Data Processing and Fusion For Multi-Source Wireless Systems

The constant evolution of the telecommunication technologies is one fundamental aspect that characterizes the modern era. In the context of healthcare and security, different scenarios are characterized by the presence of multiple sources of information that can support a large number of innovative services. For example, in emergency scenarios, reliable transmission of heterogeneous information (health conditions, ambient and diagnostic videos) can be a valid support for managing the first-aid operations. The presence of multiple sources of information requires a careful communication management, especially in case of limited transmission resource availability. The objective of my Ph.D. activity is to develop new optimization techniques for multimedia communications, considering emergency scenarios characterized by wireless connectivity. Different criteria are defined in order to prioritize the available heterogeneous information before transmission. The proposed solutions are based on the modern concept of content/context awareness: the transmission parameters are optimized taking into account the informative content of the data and the general context in which the information sources are located. To this purpose, novel cross-layer adaptation strategies are proposed for multiple SVC videos delivered over wireless channel. The objective is to optimize the resource allocation dynamically adjusting the overall transmitted throughput to meet the actual available bandwidth. After introducing a realistic camera network, some numerical results obtained with the proposed techniques are showed. In addition, through numerical simulations the benefits are showed, in terms of QoE, introduced by the proposed adaptive aggregation and transmission strategies applied in the context of emergency scenarios. The proposed solution is fully integrated in European research activities, including the FP7 ICT project CONCERTO. To implement, validate and demonstrate the functionalities of the proposed solutions, extensive transmission simulation campaigns are performed. Hence, the presented solutions are integrated on a common system simulator which is been developed within the CONCERTO project

Quality of experience characterization and provisioning in mobile cellular networks

Παραδοσιακά, οι προηγούμενες γενεές κινητών κυψελωτών δικτύων έχουν σχεδιαστεί με κριτήρια Ποιότητας Υπηρεσίας, έτσι ώστε να πληρούν συγκεκριμένες απαιτήσεις διαφόρων υπηρεσιών. Η «Ποιότητα Εμπειρίας» έχει, ωστόσο, πρόσφατα εμφανιστεί ως έννοια, επηρεάζοντας το σχεδιασμό των μελλοντικών γενεών των δικτύων, δίνοντας σαφή έμφαση στην πραγματικά επιτευχθείσα εμπειρία του τελικού χρήστη. Η εμφάνιση της έννοιας της Ποιότητας Εμπειρίας οφείλεται στην αναπόφευκτη, ισχυρή μετάβαση που βιώνει η βιομηχανία των Τηλεπικοινωνιών από συστημο-κεντρικά δίκτυα σε πιο χρηστο-κεντρικές λύσεις και στόχους. Οι πάροχοι κινητών δικτύων, οι πάροχοι υπηρεσιών, οι προγραμματιστές εφαρμογών, αλλά και άλλα ενδιαφερόμενα μέλη που εμπλέκονται στην αλυσίδα παροχής υπηρεσιών προσελκύονται από τις ευκαιρίες που μπορεί να προσφέρει η ενσωμάτωση γνώσης Ποιότητας Εμπειρίας στο επιχειρηματικό τους μοντέλο. Πράγματι, η παρεχόμενη Ποιότητα Εμπειρίας αποτελεί έναν καθοριστικό παράγοντα διαφοροποίησης μεταξύ των διαφόρων παικτών, μία τάση που αναμένεται να γίνει ακόμη πιο έντονη τα επόμενα χρόνια. Υποκινούμενη από αυτή την χρηστο-κεντρική τάση, η έρευνα που διεξάγεται σε αυτή τη διατριβή έχει ως στόχο την διερεύνηση των προκλήσεων και των ευκαιριών που προκύπτουν στα σύγχρονα κινητά κυψελωτά δίκτυα όταν λαμβάνεται υπόψιν η έννοια της Ποιότητας Εμπειρίας. Τέτοιες ευκαιρίες αφορούν, καταρχήν, τη δυνατότητα κατανόησης της Ποιότητας Εμπειρίας που επιτυγχάνει ένας πάροχος κατά την προσφορά μίας υπηρεσίας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την υλοποίηση και ενσωμάτωση μεθόδων αξιολόγησης Ποιότητας Εμπειρίας στην πραγματικού-χρόνου λειτουργία ενός δικτύου. Εν συνεχεία, ακολουθεί η εκμετάλλευση της συλλεγμένης ευφυΐας που σχετίζεται με την Ποιότητα Εμπειρίας, προκειμένου να επανεξεταστούν υφιστάμενοι μηχανισμοί επιπέδου δικτύου (π.