On-the-Fly Coding for Real-Time Applications

Although ironically it does not offer any real-time guarantee, Internet is a popular solution to support multimedia time-constrained applications (e.g. VoIP, Video Conferencing, ...). Following this trend, this paper focuses on the performance of these applications by studying the benefit of using a novel reliability concept which aims at signifi- cantly improving the performance of these time constrained applications over lossy best-effort networks. This reliability mechanism emerged from several recent works from both network and coding theories. Its principle is to integrate feedbacks in an on-the fly coding scheme in order to optimize the trade-off ”packet decoding delay” vs ”throughput”. We present the first evaluations of this mechanism for VoIP and video-conferencing applications for various erasure channels. Compared to classic block-based erasure codes, the results show significant gains in terms of quality observed by the user for both applications

IP-Level Satellite Link Emulation with KauNet

Distributed applications and transport protocols communicating over a satellite link may react very strongly to conditions specific to that kind of link. Providing a evaluation framework to allow tests of real implementations of such software in that context is quite a challenging task. In this paper we demonstrate how the use of the general-purpose KauNet IP-level emulator combined with satellite-specific packet loss patterns can help by reproducing losses and delays experienced on a satellite link with a simple Ethernet LAN setup. Such a platform is an essential tool for developers performing continuous testing as they provide new features for e.g. video codecs or transport-level software like DCCP and its congestion control components

Contributions à la fiabilisation du transport de la vidéo

Les applications vidéo rencontrent un franc succes dans les nouveaux réseaux de communication. Leur utilisation dans des contextes de plus en plus difficiles : réseaux de paquets non fiables (internet), diffusion vers des récepteurs mobiles via des canaux sans fil, ont requis le développement de nouvelles solutions plus efficaces et mieux adaptées. Les travaux de cette thèse sont une tentative de réponse à ces besoins. Les solutions qui ont été développées peuvent être regroupées en deux ensembles : des solutions issues de travaux nouveaux développés dans un contexte d'utilisation ordinaire et des solutions issues de l'amélioration et l'optimisation de travaux existants développés pour des contextes extrêmes.Le canal de Bernoulli a représenté pour nous le cadre de travail pour le développement des nouvelles solutions. Ainsi pour les applications de diffusion vidéo, nous avons ciblé la protection inégale et avons développé un mécanisme à protection inégale des données vidéo (DA-UEP). Ce mécanisme se situe à proximité de la source vidéo et adapte le niveau de protection des données à leur degré d'importance. Son originalité réside dans sa manière d'intégrer la particularité d'interdépendances des données vidéo dans le générateur de la protection inégale. Dans un travail d'approfondissement et d'exploration, nous avons combiné la protection inégale des couches hautes produite par DA-UEP avec de la protection inégale de la couche physique produite par de la modulation hiérarchique. L'optimisation de ce système a permis d'obtenir des gains significatifs et a validé le bien fondé de cette piste de recherche. Pour les communications vidéo interactives, nous avons évalué les performances du mécanisme Tetrys pour les communications vidéo. Ce mécanisme de codage à la volée avec intégration des acquittements a permis d'obtenir des résultats à la hauteur de ceux obtenus par la protection inégale dans un cadre de diffusion. Ces résultats ont aussi permis de mettre en avant tout le potentiel de ce mécanisme. Pour les canaux satellites mobiles, nous nous sommes intéressés à la diffusion vidéo vers des récepteurs mobiles. Dans ce cadre, nous avons évalué des mécanismes tels que les codes correcteurs d'erreurs, les entrelaceurs de la couche physique et de la couche liaison et les codes à effacement de niveau intermédiaire. Nous avons travaillé sur un canal réaliste en prenant en compte les contraintes pratiques telles que les temps de zapping et la vitesse de déplacement des récepteurs. Nous avons révélé les relations qui existent entre vitesse de déplacement, étalement spatial et qualité de réception. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence les combinaisons de mécanismes qui permettent d'obtenir les meilleurs résultats en termes de fiabilité et de temps de zapping dans ce contexte particulier. ABSTRACT : Video applications are growing more and more successful in the new communication networks. Their utilization in growing harder context as lossy packet network (Interne), satellitemobile broadcasting wireless channel, call for the developments of more ecient and well adapted solutions. The work done in this thesis is an attempt to answer those new needs. The proposed solutions can be grouped into two sets : solutions based on new works developed for medium context and solutions based on the improvement and optimization of existing works developed for extremes contexts. The Bernoulli channel represented the working environment to develop new solutions. So for video streaming application, we targeted unequal protection mechanisms and developed dependency-aware unequal protection codes (DA-UEP). This mechanism is located near the source application and adapt the protection level to the importance of the data. Its originality comes from its ability to integrate video data dependencies into the protection generator. In a forward work of improvement and exploration, we combined DA-UEP unequal protection from high layers with hierarchical-modulation unequal protection from lower layer. The system optimization achieves substantial gains and validate the righteous of this research area. For conversational video applications, we evaluated the performances of Tetrys in the video communication context. This On-the-y coding mechanism with acknowledgment integration achieves performances as high as those obtained by unequal protection in streaming context. Those performances also advances the high potential of this mechanism. The land mobile satellite channels represented the working environment to improve and optimize existing solutions. We particulary focus on satellite to mobile video broadcasting applications. In this context, we evaluated mechanisms such as forward errors correcting codes (FEC), data interleaving at physical or link layers and forward erasures correcting codes at intermediates layers. The evaluation is made on a realistic satellite channel and takes into account practical constraints such as the maximum zapping time and the user mobility at several speeds. We reveal the existing relations between user velocity, data spreading and reception quality. Consequently, We identied the combinations of mechanisms that give the best performance in terms of reliability and zapping time in this particular framework

