts a través d'ells de forma confiable i eficient, permetent la convivència de tràfic de dades IP convencional amb tràfic multimèdia amb requisits exigents de QoS i QoE. A partir de la informació aconseguida en la fase anterior, s'ha desenvolupat una arquitectura de xarxa que millora el rendiment general de la xarxa i el de les transmissions multimèdia d'àudio i vídeo en particular. De forma paral¿lela, s'ha dissenyat i programat un protocol de comunicació que permet implementar el model i testejar el seu funcionament sobre infraestructures de xarxa reals. En l'última fase d'esta tesi s'ha dirigit l'atenció cap a la transmissió multimèdia en les xarxes de sensors sense fil (WSN). Partint dels resultats anteriors, s'ha adaptat tant l'arquitectura com el protocol de comunicacions per a aquest tipus concret de xarxa, l'ús del qual s'ha estés en els últims anys de forma considerable.Díaz Santos, JR. (2016). Design and Implementation of a Communication Protocol to Improve Multimedia QoS and QoE in Wireless Ad Hoc Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62162TESI

Mathematical analysis of scheduling policies in peer-to-peer video streaming networks

Las redes de pares son comunidades virtuales autogestionadas, desarrolladas en la capa de aplicación sobre la infraestructura de Internet, donde los usuarios (denominados pares) comparten recursos (ancho de banda, memoria, procesamiento) para alcanzar un fin común. La distribución de video representa la aplicación más desafiante, dadas las limitaciones de ancho de banda. Existen básicamente tres servicios de video. El más simple es la descarga, donde un conjunto de servidores posee el contenido original, y los usuarios deben descargar completamente este contenido previo a su reproducción. Un segundo servicio se denomina video bajo demanda, donde los pares se unen a una red virtual siempre que inicien una solicitud de un contenido de video, e inician una descarga progresiva en línea. El último servicio es video en vivo, donde el contenido de video es generado, distribuido y visualizado simultáneamente. En esta tesis se estudian aspectos de diseño para la distribución de video en vivo y bajo demanda. Se presenta un análisis matemático de estabilidad y capacidad de arquitecturas de distribución bajo demanda híbridas, asistidas por pares. Los pares inician descargas concurrentes de múltiples contenidos, y se desconectan cuando lo desean. Se predice la evolución esperada del sistema asumiendo proceso Poisson de arribos y egresos exponenciales, mediante un modelo determinístico de fluidos. Un sub-modelo de descargas secuenciales (no simultáneas) es globalmente y estructuralmente estable, independientemente de los parámetros de la red. Mediante la Ley de Little se determina el tiempo medio de residencia de usuarios en un sistema bajo demanda secuencial estacionario. Se demuestra teóricamente que la filosofía híbrida de cooperación entre pares siempre desempeña mejor que la tecnología pura basada en cliente-servidor

Diseño centrado en calidad para la difusión Peer-to-Peer de video en vivo

El uso de redes Peer-to-Peer (P2P) es una forma escalable para ofrecer servicios de video sobre Internet. Este documento hace foco en la definición, desarrollo y evaluación de una arquitectura P2P para distribuir video en vivo. El diseño global de la red es guiado por la calidad de experiencia (Quality of Experience - QoE), cuyo principal componente en este caso es la calidad del video percibida por los usuarios finales, en lugar del tradicional diseño basado en la calidad de servicio (Quality of Service - QoE) de la mayoría de los sistemas. Para medir la calidad percibida del video, en tiempo real y automáticamente, extendimos la recientemente propuesta metodología Pseudo-Subjective Quality Assessment (PSQA). Dos grandes líneas de investigación son desarrolladas. Primero, proponemos una técnica de distribución de video desde múltiples fuentes con las características de poder ser optimizada para maximizar la calidad percibida en contextos de muchas fallas y de poseer muy baja señalización (a diferencia de los sistemas existentes). Desarrollamos una metodología, basada en PSQA, que nos permite un control fino sobre la forma en que la señal de video es dividida en partes y la cantidad de redundancia agregada, como una función de la dinámica de los usuarios de la red. De esta forma es posible mejorar la robustez del sistema tanto como sea deseado, contemplando el límite de capacidad en la comunicación. En segundo lugar, presentamos un mecanismo estructurado para controlar la topología de la red. La selección de que usuarios servirán a que otros es importante para la robustez de la red, especialmente cuando los usuarios son heterogéneos en sus capacidades y en sus tiempos de conexión.Nuestro diseño maximiza la calidad global esperada (evaluada usando PSQA), seleccionado una topología que mejora la robustez del sistema. Además estudiamos como extender la red con dos servicios complementarios: el video bajo demanda (Video on Demand - VoD) y el servicio MyTV. El desafío en estos servicios es como realizar búsquedas eficientes sobre la librería de videos, dado al alto dinamismo del contenido. Presentamos una estrategia de "caching" para las búsquedas en estos servicios, que maximiza el número total de respuestas correctas a las consultas, considerando una dinámica particular en los contenidos y restricciones de ancho de banda. Nuestro diseño global considera escenarios reales, donde los casos de prueba y los parámetros de configuración surgen de datos reales de un servicio de referencia en producción. Nuestro prototipo es completamente funcional, de uso gratuito, y basado en tecnologías bien probadas de código abierto