χ., χρονο-προγραμματισμός ραδιοπόρων) ή μηχανισμοί επιπέδου εφαρμογής (π.χ., ροή βίντεο), αλλά και να προταθούν καινοτόμες διαστρωματικές προσεγγίσεις προς όφελος της Ποιότητας Εμπειρίας. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα πρότασης νέων αλγορίθμων που προκύπτουν από τα εγγενή χαρακτηριστικά της Ποιότητας Εμπειρίας, όπως η μη γραμμική επίδραση μετρικών Ποιότητας Υπηρεσίας στην Ποιότητα Εμπειρίας, με στόχο την περαιτέρω βελτίωσή της. Σε αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διατριβή, διερευνώνται και αξιοποιούνται μοντέλα και μετρικές εκτίμησης Ποιότητας Εμπειρίας με στόχο την ποσοτικοποίησή της, έχοντας ως απώτερο στόχο την εισαγωγή βελτιώσεων στους υφιστάμενους μηχανισμούς κινητών κυψελωτών δικτύων. Ο πυρήνας αυτής της διατριβής είναι η πρόταση μίας κυκλικής διεργασίας παροχής Ποιότητας Εμπειρίας που επιτρέπει τον έλεγχο, την παρακολούθηση (ήτοι, τη μοντελοποίηση) και τη διαχείριση της Ποιότητας Εμπειρίας σε ένα κυψελωτό δίκτυο. Κάθε μία από αυτές τις λειτουργίες αναλύεται περαιτέρω, ενώ έμφαση δίνεται στις λειτουργίες μοντελοποίησης και διαχείρισης. Όσον αφορά τη μοντελοποίηση, γίνεται περιγραφή και ταξινόμηση των μεθόδων εκτίμησης και των δεικτών επιδόσεων Ποιότητας Εμπειρίας. Η παραμετρική εκτίμηση της ποιότητας αναδεικνύεται ως η πιο ελκυστική κατηγορία μοντελοποίησης Ποιότητας Εμπειρίας σε κινητά κυψελωτά δίκτυα, οπότε και περιγράφεται διεξοδικά για ευρέως χρησιμοποιούμενους τύπους υπηρεσιών, όπως η συνομιλία (φωνή) μέσω Internet Protocol (IP) και η μετάδοση βίντεο. Όσον αφορά τη διαχείριση Ποιότητας Εμπειρίας, προτείνονται νέοι μηχανισμοί που επιδεικνύουν βελτιώσεις στην εμπειρία των τελικών χρηστών, και συγκεκριμένα: α) ένα σχήμα ελέγχου των επικοινωνιών συσκευής-προς-συσκευή που λαμβάνει υπόψιν την εμπειρία των χρηστών, β) ένας «συνεπής» αλγόριθμος χρονο-προγραμματισμού ραδιοπόρων που βελτιώνει την Ποιότητα Εμπειρίας του χρήστη μετριάζοντας τις διακυμάνσεις της ρυθμαπόδοσης του δικτύου, και γ) ένας μηχανισμός προσαρμοστικής ροής βίντεο με γνώσεις «πλαισίου», ο οποίος επιτυγχάνει την εξάλειψη διακοπών του βίντεο σε συνθήκες χαμηλού εύρους ζώνης. Επιπλέον, προτείνεται μία εφαρμογή Ποιότητας Εμπειρίας βασισμένη στην αρχιτεκτονική Software-Defined Networking (SDN), ονόματι “QoE-SDN APP”, η οποία επιτρέπει την ανάδραση πληροφοριών δικτύου από παρόχους κινητής τηλεφωνίας σε παρόχους υπηρεσιών βίντεο, αναδεικνύοντας πλεονεκτήματα ως προς την Ποιότητα Εμπειρίας για τους πελάτες των παρόχων βίντεο αλλά και ως προς την εξοικονόμηση εύρους ζώνης για τους φορείς εκμετάλλευσης δικτύου. Εν κατακλείδι, η παρούσα διατριβή προωθεί την ενοποίηση του ερευνητικού πεδίου της Ποιότητας Εμπειρίας με τον τομέα των κινητών επικοινωνιών, καθώς και τη συνεργασία αμοιβαίου ενδιαφέροντος μεταξύ των παρόχων δικτύου (επίπεδο δικτύου) με τους παρόχους υπηρεσιών (επίπεδο εφαρμογής), αναδεικνύοντας την δυναμική από τέτοιου είδους προσεγγίσεις για όλους τους εμπλεκόμενους φορείς.Traditionally, previous generations of mobile cellular networks have been designed with Quality of Service (QoS) criteria in mind, so that they manage to meet specific service requirements. Quality of Experience (QoE) has, however, recently emerged as a concept, disrupting the design of future network generations by giving clear emphasis on the actually achieved user experience. The emergence of the QoE concept has been a result of the inevitable strong transition that the Telecom industry is currently experiencing from system-centric networks to more user-centric solutions and objectives. Mobile network operators, service providers, application developers, as well as other stakeholders