A QoS-aware routing protocol with adaptive feedback scheme for video streaming for mobile networks

One of the major challenges for the transmission of time-sensitive data like video over mobile ad-hoc networks (MANETs) is the deployment of an end-to-end QoS support mechanism. Therefore, several approaches and enhancements have been proposed concerning the routing protocols. In this paper we propose a new QoS routing protocol based on AODV (named AQA-AODV), which creates routes according to application QoS requirements. We have introduced link and path available bandwidth estimation mechanisms and an adaptive scheme that can provide feedback to the source node about the current network state, to allow the application to appropriately adjust the transmission rate. In the same way, we propose a route recovery approach into the AQA-AODV protocol, which provides a mechanism to detect the link failures in a route and re-establish the connections taking into account the conditions of QoS that have been established during the previous route discovery phase. The simulation results reveal performance improvements in terms of packet delay, number of link failures and connection setup latency while we make more efficient use of the available bandwidth than other protocols like AODV and QAODV. In terms of video transmission, the obtained results prove that the combined use of AQA-AODV and the scalable video coding provides an efficient platform for supporting rate-adaptive video streaming.Castellanos Hernández, WE.; Guerri Cebollada, JC.; Arce Vila, P. (2016). A QoS-aware routing protocol with adaptive feedback scheme for video streaming for mobile networks. Computer Communications. 77:10-25. doi:10.1016/j.comcom.2015.08.012S10257

Evaluation of the MDC and FEC over the quality of service and quality of experience for video distribution in ad hoc networks

Mobile ad hoc networks (MANETs) offer an excellent scenario for deploying communication applications because of the connectivity and versatility of this kind of networks. In contrast, the topology is usually extremely dynamic causing high rate of packet loss, so that ensuring a specific Quality of Service (QoS) for real-time video services becomes a hard challenge. In this paper, we evaluate the effect of using Multiple Description Coding (MDC) and Forward Error Correction (FEC) techniques for improving video quality in a multimedia content distribution system. A hybrid architecture using fixed and wireless ad hoc networks is proposed, which enables the use of multipoint-to-point transmission. MDC and FEC mechanisms can be combined with multipath transmission to increase the network efficiency and recover lost packets, improving the overall Quality of Experience (QoE) of the receiver. Simulations have been analyzed paying attention to objective parameters (Peak Signal to Noise Ratio, Packet Delivery Ratio, Decodable Frame Rate and interruptions) and subjective parameters. Results show that MDC increases the probability of packet delivery and FEC is able to recover lost frames and reduce video interruptions in moderate mobility scenarios, resulting in the improvement of video quality and the final user experience.This work was supported by project MIQUEL (TEC2007- 68119-C02-01/TCM) of the Spanish Ministry of Education and Science. The authors would like to thank the Editor and the reviewers for helpful suggestions to improve the quality of this paper.Acelas Delgado, P.; Arce Vila, P.; Guerri Cebollada, JC.; Castellanos Hernández, WE. (2014). Evaluation of the MDC and FEC over the quality of service and quality of experience for video distribution in ad hoc networks. Multimedia Tools and Applications. 68(3):969-989. https://doi.org/10.1007/s11042-012-1111-3969989683Apostolopoulos JG, Wong T, Tan W, Wee SJ (2002) On multiple description streaming with content delivery networks. IEEE INFOCOMBoukerche A (2009) Algorithms and protocols for wireless and mobile ad hoc networks. John Wiley & Sons IncChow CO, Ishii H (2007) Enhancing real-time video streaming over mobile ad hoc networks using multipoint-to-point communication. Comput Commun 30:1754–1764Clausen T, Jacquet P (2003) Optimized link state routing protocol (OLSR), RFC 3626Corrie B et al (2003) Towards quality of experience in advanced collaborative environments. Third Annual Workshop on Advanced Collaborative EnvironmentsGabrielyan E, Hersch R (2006) Reliable multi-path routing schemes for real-time streaming. 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Trasmisión adaptativa de video sobre redes definidas por software