A REVIEW STUDY OF EUROPEAN R&D PROJECTS FOR SATELLITE COMMUNICATIONS IN 5G/6G ERA

Κατά τις τελευταίες δεκαετίες τα δορυφορικά συστήματα τηλεπικοινωνιών έχουν προσφέρει μια γκάμα από πολυμεσικές υπηρεσίες όπως δορυφορική τηλεόραση, δορυφορική τηλεφωνία και ευρυζωνική πρόσβαση στο διαδίκτυο. Οι μακροπρόθεσμες τεχνολογικές αναβαθμίσεις σε συνδυασμό με την προσθήκη νέων δορυφορικών συστημάτων γεωστατικής και ελλειπτικής τροχιάς και με την ενσωμάτωση τεχνολογιών πληροφορικής έχουν ωθήσει την αύξηση του μέγιστου εύρους των δορυφόρων στο 1Gbps σε μεμονωμένους δορυφόρους ενώ σε διάταξη αστερισμού μπορούν να ξεπεράσουν το 1 Tbps. Σε συνδυασμό με την μείωση του χρόνου απόκρισης σε ρυθμούς ανταγωνιστικούς με τις χερσαίες υποδομές ανοίγουν νέες ευκαιρίες και νέους ρόλους εντός ενός οικοσυστήματος ετερογενούς δικτύων 5ης γενιάς. Σε αυτήν την διατριβή, αξιολογούμε επιδοτούμενα επιστημονικά προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Διαστήματος (ESA) και του προγράμματος επιδότησης Horizon 2020 της Ευρωπαϊκής Ένωσης, προκειμένου να εξηγήσουμε τις δυνατότητες των δορυφόρων εντός ενός ετερογενούς δικτύου 5ης γενιάς, αναφέρουμε συγκεκριμένα αυτά που αφορούν την εξέλιξη των δορυφορικών ψηφιακών συστημάτων και την ικανότητα ενσωμάτωσης τους σε τωρινές αλλά και μελλοντικές υποδομές χερσαίων τηλεπικοινωνιακών δικτύων μέσω της εμφάνισης νέων τεχνολογιών στις ηλεκτρονικές και οπτικές επικοινωνίες αέρος μαζί με την εμφάνιση τεχνολογιών πληροφορικής όπως της δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και της εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου. Αναφερόμαστε στους στόχους του κάθε project ξεχωριστά και κατηγοριοποιημένα στους ακόλουθους τομείς έρευνας: -Συσσωμάτωση των δορυφόρων με τα επίγεια δίκτυα 5ης γενιάς με οργανωμένες μελέτες και στρατηγικές -Ενσωμάτωση των τεχνολογιών δικτύωσης βασισμένης στο λογισμικό και εικονικοποίησης λειτουργιών δικτύου στο δορυφορικών τμήμα των δικτύων 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων σε εφαρμογές του διαδικτύου των πραγμάτων σε συνάφεια με τα χερσαία δίκτυα 5ης γενιάς -Ο ρόλος των δορυφόρων στην δίκτυα διανομής πολυμεσικού περιεχομένου & η επιρροή των πρωτοκόλλων διαδικτύου στην ποιότητα υπηρεσίας χρήστη κατά την διάρκεια μιας δορυφορικής σύνδεσης. -Μελλοντικές βελτιώσεις και εφαρμογές στα δορυφορικά συστήματα με έμφαση στα μελλοντικά πρότυπα του φυσικό επιπέδου Στο τέλος διαθέτουμε ένα παράρτημα που αφορά τεχνικές αναλύσεις στην εξέλιξη του φυσικού επιπέδου των δορυφορικών συστημάτων, συνοδευόμενο με την συσχετιζόμενη βιβλιογραφία για περαιτέρω μελέτη.Over the last decades satellite telecommunication systems offer many types of multimedia services like Satellite TV, telephony and broadband internet access. The long-term technological evolutions occurred into state-of-the-art satellite systems altogether with the addition of new high throughput geostatic and non-geostatic systems, individual satellites can now achieve a peak bandwidth of up to Gbps, and with possible extension into satellite constellation systems the total capacity can reach up to Tbps. Supplementary, with systems latency being comparable to terrestrial infrastructures and with integration of several computer science technologies, satellite systems can achieve new & more advanced roles inside a heterogeneous 5G network’s ecosystem. In this thesis, we have studied European Space Agency (ESA’s) and European Union’s (EU) Horizon 2020 Research and Development (R&D) funded projects in order to describe the satellite capabilities within a 5G heterogeneous network, mentioning the impact of the evolution of digital satellite communications and furthermore the integration with the state-of the art & future terrain telecommunication systems by new technologies occurred through the evolution of electronic & free space optical communications alongside with the integration of computer science’s technologies like Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV). In order to describe this evolution we have studied the concepts of each individual project, categorized chronically and individual by its scientific field of research. Our main scientific trends for this thesis are: -Satellite Integration studies & strategies into the 5G terrestrial networks -Integration of SDN and NFV technologies on 5G satellite component -Satellite’s role in the Internet of Things applications over 5G terrestrial networks -Satellite’s role in Content Distribution Networks & internet protocols impact over user’s Quality of Experience (QoE) over a satellite link -The future proposals upon the evolution of Satellite systems by upcoming improvements and corresponding standards Finally, we have created an Annex for technical details upon the evolution of physical layer of the satellite systems with the corresponding bibliography of this thesis for future study