involved in the service provisioning chain have been attracted by the opportunities that the integration of the QoE concept could bring to their business; indeed, the provisioned QoE constitutes a determining factor of differentiation among different stakeholders, a tendency which is expected to become even more intense in the years to come. Motivated by this boost towards user-centricity, the objective of the research conducted in this thesis is to explore the challenges and opportunities that arise in modern mobile cellular networks when QoE is considered. Such opportunities concern, first of all, the possibility to comprehend the QoE that a provider achieves when provisioning a service. This can be enabled by the implementation and integration of QoE assessment methods into the real-time operation of a network. Then, the next step is the exploitation of collected QoE-related intelligence in order to re-examine existing network-layer mechanisms (e.g., radio scheduling), or application-layer mechanisms (e.g., video streaming), as well as propose novel cross-layer approaches towards ameliorating the achieved QoE. Moreover, the opportunity emerges to propose novel algorithms that stem from the inherent idiosyncrasies of QoE, such as the non-linear impact of QoS-related parameters on QoE, as a way to further enhance the users’ QoE. In this direction, throughout this thesis, QoE estimation models and metrics are explored and exploited in order to quantify QoE and thus, to improve existing mechanisms of mobile cellular networks. The core of this thesis is the proposal of a QoE provisioning cycle that allows the control, monitoring (i.e., modeling) and management of QoE in a cellular network. Each one of these functions is further analyzed, while emphasis is given on the modeling and management operations. In terms of modeling, QoE assessment methods and QoE-related performance indicators are described and classified. Parametric quality estimation is identified as the most appealing type of QoE estimation in mobile cellular networks, thus, it is thoroughly described for widely used types of services, such as Voice over IP (VoIP) and video streaming. In terms of QoE management, novel QoE-aware mechanisms that demonstrate QoE improvements for the users are proposed, namely: a) a QoE-driven Device-to-Device (D2D) communication management scheme that enhances end-user QoE, b) a “consistent” radio scheduling algorithm that improves the end-user QoE by mitigating throughput fluctuations, and c) a context-aware HTTP Adaptive Streaming (HAS) mechanism that successfully mitigates stallings (i.e., video freezing events) in the context of bandwidth-challenging scenarios. Moreover, a programmable QoE-SDN APP into the Software-Defined Networking (SDN) architecture is introduced, which enables network feedback exposure from mobile network operators to video service providers, revealing QoE benefits for the customers of video providers and bandwidth savings for the network operators. Overall, this thesis promotes the uniting of the domain of QoE with the domain of mobile communications, as well as the collaboration of mutual-interest between mobile network operators (network layer) and service providers (application layer), presenting the high potential from such approaches for all involved stakeholders

Quality-aware Content Adaptation in Digital Video Streaming