This paper presents the results of a study on the evaluation of adaptive transmission of video streams using the DASH technique on Software Defined Networks. There are also presented in this document, the description of the tools required for the implementation of the evaluation, as well as a description of the methodology used for the development of the experiments. In addition, the results of an adaptive transmission of a video by using DASH are presented. This transmission was carried out over a software defined network emulated on MININET. The results show that DASH technique easily allows to implement video streaming services that can adapt the quality of the transmission according to the resources available in the network.En este artículo se presentan los resultados de un estudio relacionado con la evaluación de la transmisión adaptativa de flujos de video usando el estándar DASH sobre escenarios de redes definidas por software. Dentro de los aspectos que se presentan en este documento está la descripción de las herramientas software necesarias para la implementación de la evaluación, así como la metodología de uso de estas. Además, se presentan los resultados de un experimento de emulación de una topología de red definida por software en la plataforma MININET y la transmisión adaptativa de un video mediante DASH. Los resultados muestran que la técnica DASH permite fácilmente la implementación de servicios de video streaming que son capaces de adaptarse a los recursos disponibles en la red. También se resalta la facilidad de experimentar con las redes definidas por software en la plataforma de emulación utilizada y la configuración de servicios multimedia sobre este tipo de redes

A hybrid gateway discovery algorithm for supporting QoS communications in heterogeneous networks

[EN] In most practical applications, ad hoc mobile devices demand the access to wired hosts located beyond the limits of the mobile ad hoc network, forming a heterogeneous wired-cum-wireless network. This interconnection requires a network device known as gateway. The gateway functions as a bridge between the ad hoc environment and infrastructure-based networks, as Internet. We propose in this paper an algorithm for the discovery and selection of gateways and its integration in a routing protocol for mobile ad hoc networks. Our proposed algorithm is based on an adaptive hybrid strategy where the proactive and reactive methods are combined. Consequently, gateways maintain routing information sending advertisement messages to mobile nodes inside a limited range (proactive area). Those nodes located outside that area must execute a reactive gateway discovery process. The size of the proactive area and the frequency of the control messages are dynamically adapted. The simulation results show that our approach achieves better results in terms of packet loss and delay without increasing the routing overhead.Castellanos Hernández, WE.; Guerri Cebollada, JC.; Chacon Osorio, ME. (2016). A hybrid gateway discovery algorithm for supporting QoS communications in heterogeneous networks. Revista Facultad de Ingenieria Universidad de Antioquia. 78:80-88. doi:10.17533/udea.redin.n78a1180887

Simulation and experimental testbed for adaptive video streaming in ad hoc networks

[EN] This paper presents a performance evaluation of the scalable video streaming over mobile ad hoc networks. In particular, we focus on the rate-adaptive method for streaming scalable video (H.264/SVC). For effective adaptation a new cross-layer routing protocol is introduced. This protocol provides an efficient algorithm for available bandwidth estimation. With this information, the video source adjusts its bit rate during the video transmission according to the network state. We also propose a free simulation framework that supports evaluation studies for scalable video streaming. The simulation experiments performed in this study involve the transmission of SVC streams with Medium Grain Scalability (MGS) as well as temporal scalability over different network scenarios. The results reveal that the rate-adaptive strategy helps avoid or reduce the congestion in MANETs obtaining a better quality in the received videos. Additionally, an actual ad hoc network was implemented using embedded devices (Raspberry Pi) in order to assess the performance of the proposed adaptive transmission mechanism in a real environment. Additional experiments were carried out prior to the implementation with the aim of characterizing the wireless medium and packet loss profile. Finally, the proposed approach shows an important reduction in energy consumption, as the study revealed.This paper was performed with the support of the National Secretary of Higher Education, Science, Technology and Innovation (SENESCYT)–Ecuador Government (scholarship 195-2012) and the Multimedia Communications Group (COMM) belong to the Institute of Telecommunications and Multimedia Applications (iTEAM)-Universitat Politècnica de València.Gonzalez-Martinez, SR.; Castellanos Hernández, WE.; Guzmán Castillo, PF.; Arce Vila, P.; Guerri Cebollada, JC. (2016). Simulation and experimental testbed for adaptive video streaming in ad hoc networks. Ad Hoc Networks. 52:89-105. https://doi.org/10.1016/j.adhoc.2016.07.007S891055