Network Performance Management Using Application-centric Key Performance Indicators

The Internet and intranets are viewed as capable of supplying Anything, Anywhere, Anytime and e-commerce, e-government, e-community, and military C4I are now deploying many and varied applications to serve their needs. Network management is currently centralized in operations centers. To assure customer satisfaction with the network performance they typically plan, configure and monitor the network devices to insure an excess of bandwidth, that is overprovision. If this proves uneconomical or if complex and poorly understood interactions of equipment, protocols and application traffic degrade performance creating customer dissatisfaction, another more application-centric, way of managing the network will be needed. This research investigates a new qualitative class of network performance measures derived from the current quantitative metrics known as quality of service (QOS) parameters. The proposed class of qualitative indicators focuses on utilizing current network performance measures (QOS values) to derive abstract quality of experience (QOE) indicators by application class. These measures may provide a more user or application-centric means of assessing network performance even when some individual QOS parameters approach or exceed specified levels. The mathematics of functional analysis suggests treating QOS performance values as a vector, and, by mapping the degradation of the application performance to a characteristic lp-norm curve, a qualitative QOE value (good/poor) can be calculated for each application class. A similar procedure could calculate a QOE node value (satisfactory/unsatisfactory) to represent the service level of the switch or router for the current mix of application traffic. To demonstrate the utility of this approach a discrete event simulation (DES) test-bed, in the OPNET telecommunications simulation environment, was created modeling the topology and traffic of three semi-autonomous networks connected by a backbone. Scenarios, designed to degrade performance by under-provisioning links or nodes, are run to evaluate QOE for an access network. The application classes and traffic load are held constant. Future research would include refinement of the mathematics, many additional simulations and scenarios varying other independent variables. Finally collaboration with researchers in areas as diverse as human computer interaction (HCI), software engineering, teletraffic engineering, and network management will enhance the concepts modeled

Efficient Passive Clustering and Gateways selection MANETs

Passive clustering does not employ control packets to collect topological information in ad hoc networks. In our proposal, we avoid making frequent changes in cluster architecture due to repeated election and re-election of cluster heads and gateways. Our primary objective has been to make Passive Clustering more practical by employing optimal number of gateways and reduce the number of rebroadcast packets

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2014, nr 4

kwartalni

High-performance and fault-tolerant techniques for massive data distribution in online communities

The amount of digital information produced and consumed is increasing each day. This rapid growth is motivated by the advances in computing power, hardware technologies, and the popularization of user generated content networks. New hardware is able to process larger quantities of data, which permits to obtain finer results, and as a consequence more data is generated. In this respect, scientific applications have evolved benefiting from the new hardware capabilities. This type of application is characterized by requiring large amounts of information as input, generating a significant amount of intermediate data resulting in large files. This increase not only appears in terms of volume, but also in terms of size, we need to provide methods that permit a efficient and reliable data access mechanism. Producing such a method is a challenging task due to the amount of aspects involved. However, we can leverage the knowledge found in social networks to improve the distribution process. In this respect, the advent of the Web 2.0 has popularized the concept of social network, which provides valuable knowledge about the relationships among users, and the users with the data. However, extracting the knowledge and defining ways to actively use it to increase the performance of a system remains an open research direction. Additionally, we must also take into account other existing limitations. In particular, the interconnection between different elements of the system is one of the key aspects. The availability of new technologies such as the mass-production of multicore chips, large storage media, better sensors, etc. contributed to the increase of data being produced. However, the underlying interconnection technologies have not improved with the same speed as the others. This leads to a situation where vast amounts of data can be produced and need to be consumed by a large number of geographically distributed users, but the interconnection between both ends does not match the required needs. In this thesis, we address the problem of efficient and reliable data distribution in a geographically distributed systems. In this respect, we focus on providing a solution that 1) optimizes the use of existing resources, 2) does not requires changes in the underlying interconnection, and 3) provides fault-tolerant capabilities. In order to achieve this objectives, we define a generic data distribution architecture composed of three main components: community detection module, transfer scheduling module, and distribution controller. The community detection module leverages the information found in the social network formed by the users requesting files and produces a set of virtual communities grouping entities with similar interests. The transfer scheduling module permits to produce a plan to efficiently distribute all requested files improving resource utilization. For this purpose, we model the distribution problem using linear programming and offer a method to permit a distributed solving of the problem. Finally, the distribution controller manages the distribution process using the aforementioned schedule, controls the available server infrastructure, and launches new on-demand resources when necessary