QuIVeR: A class of interactive video retrieval protocols

Video-on-demand (VOD) servers need to be efficiently designed in order to support a large number of users viewing the same or different videos at different rates. In this paper, we propose the Quasi-static Interactive Video Retrieval (QuIVeR) Protocol for this purpose when disk-array based video servers are used. Five variations - QuIVeR-1, QuIVeR-2, QuIVeR-3, QuIVeR-4 and QuIVeR-5 - are presented. The properties as well as the relative merits and demerits of each protocol are discussed. The protocols require no buffer at the server and hence, all retrieved segments are immediately transmitted to the appropriate users. The amount of buffer required at each user's set-top box is reduced to two video segments. Guarantees are provided for the avoidance of video starvation as well as buffer overflow at each user's set-top box. Numerical results, obtained using data from an MPEG coded `Star Wars' video, are provided.published_or_final_versio

DIVeR: a dynamic interactive video retrieval protocol for disk array based servers

Video-on-demand (VOD) is a very promising multimedia application of the near future. In order for such a service to be commercially viable, efficient storage and retrieval schemes need to be designed. A scheme for grouping MPEG frames into segments wherein no frames are discarded during fast playback is proposed. In addition, the Dynamic Interactive Video Retrieval (DIVeR) protocol is introduced for scheduling the retrieval of multiple users from disk-array servers.published_or_final_versio

Demonstrating the feasibility of standardized application program interfaces that will allow mobile/portable terminals to receive services combining UMTS and DVB-T

Crucial to the commercial exploitation of any service combining UMTS and DVB-T is the availability of standardized API’s adapted to the hybrid UMTS and DVB-T network and to the technical limitations of mobile/portable terminals. This paper describes work carried out in the European Commission Framework Program 5 (FP5) project CONFLUENT to demonstrate the feasibility of such Application Program Interfaces (API’s) by enabling the reception of a Multimedia Home Platform (MHP) based application transmitted over DVB-T on five different terminals with parts of the service running on a mobile phone