Diseño e implementación de un Gateway IoT multiprotocolo

This paper describes the implementation of an IoT gateway that allows the exchange of data through different wireless technologies and forwarding of such data to the Internet. The proposed gateway has important advantages such as: supporting for multiprotocol interconnectivity; the remote configuration of wireless nodes for sensor and actuators management; a flexible algorithm to translate the data obtained by sensors into a uniform format for transmission to a cloud server; low energy consumption due to efficient data transfer over the MQTT protocol. In order to demonstrate the usefulness of the developed gateway, a proof-of-concept test was implemented. The implemented scenario consists of 2 wireless nodes responsible for sensing environmental variables and transmitting data to the gateway node through different communication protocols. The obtained results show the feasibility for simultaneous data transmission from the remote wireless nodes to the gateway. Metrics on energy consumption in the devices are also presented.En este artículo se describe la implementación de un gateway IoT que permite el intercambio de datos a través de diferentes tecnologías inalámbricas y el reenvío de dichos datos a Internet. El gateway propuesto incorpora importantes ventajas como:  la interconectividad con diferentes protocolos; permite la configuración remota de nodos inalámbricos para la gestión de sensores y actuadores; utiliza un algoritmo flexible para traducir los datos obtenidos por los sensores a un formato uniforme para la transmisión hacia un servidor en la nube; utiliza el protocolo MQTT, el cual permite la difusión de datos de forma simple para minimizar los recursos utilizados del gateway. Con el fin de demostrar el funcionamiento del gateway desarrollado, se implementó una prueba de concepto compuesta por 2 nodos inalámbricos encargados de sensar 6 variables ambientales y transmitiendo dichos datos al gateway a través de diferentes protocolos de comunicación. Los resultados presentados muestran la transmisión de la información de manera simultánea, desde los nodos inalámbricos remotos hacia el gateway. Además, se presentan métricas sobre el consumo de energía en los diferentes dispositivos que componen el escenario desarrollado

Improving the users' balance with video-games

[EN] In recent years, the computer and video-games industry has created new home-based, low-cost technologies for capturing human movements, which make the combination of video-games and biomechanical analysis a feasible reality. The iStoppFalls project takes advantage of this opportunity for assessing the risk of falling and improve the users¿ balance during their interaction with exercise games. One of the challenges is achieving measures of enough quality, from a system that is originally designed for capturing gross movements. This problem is solved by a redefinition of the measurement protocols, plus advanced analysis of the variables captured by the videogame sensors, in order to reduce the distance between required and achieved precision. Validated fall risk assessment criteria have been adapted to exercises that can be made at home, without supervision or additional instrumentation. A skeleton model with 22 degrees of freedom has been tracked by Kinect, with joint angles corrected by a particle filter.[ES] En los últimos años, la industria Mejorar el equilibrio con videojuegos informática y de videojuegos ha creado nuevas tecnologías domésticas y de bajo coste para la captura de movimientos humanos, lo cual abre nuevas posibilidades de combinar videojuegos y análisis biomecánicos. El proyecto iStoppFalls, financiado por el 7º Programa Marco de la Unión Europea, aprovecha esta oportunidad para evaluar el riesgo de caídas durante la interacción de los usuarios al realizar ejercicios en videojuegos y llevar a cabo programas de entrenamiento para mejorar el equilibrio. Uno de los retos consiste en conseguir medidas de suficiente calidad, a partir de un sistema originalmente diseñado para capturar movimientos poco precisos. Este problema se resuelve redefiniendo los protocolos de medida y realizando un análisis avanzado de las variables capturadas por los sensores de los videojuegos. Para ello se han adaptado criterios validados de evaluación del riesgo de caída, convirtiéndolos en ejercicios y juegos que pueden realizarse en el hogar, sin supervisión ni instrumentación. El movimiento realizado durante estos ejercicios se monitoriza a través del sensor Kinect de Microsoft, utilizando un modelo esquelético de 22 grados de libertad, con ángulos articulares corregidos mediante un filtro de partículas.iStoppFalls (FP7-ICT-2011-7- 287361) es un proyecto financiado por el 7º Programa Marco de la Unión Europea.De Rosario Martínez, H.; Avila Carrasco, C.; Fos Ros, F.; Medina Ripoll, E.; Castellanos Hernández, WE.; Bollain Pastor, C.; Poveda Puente, R.... (2013). Mejorar el equilibrio con videojuegos. Revista de biomecánica. 59:31-34. http://hdl.handle.net/10251/38684S31345

