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UNIVERSITÉ DE BORDEAUX I
ÉCOLE DOCTORALE DE MATHÉMATIQUES ET
D’INFORMATIQUE
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
Discipline: INFORMATIQUE

Présentée et soutenue publiquement par
Alaeddine Abdallah
Le : 09/12/2010
TITRE
Mécanismes Cross-Layer pour le streaming vidéo dans les
réseaux WIMAX
Cross-Layer Mechanisms for video streaming in WIMAX
Networks
JURY
Toufik Ahmed Institut Polytechnique de Bordeaux Co-Directeur de thèse
Francine Krief Institut Polytechnique de Bordeaux Co-Directeur de thèse
Djamal Meddour Senior Expert, France Telecom Responsable Industriel
André-Luc Beylot ENSEEIHT Toulouse Rapporteur
Tijani Chahed Telecom Paris Sud Rapporteur
Sidi-Mohamed Senouci ISAT, Université de Bourgogne Président de jury
ii

iii
Abstract
iv
Abstract
Abstract
Driven by the increasing demand for multimedia services in broadband Internet
networks, WIMAX technology has emerged as a competitive alternative to the wired
broadband access solutions. The IEEE 802.16 is a solution that provides high throughput
by ensuring a satisfactory QoS. In particular, it is suitable for multimedia applications that
have strict QoS constraints. However, the users’ heterogeneity and diversity in terms of
bandwidth, radio conditions and available resources, pose new deployment
challenges. Indeed, multimedia applications need to interact with their environment to
inform the access network about their QoS requirements and dynamically adapt to
changing network conditions.
In this context, we propose two solutions for video streaming over 802.16 networks
based on Cross-Layer approach. We are interested in both unicast and multicast
transmissions in uplink and downlink of one or more WIMAX cells.
First, we proposed an architecture that enables Cross-Layer adaptation and
optimization of video streaming based on available resources. We defined the entity CLO
(Cross-Layer Optimizer) that takes benefits from service flow management messages,
exchanged between BS and SS, at the MAC level, to determine the necessary adaptations /
adjustment to ensure optimal delivery of the application. Adaptations occur at two epochs,
during the admission of the video stream and during the streaming phase. The
performance analysis, performed through simulations, shows the effectiveness of the CLO
to adapt in a dynamic way, the video data rate depending on network conditions, and thus
guarantee an optimal QoS.
Second, we proposed a solution that enables IP multicast video delivery in WIMAX
network. This solution allows finding the compromise between the diversity of end-user
requirements, in terms of radio conditions, modulation schemes and available resources,
along with the SVC hierarchy video format, to offer the best video quality even for users
with low radio conditions. Indeed, we define a multicast architecture that allows each user
to get a video quality proportionally to its radio conditions and its available
bandwidth. Towards this end, several IP multicast groups are created depending on the
SVC video layers. Subsequently, our solution allows optimizing the use of radio resources
by exploiting the different modulations that can be selected by the end-users.

Key words: Cross-Layer adaptation, Quality of Service, IEEE 802.16 Wireless Networks,
video adaptation, SVC hierarchical video coding, multicast, adaptive modulation.
v
Abstract

vi
Résumé
Résumé
Poussé par la demande croissante de services multimédia dans les réseaux Internet à
haut débit, la technologie WIMAX a émergé comme une alternative compétitive à la
solution filaire d’accès à haut débit. L’IEEE 802.16 constitue une solution qui offre des
débits élevés en assurant une qualité de service (QoS) satisfaisante. En particulier, elle est
adaptée aux applications multimédia qui ont des contraintes de QoS à satisfaire. Cependant,
avec la présence d’utilisateurs hétérogènes qui ont des caractéristiques diverses en termes
de bande passante, de conditions radio et de ressources disponibles, de nouveaux défis
posés doivent être résolus. En effet, les applications multimédia doivent interagir avec leur
environnement pour informer le réseau d’accès de leurs besoins en QoS et s’adapter
dynamiquement aux variations des conditions du réseau.
Dans ce contexte, nous proposons deux solutions pour la transmission des flux vidéo
sur les réseaux 802.16 sur la base de l’approche Cross-layer. Nous nous intéressons à la fois
à la transmission unicast et multicast sur le lien montant et descendant d’une ou plusieurs
cellules WIMAX.
Premièrement, nous proposons une architecture Cross-Layer qui permet l’adaptation
et l’optimisation du streaming vidéo en fonction des ressources disponibles. Nous avons
défini une entité CLO (Cross-Layer Optimizer) qui exploite des messages de gestion des
flux de service, échangés entre BS et SS, au niveau MAC, pour déterminer l’adaptation
nécessaire et optimale afin d’assurer le bon fonctionnement de l’application. Les
adaptations se produisent en deux temps, lors de l'admission du flux et au cours de la
session de streaming. L’analyse des performances, par simulations, de notre solution
montre l’efficacité du CLO à adapter, d’une façon dynamique, le débit vidéo en fonction
des conditions du réseau afin d’assurer une QoS optimale.
Deuxièmement, nous proposons une solution de streaming multicast des flux vidéo
dans les réseaux WIMAX. Cette solution permet de trouver un compromis entre la
diversité des clients, en termes de conditions radio, de schémas de modulation et de
ressources disponibles, ainsi que le format de codage vidéo hiérarchique SVC, pour offrir la
meilleure qualité vidéo y compris pour les clients ayant de faibles conditions radio. En effet,
cette solution permet à chaque utilisateur d’obtenir une qualité vidéo proportionnellement à
ses conditions radio et à sa bande passante disponible. Pour atteindre cet objectif, plusieurs
groupes multicast sont formés par couches vidéo SVC. Cette solution permet d’optimiser
davantage les ressources radio et ainsi d’augmenter la capacité globale du système.

Mot clés: Adaptation Cross-Layer, qualité de service, réseaux sans fil 802.16, adaptation
vidéo, codage vidéo hiérarchique SVC, multicast, modulation.
vii
Résumé
viii
Dédicace
Dédicace
À mes chères et tendres parents Mabrouk et Mahbouba,
Votre soutien, votre amour et vos prières sont le secret de ma
réussite, que Dieu vous garde pour moi et vous prête une
longue vie pleine de santé et de prospérité.

À ma sœur Asma et mes frères Seifeddine et Mouhamed,
merci de m’avoir soutenu tout au long de cette aventure, que
Dieu vous préserve.

À ma chère épouse Mouna, merci d’être là quand il fallait,
que Dieu te protège et te guide vers le droit chemin.

À tous mes amis
À tous ceux que j’aime
À tous ceux qui m’aiment…
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Dédicace
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