Dependency-aware unequal erasure protection codes

Classical unequal erasure protection schemes split data to be protected into classes which are encoded independently. The unequal protection scheme presented in this paper is based on an erasure code which encodes all the data together according to the existing dependencies. A simple algorithm generates dynamically the generator matrix of the erasure code according to the packets streams structure, i.e., the dependencies between the packets, and the rate of the code. This proposed erasure code was applied to a packetized MPEG4 stream transmitted over a packet erasure channel and compared with other classical protection schemes in terms of PSNR and MOS. It is shown that the proposed code allows keeping a high video quality-level in a larger packet loss rate range than the other protection schemes

Cross-layer optimization of unequal protected layered video over hierarchical modulation

Abstract-unequal protection mechanisms have been proposed at several layers in order to improve the reliability of multimedia contents, especially for video data. The paper aims at implementing a multi-layer unequal protection scheme, which is based on a Physical-Transport-Application cross-layer design. Hierarchical modulation, in the physical layer, has been demonstrated to increase the overall user capacity of a wireless communications. On the other hand, unequal erasure protection codes at the transport layer turned out to be an efficient method to protect video data generated by the application layer by exploiting their intrinsic properties. In this paper, the two techniques are jointly optimized in order to enable recovering lost data in case the protection is performed separately. We show that the cross-layer design proposed herein outperforms the performance of hierarchical modulation and unequal erasure codes taken independently

Evaluation of cross-layer reliability mechanisms for satellite digital multimedia broadcast

This paper presents a study of some reliability mechanisms which may be put at work in the context of Satellite Digital Multimedia Broadcasting (SDMB) to mobile devices such as handheld phones. These mechanisms include error correcting codes, interleaving at the physical layer, erasure codes at intermediate layers and error concealment on the video decoder. The evaluation is made on a realistic satellite channel and takes into account practical constraints such as the maximum zapping time and the user mobility at several speeds. The evaluation is done by simulating different scenarii with complete protocol stacks. The simulations indicate that, under the assumptions taken here, the scenario using highly compressed video protected by erasure codes at intermediate layers seems to be the best solution on this kind of channel

Tetrys : Un mécanisme de fiabilisation polyvalent

Actuellement, une succession d’erreurs qui ne peut être masquée par le mécanisme de fiabilisation (code à effacement) doit attendre au minimum un RTT pour être corrigée, ce qui n’est souvent pas satisfaisant pour les application temps-réel. Les concepts apportés par la théorie du codage réseau (Network Coding) permettent aujourd’hui de combler le fossé entre fiabilisation et fiabilité totale en s'abstrayant du concept d’ARQ. Cet article présente un mécanisme innovant nommé Tetrys dont l’une des caractéristiques est de pouvoir reconstruire les pertes dans un temps paramétrable et indépendant du RTT. A notre meilleure connaissance, c'est la première fois que les propriétés temps réel d'un tel mécanisme sont énoncées et étudiées. Intuitivement, les applications ciblées sont celles nécessitant une fiabilité totale avec contrainte de délai. Il s’avère qu’à taux de redondance égal, des applications telles que la VoIP et la vidéo-conférence sont bien plus performantes lorsque les flux sont protégés par le mécanisme Tetrys que par les mécanismes FEC ou H-ARQ classiques. Après un rapide rappel des points clés relatifs à FEC et H-ARQ, nous décrivons le principe de Tetrys et montrons son possible déploiement. Nous comparons les performances de FEC, H-ARQ et Tetrys du point de vue applicatif à l'aide d’un prototype et suivant des métriques de délai et dans le cadre de la VoIP, de qualité de la transmission (MOS)

Simple Reed-Solomon Forward Error Correction (FEC) Scheme for FECFRAME, RFC 6865

This document describes a fully-specified simple Forward Error Correction (FEC) scheme for Reed-Solomon codes over the finite field (also known as the Galois Field) GF(2^^m), with 2 <= m <= 16, that can be used to protect arbitrary media streams along the lines defined by FECFRAME. The Reed-Solomon codes considered have attractive properties, since they offer optimal protection against packet erasures and the source symbols are part of the encoding symbols, which can greatly simplify decoding. However, the price to pay is a limit on the maximum source block size, on the maximum number of encoding symbols, and a computational complexity higher than that of the Low-Density Parity Check (LDPC) codes, for instance