Pay-per-use from the car

[EN] Cities evolution, and in particular the struggle against pollution and congestion, has led in recent years to develop new pay per use models. These models are using as tools for the implementation of new models of mobility. The ¿Pay-per-use SIM¿ project proposes a solution that enables real-time interaction between vehicle and infrastructure and, especially, with the user, in order to give space for new services such as smart parking or congestion charges.[ES] La evolución de las ciudades y en particular la lucha contra la contaminación y la saturación del tráfico, ha llevado en los últimos años a diseñar nuevos modelos de pago por uso que están siendo utilizados como herramientas para la puesta en marcha de nuevos modelos de movilidad. El proyecto ¿Pay-per-use SIM¿ propone una solución que permite la interacción en tiempo real de la infraestructura con el vehículo y especialmente con el usuario, para dar cabida a nuevos servicios como el aparcamiento inteligente o los peajes urbanos.El proyecto Pay-Per-Use SIM está cofinanciado, dentro del programa de Unidades Estratégicas de Cooperación, por el Instituto Valenciano de Competitividad empresarial (IVACE) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunidad Valenciana 2007-2013.Soler Valero, A.; Castellanos Hernández, WE.; Vivas Vivas, JA.; Solaz Sanahuja, JS.; Signes Pérez, E.; Moliner Fernandez, C.; Solves Camallonga, C.... (2013). Pagar desde el automóvil. Revista de biomecánica. 60:7-10. http://hdl.handle.net/10251/38686S7106

Quality of Service Routing and Mechanisms for Improving Video Streaming over Mobile Wireless Ad hoc Networks

