Seamless, reliable, video multicast in wireless ad hoc networks

Badarneh, Osamah (2009). Seamless, reliable, video multicast in wireless ad hoc networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

A wireless ad hoc network is a self-organized and dynamically reconfigurable wireless network without central administration and wired infrastructure. Nodes in a wireless ad hoc network can instantly establish a communication structure while each node moves in an arbitrary manner. A wireless ad hoc network is useful for mobile nodes working in a group to accomplish certain tasks. On the other hand, multicast is a very useful and efficient means of supporting group-oriented applications. Multicast is an essential technology for many applications such as video distribution and group video conferencing, data dissemination, disaster relief and battlefield.

Video multicasting over wireless ad hoc networks is bandwidth-efficient compared to multiple unicast sessions. However, video multicasting poses great challenges over wireless ad hoc networks. Video packets are both delay and loss sensitive. In addition, due to nodes mobility, the topology of wireless ad hoc networks is frequently changed. As a result, the established links are continuously broken, causing quality loss and interruption in the received video signal. Other challenges include limited battery life of wireless nodes and lower wireless network capacity compared to wired networks.

Video multicast over wireless ad hoc networks has been an active area in recent years. The main objective of these studies is to improve the quality of the received video by exploiting the error resilience properties of Multiple Description Coding (MDC) along with multiple paths. In other words, MD video is encoded and transmitted over two different paths to each destination node. If only one path is broken, packets corresponding to the other description on the other path can still arrive at the destination node on time.

Layered Coding (LC) and Multiple Description Coding (MDC) have been proposed as video source coding techniques that are robust against inevitable transmission errors. In contrast to MDC, LC encodes a media source into two or more sub-streams, known as layers, one base layer and several enhancement layers. The base layer can be decoded to provide a basic quality of the received video while the enhancement layers are mainly used to refine the quality of the video that is reconstructed from the base layer. If the base layer is corrupted, the enhancement layers become useless, even if they are received correctly. Therefore, the base layer is critically important and is usually highly protected. For MDC, however, these sub-streams are of equal importance in the sense that each sub-stream, also called a description, can be decoded independently to produce a signal of basic quality. When more descriptions are received, the decoder can gradually increase the quality.

One main problem of video multicasting for heterogeneous destinations is the assignment of video descriptions and the construction of multicast tree. However, the assignment of MD video and the construction of multicast tree can greatly affect the user satisfaction (i.e., affect the quality of the received video). In this thesis, we introduce novel approaches to improve the user satisfaction for a set of heterogeneous multicast destinations. The main idea of our approaches is to employ the independent-description property of MDC along with multiple multicast trees. However, many questions are raised: How multiple multicast trees should be constructed? And how MD video should be assigned? Is it better to construct multiple multicast trees first and then assign the video descriptions? Or is it better to assign the video descriptions first and we then construct multiple multicast trees? Should we perform that in a distributed manner or in a centralized one?

To answer these questions, we propose different algorithms to construct multiple multicast trees and to assign MD video. The proposed algorithms are: Serial MDC, Distributed MDC, and Centralized MDC. Serial MDC constructs multiple paths, to each destination, and assigns a different video description to each of them. After that, it constructs multiple multicast trees. Distributed MDC assigns MD video and constructs multiple multicast trees in parallel and in distributed fashion. In Centralized MDC, the assignment of MD video and the construction of multiple multicast trees are performed in a centralized manner. However, Centralized MDC first constructs multiple multicast trees and then assigns different video description to each multicast tree. We evaluate and compare our proposed algorithms Under different network conditions. For example, Network size, and multicast group size. Simulation results demonstrate that, indeed, the way of multicast trees construction and the assignment of MD video can greatly affect the user satisfaction. In addition, simulation results show that MDC can achieve higher user satisfaction compared to LC with a small cost in terms of number of pure forwarders nodes, bandwidth utilization, and aggregate tree delay.

Furthermore, we use our proposed algorithms to develop different multicast protocols for video multicast over wireless ad hoc networks. Specifically, we propose four protocols, namely, Centralized MDMTR (Multiple Disjoint Multicast Trees Routing), Sequential MDMTR, Distributed MDMTR, and Neighbor-aware MDMTR protocols. These protocols take many issues into consideration, rejoining and joining a multicast group, multicast trees maintenance, and mobility of nodes, for example. We evaluate the performance of our proposed protocols and compare them under different network conditions. For example, multicast group size, and mobility of nodes. Simulation results demonstrate that our protocols perform well compared to other protocols in the literature.

Titre traduit

Seamless, reliable, video multicast in wireless ad hoc networks

Résumé traduit

Un réseau sans fil ad hoc est un réseau dynamiquement auto-configurable et déployable sans l’existence d’aucune infrastructure préexistante ou d’entité centralisée. Les noeuds ont la liberté de se déplacer arbitrairement tout en établissant des structures de communication avec le voisinage. D’où l’utilité de tels réseaux dans le cas des communications entre des nœuds participants à un groupe dans le but d’accomplir une certaine tâche. Vu son utilité et son efficacité dans des champs d’applications orientées groupes, le multicast devient une technique essentielle pour tout type d’application tel que la distribution de la vidéo, la vidéoconférence, la diffusion des données, les opérations de secours et les champs de batailles.