Contributions à la fiabilisation du transport de la vidéo

Les applications vidéo rencontrent un franc succes dans les nouveaux réseaux de communication. Leur utilisation dans des contextes de plus en plus difficiles : réseaux de paquets non fiables (internet), diffusion vers des récepteurs mobiles via des canaux sans fil, ont requis le développement de nouvelles solutions plus efficaces et mieux adaptées. Les travaux de cette thèse sont une tentative de réponse à ces besoins. Les solutions qui ont été développées peuvent être regroupées en deux ensembles : des solutions issues de travaux nouveaux développés dans un contexte d'utilisation ordinaire et des solutions issues de l'amélioration et l'optimisation de travaux existants développés pour des contextes extrêmes.Le canal de Bernoulli a représenté pour nous le cadre de travail pour le développement des nouvelles solutions. Ainsi pour les applications de diffusion vidéo, nous avons ciblé la protection inégale et avons développé un mécanisme à protection inégale des données vidéo (DA-UEP). Ce mécanisme se situe à proximité de la source vidéo et adapte le niveau de protection des données à leur degré d'importance. Son originalité réside dans sa manière d'intégrer la particularité d'interdépendances des données vidéo dans le générateur de la protection inégale. Dans un travail d'approfondissement et d'exploration, nous avons combiné la protection inégale des couches hautes produite par DA-UEP avec de la protection inégale de la couche physique produite par de la modulation hiérarchique. L'optimisation de ce système a permis d'obtenir des gains significatifs et a validé le bien fondé de cette piste de recherche. Pour les communications vidéo interactives, nous avons évalué les performances du mécanisme Tetrys pour les communications vidéo. Ce mécanisme de codage à la volée avec intégration des acquittements a permis d'obtenir des résultats à la hauteur de ceux obtenus par la protection inégale dans un cadre de diffusion. Ces résultats ont aussi permis de mettre en avant tout le potentiel de ce mécanisme.Pour les canaux satellites mobiles, nous nous sommes intéressés à la diffusion vidéo vers des récepteurs mobiles. Dans ce cadre, nous avons évalué des mécanismes tels que les codes correcteurs d'erreurs, les entrelaceurs de la couche physique et de la couche liaison et les codes à effacement de niveau intermédiaire. Nous avons travaillé sur un canal réaliste en prenant en compte les contraintes pratiques telles que les temps de zapping et la vitesse de déplacement des récepteurs. Nous avons révélé les relations qui existent entre vitesse de déplacement, étalement spatial et qualité de réception. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence les combinaisons de mécanismes qui permettent d'obtenir les meilleurs résultats en termes de fiabilité et de temps de zapping dans ce contexte particulier.Video applications are growing more and more successful in the new communication networks. Their utilization in growing harder context as lossy packet network (Interne), satellitemobile broadcasting wireless channel, call for the developments of more ecient and well adapted solutions. The work done in this thesis is an attempt to answer those new needs. The proposed solutions can be grouped into two sets : solutions based on new works developed for medium context and solutions based on the improvement and optimization of existing works developed for extremes contexts. The Bernoulli channel represented the working environment to develop new solutions. So for video streaming application, we targeted unequal protection mechanisms and developed dependency-aware unequal protection codes (DA-UEP). This mechanism is located near the source application and adapt the protection level to the importance of the data. Its originality comes from its ability to integrate video data dependencies into the protection generator. In a forward work of improvement and exploration, we combined DA-UEP unequal protection from high layers with hierarchical-modulation unequal protection from lower layer. The system optimization achieves substantial gains and validate the righteous of this research area. For conversational video applications, we evaluated the performances of Tetrys in the video communication context. This On-the-y coding mechanism with acknowledgment integration achieves performances as high as those obtained by unequal protection in streaming context. Those performances also advances the high potential of this mechanism. The land mobile satellite channels represented the working environment to improve and optimize existing solutions. We particulary focus on satellite to mobile video broadcasting applications. In this context, we evaluated mechanisms such as forward errors correcting codes (FEC), data interleaving at physical or link layers and forward erasures correcting codes at intermediates layers. The evaluation is made on a realistic satellite channel and takes into account practical constraints such as the maximum zapping time and the user mobility at several speeds. We reveal the existing relations between user velocity, data spreading and reception quality. Consequently, We identied the combinations of mechanisms that give the best performance in terms of reliability and zapping time in this particular framework.TOULOUSE-INP (315552154) / SudocSudocFranceF

On-the-fly erasure coding for real-time video applications

This paper introduces a robust point-to-point transmission scheme: Tetrys, that relies on a novel on-the-fly erasure coding concept which reduces the delay for recovering lost data at the receiver side. In current erasure coding schemes, the packets that are not rebuilt at the receiver side are either lost or delayed by at least one RTT before transmission to the application. The present contribution aims at demonstrating that Tetrys coding scheme can fill the gap between real-time applications requirements and full reliability. Indeed, we show that in several cases, Tetrys can recover lost packets below one RTT over lossy and best-effort networks. We also show that Tetrys allows to enable full reliability without delay compromise and as a result: significantly improves the performance of time constrained applications. For instance, our evaluations present that video-conferencing applications obtain a PSNR gain up to 7dB compared to classic block-based erasure codes