[EN] This thesis dissertation tackles the problem concerning provision of video streaming services over mobile wireless ad hoc networks. Such networks are characterized by their versatility and flexibility, features that make them particularly suited to be used in many scenarios. However, some limitations inherited of the wireless channel and the mobility of the nodes make difficult to guarantee certain degree of quality of service, which is a required condition to the multimedia applications. Furthermore, with the massive demand of video content, it has become very necessary for mobile ad hoc networks to have an efficient routing and quality of services mechanisms to support this traffic. This is because video streaming services require network to provide sufficient bandwidth and an upper bound in delay, jitter and loss rate. Consequently, traditional best-effort protocols are not adequate. The main contribution of this thesis is the development of a comprehensive routing protocol that has a feedback scheme in order to provide information to the application about the network conditions. This protocol has a cross-layer architecture and it incorporates three important enhancements. Firstly, a new route recovery strategy, which provides a mechanism to detect the link failures in a route and re-establish the connections taking into account the conditions of quality of service that have been established during the previous route discovery phase. Secondly, an algorithm for the estimation of the available bandwidth along the route, information that is sent to application layer in order to apply an adaptation procedure that adjusts the bit rate of the video source. This rate-adaptive strategy is performed exploiting the layered scheme of the scalable video coding. In particular, the adaptive method removes, from the scalable video stream, those layers that could not be efficiently supported by network since their bitrates exceed the available bandwidth. The third main feature of the proposed routing protocol is a gateway discovery algorithm to improve the interconnectivity between mobile ad hoc networks and infrastructure-based networks. This algorithm incorporates available bandwidth as a metric during the gateway selection and a dynamic adaptation of some operational parameters such as the size of the proactive area and the frequency of the advertisement messages. Additionally, in order to solve the lack of a software tool to simulate rate-adaptive transmission of scalable video, a new simulation framework had be implemented. This simulation tool is an open source software freely available and, thus, it represents other contribution of this thesis. The results reveal performance improvements in terms of packet delay, dropped packets and the number of link failures while a more efficient use of the available bandwidth is obtained. In terms of video transmission, the results prove that the combined use of the proposed protocol and the scalable video coding provides an efficient platform for supporting rate-adaptive video streaming over mobile ad hoc networks.[ES] Esta tesis aborda los problemas relacionados con los servicios de video en modo streaming sobre las redes móviles ad hoc. Este tipo de redes se caracterizan por su versatilidad y flexibilidad, lo cual las hace especialmente adecuadas para ser utilizadas en diversos escenarios. Sin embargo, algunas limitaciones inherentes a los enlaces inalámbricos y a la movilidad de los nodos, hace difícil garantizar cierto nivel de calidad de servicio, lo cual es una condición necesaria para el transporte de flujos multimedia. Además, con la masiva demanda de videos desde los dispositivos móviles, hace aún más necesario asegurar un encaminamiento eficiente y un cierto nivel de calidad de servicio en las redes móviles ad hoc. Por lo tanto, los tradicionales protocolos que funcionan bajo el modelo del "mejor esfuerzo" no son adecuados. Esto se debe principalmente a que las aplicaciones multimedia necesitan que la red asegure suficiente ancho de banda y unos valores máximos de retardo, jitter, y tasa de pérdidas. La principal contribución de esta tesis es el desarrollo de un protocolo de encaminamiento que contiene un esquema de realimentación que le permite informar a la aplicación sobre las condiciones de la red. Este protocolo tiene una arquitectura cross-layer e incorpora tres importantes mejoras. Primero, una nueva estrategia de mantenimiento y recuperación de rutas que provee mecanismos para detectar los fallos de conectividad y el posterior re-establecimiento de las conexiones, teniendo en cuenta las condiciones de calidad de servicio que fueron establecidas durante la etapa inicial del descubrimiento de las rutas. Segundo, un algoritmo para la estimación del ancho de banda disponible a lo largo de la ruta, información que es enviada a la capa de aplicación para aplicar un proceso de adaptación que ajusta la tasa de envío de datos de la fuente. Esta estrategia adaptativa de la tasa aprovecha el esquema por capas de la codificación escalable de video. En particular, el método adaptativo elimina del flujo de video escalable, aquellas capas que no pueden ser transmitidas por la red ya que su tasa de bits supera el ancho de banda disponible. La tercera mejora incluida en el protocolo propuesto es un algoritmo de descubrimiento de gateways para mejorar la interconectividad entre las redes móviles ad hoc y las redes basadas en infraestructura. Dicho algoritmo utiliza el ancho de banda disponible para seleccionar el mejor gateway, así mismo, realiza una adaptación dinámica de algunos parámetros operacionales como el alcance y la frecuencia de los mensajes anuncio. Adicionalmente, ha sido desarrollada una herramienta software para simular la transmisión adaptativa de video escalable sobre redes móviles ad hoc. Esta herramienta de simulación es un software de código abierto y constituye otra contribución más de esta tesis. Los resultados muestran mejoras en el funcionamiento de las redes relacionadas con el retardo, la tasa de pérdidas de paquetes y el número de fallos en la conectividad. Simultáneamente, se obtiene un uso más eficiente del ancho de banda. En relación a la calidad del video transmitido, los resultados demuestran que la utilización del protocolo propuesto junto con la codificación de video escalable, provee un eficiente sistema para la transmisión adaptativa de video escalable sobre redes móviles ad hoc.[CA] Aquesta tesi aborda els problemes relacionats amb els serveis de vídeo en mode streaming sobre les xarxes mòbils ad hoc. Aquest tipus de xarxes es caracteritzen per la seva versatilitat i flexibilitat, la qual cosa les fa especialment adequades per a ser utilitzades en diversos escenaris. No obstant això, algunes limitacions inherents als enllaços sense fils i a la mobilitat dels nodes, fa difícil garantir cert nivell de qualitat de servei, cosa que és una condició necessària per al transport de fluxos multimèdia. A més, amb la massiva demanda de vídeos des dels dispositius mòbils, fa encara més necessari assegurar un encaminament eficient i un cert nivell de qualitat de servei en les xarxes mòbils ad hoc. Per tant, els tradicionals protocols que funcionen sota el model del "millor esforç" no són adequats. Això es deu principalment al fet que les aplicacions multimèdia necessiten que la xarxa asseguri suficient ample de banda i uns valors màxims de retard, jitter, i taxa de pèrdues. La principal contribució d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un protocol d'encaminament que conté un esquema de realimentació que li permet informar l'aplicació sobre les condicions de la xarxa. Aquest protocol té una arquitectura cross-layer i incorpora tres importants millores. Primer, una nova estratègia de manteniment i recuperació de rutes que proveeix mecanismes per detectar les fallades de connectivitat i el posterior re-establiment de les connexions, tenint en compte les condicions de qualitat de servei que van ser establertes durant l'etapa inicial del descobriment de les rutes. Segon, un algoritme per a l'estimació de l'ample de banda disponible al llarg de la ruta, informació que és enviada a la capa d'aplicació per aplicar un procés d'adaptació que ajusta la taxa d'enviament de dades de la font. Aquesta estratègia adaptativa de la taxa aprofita l'esquema per capes de la codificació escalable de vídeo. En particular, el mètode adaptatiu elimina del flux de vídeo escalable aquelles capes que no poden ser transmeses per la xarxa ja que la seva taxa de bits supera l'ample de banda disponible. La tercera millora inclosa en el protocol proposat és un algoritme de descobriment de gateways per millorar la interconnectivitat entre les xarxes mòbils ad hoc i les xarxes basades en infraestructura. Aquest algoritme utilitza l'ample de banda disponible per seleccionar el millor gateway, així mateix, realitza una adaptació dinàmica d'alguns paràmetres operacionals com l'abast i la freqüència dels missatges anunci. Addicionalment, ha estat desenvolupada una eina programari per a simular la transmissió adaptativa de vídeo escalable sobre xarxes mòbils ad hoc. Aquesta eina de simulació és un programari de codi obert i constitueix una altra contribució més d'aquesta tesi. Els resultats mostren millores en el funcionament de les xarxes relacionades amb el retard, la taxa de pèrdues de paquets i el nombre de fallades en la connectivitat. Simultàniament, se n'obté un ús més eficient de l'ample de banda. En relació a la qualitat del vídeo transmès, els resultats demostren que la utilització del protocol proposat juntament amb la codificació de vídeo escalable, proveeix un eficient sistema per a la transmissió adaptativa de vídeo escalable sobre xarxes mòbils ad hoc.Castellanos Hernández, WE. (2015). Quality of Service Routing and Mechanisms for Improving Video Streaming over Mobile Wireless Ad hoc Networks [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53238TESI