Sans multicast, les flux vidéo devraient être dupliqués sur plusieurs sessions unicast, ce qui cause du gaspillage en termes de bande passante. Appliquant le multicast dans le cas des réseaux ad hoc, nous optimisons grandement l’utilisation de cette ressource. Cependant, faire de la vidéo multicast sur des canaux radio ad hoc est un vrai défi; en effet, les paquets vidéo ont des contraintes spécifiques en termes de délai et de perte. D’autre part, vu les changements topologiques fréquents occasionnés par la mobilité des noeuds dans les réseaux ad hoc, les liens font toujours face à des coupures continues et incontrôlées; ce qui dégrade drastiquement la qualité du signal vidéo reçu. D’autres défis incluent la durée de vie des batteries des noeuds mobiles, ainsi que la capacité limitée des réseaux sans fil par comparaison aux réseaux filaires.

La vidéo multicast dans les réseaux sans fil ad hoc a toujours été un axe de recherche très actif dans les années récentes. L’objectif étant d’améliorer la qualité de la vidéo reçue par l’exploitation des propriétés de résilience aux erreurs des techniques de codage à description multiple MDC appliqués sur plusieurs chemins. En d’autres mots, la vidéo MD est encodée et transmise sur deux chemins différents vers chaque noeud destination; dans le cas où un chemin est perdu, les paquets vidéo correspondant à l’autre description MD parviendront à temps chez la destination via le deuxième chemin.

Le codage en couches LC et le codage à description multiple MDC ont été proposes en tant que techniques orientées source dans le but de minimiser les effets inévitables des erreurs de transmission. Au contraire à MDC, LC encode un flux média dans deux ou plusieurs sousflux, nommés couches; dont une couche principale représente le codage de premier niveau qui fournit une qualité vidéo de base essentielle à la compréhension de la vidéo reçue, et les autres couches sont utilisées pour fournir plusieurs niveaux d’améliorations qui permettent de raffiner la qualité globale de la vidéo étant reconstruite par la couche principale. La couche principale étant essentielle au décodage de la vidéo, il devient très important à la protéger; si cette couche est corrompue, les autres couches deviennent inutiles même si elles ont été correctement reçues. Dans MDC, les sous-flux ont la même importance dans le sens où chaque sous flux, nommé Description, peut être décodé indépendamment afin de produire un signal de qualité de base. Plus le décodeur reçoit de descriptions, meilleure est la qualité.

Envoyer du multicast vers des destinations de nature hétérogène pose des problématiques telles que l’assignation des descripteurs vidéo et la construction de l’arbre multicast. Ce qui aura un impact direct sur la satisfaction des usagers (qualité de la vidéo reçue). Dans cette thesis, nous proposons des nouvelles approches pour remédier à ce genre de dilemmes dans un contexte d’un groupe de noeuds destination hétérogènes.

L’idée principale est d’appliquer la propriété d’indépendance de description de MDC à un ensemble d’arbres multicast. Cependant, plusieurs questions peuvent avoir lieu : Combien d’arbres multicast faut-il construire? Combien de vidéo MD devrait-on assigner? Serait-il souhaitable de construire préalablement les arbres multicast et d’assigner par la suite les descriptions vidéo ou bien vaut-il mieux commencer par l’assignation des descriptions MD suivie de la construction des arbres? Et finalement, faut-il appliquer ces mécanismes d’une façon centralisée ou distribuée?

Pour répondre à ces questions, nous proposons de différents algorithmes pour construire plusieurs arbres multicast, et assigner les descriptions MD. Ces algorithmes sont : MDC en série, MDC distribué et MDC centralisé. En effet, MDC en série construit plusieurs chemins vers chaque destination, et assigne une description vidéo différente à chacun d’eux; ensuite, il construit plusieurs arbres multicast. Le nom de MDC en série réfère au fait que ce dernier construise plusieurs chemins et assigne un MD vidéo à chaque destination d’une façon indépendante et centralisée. Le MDC distribué assigne le MD vidéo et construit les arbres multicast en parallèle et d’une façon distribuée. Dans MDC centralisé, l’assignation des MD vidéo ainsi que la construction des arbres sont réalisées d’une façon centralisée; dans ce cas, MDC centralisé construit en premier plusieurs arbres multicast, et assigne par la suite une description vidéo différente à chaque arbre. Nous évaluons et comparons les algorithmes proposés dans des conditions réseau différentes; par exemple, la taille du réseau et la taille des groupes multicast. Les résultats des simulations viennent pour valider les principes proposés et montrer une meilleure satisfaction de la part des usagers. En plus, ces résultats démontrent que MDC permet de réaliser une meilleure satisfaction usagère par comparaison à LC; pourtant ceci présente un cout supplémentaire minime en termes de nombre de nœuds retransmetteurs, d’utilisation de bande passante, et d’agrégation des délais sur les arbres.

En outre, nous utilisons les algorithmes proposés afin de concevoir des protocoles multicast pour transmettre la vidéo multicast dans un réseau sans fil ad hoc. Plus spécifiquement, nous proposons quatre protocoles, nommés MDMTR centralisé, MDMTR séquentiel, MDMTR distribué, et MDMTR détecteur de voisinage. Ces protocoles prennent en considération plusieurs métriques, comme la mobilité des noeuds, la maintenance des arbres multicast, et la gestion des adhésions à des groupes multicast. Nous évaluons les performances de ces protocoles et les comparons ensemble dans de différentes conditions du réseau ad hoc; par exemple, la taille des groupes multicast et la mobilité des noeuds. Les résultats des simulations ont validé que ces protocoles démontraient de meilleures performances par comparaison avec d’autres protocoles existants dans la littérature.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr. : f. 174-179.
Mots-clés libres:	Multidiffusion (Réseaux d'ordinateurs) Réseaux locaux sans fil. Streaming (Télécommunications) codage, description, diffusion, groupée, lecture, multiple, transit, vidéo
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kadoch, Michel
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 août 2010 18:02
Dernière modification:	03 janv. 2017 19:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/24

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