ATOM : a distributed system for video retrieval via ATM networks

The convergence of high speed networks, powerful personal computer processors and improved storage technology has led to the development of video-on-demand services to the desktop that provide interactive controls and deliver Client-selected video information on a Client-specified schedule. This dissertation presents the design of a video-on-demand system for Asynchronous Transfer Mode (ATM) networks, incorporating an optimised topology for the nodes in the system and an architecture for Quality of Service (QoS). The system is called ATOM which stands for Asynchronous Transfer Mode Objects. Real-time video playback over a network consumes large bandwidth and requires strict bounds on delay and error in order to satisfy the visual and auditory needs of the user. Streamed video is a fundamentally different type of traffic to conventional IP (Internet Protocol) data since files are viewed in real-time, not downloaded and then viewed. This streaming data must arrive at the Client decoder when needed or it loses its interactive value. Characteristics of multimedia data are investigated including the use of compression to reduce the excessive bit rates and storage requirements of digital video. The suitability of MPEG-1 for video-on-demand is presented. Having considered the bandwidth, delay and error requirements of real-time video, the next step in designing the system is to evaluate current models of video-on-demand. The distributed nature of four such models is considered, focusing on how Clients discover Servers and locate videos. This evaluation eliminates a centralized approach in which Servers have no logical or physical connection to any other Servers in the network and also introduces the concept of a selection strategy to find alternative Servers when Servers are fully loaded. During this investigation, it becomes clear that another entity (called a Broker) could provide a central repository for Server information. Clients have logical access to all videos on every Server simply by connecting to a Broker. The ATOM Model for distributed video-on-demand is then presented by way of a diagram of the topology showing the interconnection of Servers, Brokers and Clients; a description of each node in the system; a list of the connectivity rules; a description of the protocol; a description of the Server selection strategy and the protocol if a Broker fails. A sample network is provided with an example of video selection and design issues are raised and solved including how nodes discover each other, a justification for using a mesh topology for the Broker connections, how Connection Admission Control (CAC) is achieved, how customer billing is achieved and how information security is maintained. A calculation of the number of Servers and Brokers required to service a particular number of Clients is presented. The advantages of ATOM are described. The underlying distributed connectivity is abstracted away from the Client. Redundant Server/Broker connections are eliminated and the total number of connections in the system are minimized by the rule stating that Clients and Servers may only connect to one Broker at a time. This reduces the total number of Switched Virtual Circuits (SVCs) which are a performance hindrance in ATM. ATOM can be easily scaled by adding more Servers which increases the total system capacity in terms of storage and bandwidth. In order to transport video satisfactorily, a guaranteed end-to-end Quality of Service architecture must be in place. The design methodology for such an architecture is investigated starting with a review of current QoS architectures in the literature which highlights important definitions including a flow, a service contract and flow management. A flow is a single media source which traverses resource modules between Server and Client. The concept of a flow is important because it enables the identification of the areas requiring consideration when designing a QoS architecture. It is shown that ATOM adheres to the principles motivating the design of a QoS architecture, namely the Integration, Separation and Transparency principles. The issue of mapping human requirements to network QoS parameters is investigated and the action of a QoS framework is introduced, including several possible causes of QoS degradation. The design of the ATOM Quality of Service Architecture (AQOSA) is then presented. AQOSA consists of 11 modules which interact to provide end-to-end QoS guarantees for each stream. Several important results arise from the design. It is shown that intelligent choice of stored videos in respect of peak bandwidth can improve overall system capacity. The concept of disk striping over a disk array is introduced and a Data Placement Strategy is designed which eliminates disk hot spots (i.e. Overuse of some disks whilst others lie idle.) A novel parameter (the B-P Ratio) is presented which can be used by the Server to predict future bursts from each video stream. The use of Traffic Shaping to decrease the load on the network from each stream is presented. Having investigated four algorithms for rewind and fast-forward in the literature, a rewind and fast-forward algorithm is presented. The method produces a significant decrease in bandwidth, and the resultant stream is very constant, reducing the chance that the stream will add to network congestion. The C++ classes of the Server, Broker and Client are described emphasizing the interaction between classes. The use of ATOM in the Virtual Private Network and the multimedia teaching laboratory is considered. Conclusions and recommendations for future work are presented. It is concluded that digital video applications require high bandwidth, low error, low delay networks; a video-on-demand system to support large Client volumes must be distributed, not centralized; control and operation (transport) must be separated; the number of ATM Switched Virtual Circuits (SVCs) must be minimized; the increased connections caused by the Broker mesh is justified by the distributed information gain; a Quality of Service solution must address end-to-end issues. It is recommended that a web front-end for Brokers be developed; the system be tested in a wide area A TM network; the Broker protocol be tested by forcing failure of a Broker and that a proprietary file format for disk striping be implemented

Provider-Controlled Bandwidth Management for HTTP-based Video Delivery

Over the past few years, a revolution in video delivery technology has taken place as mobile viewers and over-the-top (OTT) distribution paradigms have significantly changed the landscape of video delivery services. For decades, high quality video was only available in the home via linear television or physical media. Though Web-based services brought video to desktop and laptop computers, the dominance of proprietary delivery protocols and codecs inhibited research efforts. The recent emergence of HTTP adaptive streaming protocols has prompted a re-evaluation of legacy video delivery paradigms and introduced new questions as to the scalability and manageability of OTT video delivery. This dissertation addresses the question of how to enable for content and network service providers the ability to monitor and manage large numbers of HTTP adaptive streaming clients in an OTT environment. Our early work focused on demonstrating the viability of server-side pacing schemes to produce an HTTP-based streaming server. We also investigated the ability of client-side pacing schemes to work with both commodity HTTP servers and our HTTP streaming server. Continuing our client-side pacing research, we developed our own client-side data proxy architecture which was implemented on a variety of mobile devices and operating systems. We used the portable client architecture as a platform for investigating different rate adaptation schemes and algorithms. We then concentrated on evaluating the network impact of multiple adaptive bitrate clients competing for limited network resources, and developing schemes for enforcing fair access to network resources. The main contribution of this dissertation is the definition of segment-level client and network techniques for enforcing class of service (CoS) differentiation between OTT HTTP adaptive streaming clients. We developed a segment-level network proxy architecture which works transparently with adaptive bitrate clients through the use of segment replacement. We also defined a segment-level rate adaptation algorithm which uses download aborts to enforce CoS differentiation across distributed independent clients. The segment-level abstraction more accurately models application-network interactions and highlights the difference between segment-level and packet-level time scales. Our segment-level CoS enforcement techniques provide a foundation for creating scalable managed OTT video delivery services

Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films