AQA-AODV: Protocolo de encaminamiento con QoS para redes inalámbricas ad hoc

[ES] Debido a las limitaciones de ancho de banda y a la topología dinámica de las redes móviles ad hoc, uno de los mayores desafíos es el desarrollo de mecanismos de calidad de servicio que permitan que comunicaciones sensibles al retardo (por ejemplo videostreaming), no se vean seriamente afectadas. En esta tesina se propone un protocolo de encaminamiento basado en AODV (AQA-AODV), el cual establece rutas de acuerdo a los requerimientos de la capa de aplicación y el estado de la red. El protocolo propuesto incorpora un esquema de realimentación que permite estimar el máximo ancho de banda que puede soportar una ruta de n saltos e informar al nodo fuente para que éste ajuste apropiadamente su tasa de transmisión. Este es un atributo deseable sobre todo en aplicaciones donde es posible adaptar algunos parámetros en la codificación de fuente para reducir la tasa de envío. Los resultados de las simulaciones muestran mejoras importantes en términos de pérdidas de paquetes y el retardo, mientras que el throughput no se ve afectado en comparación con el throughput alcanzado con otros protocolos como AODV.[EN] Due to bandwidth constraint and highly dynamic topology in ad hoc network systems, one of the major challenges is the deployment of end-to-end quality-of service support mechanisms. Timesensitive communications like video applications may be seriously disrupted if this QoS support mechanisms don¿t exist. In this dissertation we propose a QoS routing protocol based on AODV (AQAAODV), which creates routes according to application QoS requirements. We have introduced link and path available bandwidth estimation mechanisms and an adaptive scheme that can provide feedback to the source node about the current network state, to allow the application to appropriately adjust the transmission rate. The simulation results reveal the performance improvements in terms of packet loss and delay while the end-to-end throughput is not affected compared with throughput achieved by other protocols like AODV.Castellanos Hernández, WE. (2009). AQA-AODV: Protocolo de encaminamiento con QoS para redes inalámbricas ad hoc. http://hdl.handle.net/10251/29900.Archivo delegad