User-generated video has attracted a lot of attention due to the success of Video Sharing Sites such as YouTube and Online Social Networks. Recently, a shift towards live consumption of these videos is observable. The content is captured and instantly shared over the Internet using smart mobile devices such as smartphones. Large-scale platforms arise such as YouTube.Live, YouNow or Facebook.Live which enable the smartphones of users to livestream to the public. These platforms achieve the distribution of tens of thousands of low resolution videos to remote viewers in parallel. Nonetheless, the providers are not capable to guarantee an efficient collection and distribution of high-quality video streams. As a result, the user experience is often degraded, and the needed infrastructure installments are huge. Efficient methods are required to cope with the increasing demand for these video streams; and an understanding is needed how to capture, process and distribute the videos to guarantee a high-quality experience for viewers. This thesis addresses the quality awareness of user-generated videos by leveraging the concept of content adaptation. Two types of content adaptation, the adaptive video streaming and the video composition, are discussed in this thesis. Then, a novel approach for the given scenario of a live upload from mobile devices, the processing of video streams and their distribution is presented. This thesis demonstrates that content adaptation applied to each step of this scenario, ranging from the upload to the consumption, can significantly improve the quality for the viewer. At the same time, if content adaptation is planned wisely, the data traffic can be reduced while keeping the quality for the viewers high. The first contribution of this thesis is a better understanding of the perceived quality in user-generated video and its influencing factors. Subjective studies are performed to understand what affects the human perception, leading to the first of their kind quality models. Developed quality models are used for the second contribution of this work: novel quality assessment algorithms. A unique attribute of these algorithms is the usage of multiple features from different sensors. Whereas classical video quality assessment algorithms focus on the visual information, the proposed algorithms reduce the runtime by an order of magnitude when using data from other sensors in video capturing devices. Still, the scalability for quality assessment is limited by executing algorithms on a single server. This is solved with the proposed placement and selection component. It allows the distribution of quality assessment tasks to mobile devices and thus increases the scalability of existing approaches by up to 33.71% when using the resources of only 15 mobile devices. These three contributions are required to provide a real-time understanding of the perceived quality of the video streams produced on mobile devices. The upload of video streams is the fourth contribution of this work. It relies on content and mechanism adaptation. The thesis introduces the first prototypically evaluated adaptive video upload protocol (LiViU) which transcodes multiple video representations in real-time and copes with changing network conditions. In addition, a mechanism adaptation is integrated into LiViU to react to changing application scenarios such as streaming high-quality videos to remote viewers or distributing video with a minimal delay to close-by recipients. A second type of content adaptation is discussed in the fifth contribution of this work. An automatic video composition application is presented which enables live composition from multiple user-generated video streams. The proposed application is the first of its kind, allowing the in-time composition of high-quality video streams by inspecting the quality of individual video streams, recording locations and cinematographic rules. As a last contribution, the content-aware adaptive distribution of video streams to mobile devices is introduced by the Video Adaptation Service (VAS). The VAS analyzes the video content streamed to understand which adaptations are most beneficial for a viewer. It maximizes the perceived quality for each video stream individually and at the same time tries to produce as little data traffic as possible - achieving data traffic reduction of more than 80%