Proxy caching for robust video delivery over lossy networks [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Imed Bouazizi

Imedbouazizi

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 12
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Proxy Caching for Robust Video Delivery over
Lossy Networks
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom Informatiker
Imed Bouazizi
aus Chebba/Tunesien
Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Otto Spaniol
Prof. Dr.-Ing. Jens-Rainer Ohm
Tag der mündlichen Prüfung: 7. September 2004
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.Abstract
Video delivery is anticipated to become among the most popular services in networking. The
rapid advances in communication technologies, combined with the increasing efficiency of
video compression techniques have paved the way for innovative and exciting video commu-
nication applications. However, the acceptance of video communication services can suffer
severely from variations and deterioration of the video quality. In the absence of Quality-of-
Service aware networks, the communicating applications cannot control the service parame-
ters offered to them by the underlying protocol layers. By consequence, the applications may
experience varying packet delivery delays and often also packet loss. This results in severe
degradation in the video quality as perceived by the user.
In this dissertation, we develop a framework for prioritized video delivery. We introduce mod-
els for the estimation of distortion resulting from loss of video packets. Based on these models,
we propose a video packet prioritization mechanism, which reflects accurately the importance
of the video data carried in one packet for the video quality at the end user. Using this prioritiza-
tion scheme, we design error control and avoidance techniques, which achieve near-to-optimal
video quality.
Given the trend towards wireless and mobile access to video services, we advocate the deploy-
ment of proxy caches in proximity to end users. Proxy caches should adapt the video stream
to the needs of each video receiver, hence, ameliorating the perceived video quality, while still
meeting tight delay constraints and low device capabilities. We introduce the idea of proxy
caching for adaptive retransmission and show how appropriate retransmission schemes, based
on size-distortion optimization, leads to significant quality improvements, even under strong
delay and buffer constraints. We then construct a forward error correction code, which protects
the different video packets at different levels based on their distortion-based priority. We show
that our code achieves near-optimal quality at low code rates and end-to-end delays. Finally,
we develop a rate estimation and shaping algorithm, which drops low priority video packets to
meet rate constraints.Zusammenfassung
Ein zunehmendes Interesse an Videoübertragungsdiensten über das Internet und Mobilfunknet-
zen hat die letzten Jahre gekennzeichnet. Die technologischen Entwicklungen im Bereich der
Mobilfunkkommunikation und der Videokodierung haben es weiterhin ermöglicht, Videoüber-
tragung auch für mobile Benutzer zugänglich zu machen. Die fehlende Dienstgüte-Unterstützung
in heutigen Netzen führt dazu, dass Videoübertragungsdienste, aufgrund ihrer vergleichsweise
grossen Datenraten und strengen Verzögerungsanforderungen oft unter Paketverlusten und ver-
späteten Paketankünften zu leiden haben.
Obwohl Paketverluste in Videoübertragungssitzungen nicht kritisch sind, kann die Akzep-
tanz von Videoübertragungsdiensten, die mit der empfangenen Videoqualität zusammenhängt,
davon beeinträchtigt werden. Der Einfluss eines Paketverlustes auf die Videoqualität hängt
stark von den im Videopaket enthaltenen Daten ab. In dieser Arbeit wurde ein Framework
zur Bewertung der einzelnen Videopakete hinsichtlich ihres Einflusses auf die Videoqualität
entwickelt. Für jedes Paket wird bestimmt, welche Qualitätsverluste daraus folgen würden,
falls das Paket während der Übertragung verloren geht. Diese Information kann dann effektiv
eingesetzt werden, um eine bevorzugte Behandlung der wichtigen Pakete bei der Übertragung
zu implementieren.
Wir schlagen auch den Einsatz von Netzknoten zur Bekämpfung von Paketverlusten vor. Diese
aktiven Netzknoten bezeichnen wir mit Proxy-Caches, da sie in der Lage sind Pakete zu bear-
beiten und zwischenzuspeichern, und die Server-Rolle für den Empfänger zu spielen. Dies
hat zum Vorteil, dass die Anforderungen der Empfänger schneller bearbeitet werden, da der
Proxy-Cache in der Regel geographisch nah beim Empfänger liegt. Weiterhin reduziert sich
bei Multicast-Sitzungen die Last auf den Sender, da die meisten Empfänger-Anforderungen
von Proxy-Caches bearbeitet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Proxy-Cache
den Kanalzustand des Empfängers besser abschätzen und schneller darauf reagieren kann, in-
dem er die eingesetzten Techniken zur Bekämpfung von Paketverlusten dementsprechend an-
passt.In dieser Arbeit werden drei Techniken zur robusten Videoübertragung, die in Proxy-Caches
implementiert werden können, vorgestellt. Die erste Technik ist die selektive Wiederholung
von wichtigen Videopaketen, die durch die übertragung verloren gingen. Durch den Einsatz
in Proxy-Caches in der Nähe von (mobilen) Empfängern wird sichergestellt, dass die wieder-
holten Pakete rechtzeitig beim Empfänger ankommen. In der Regel ist der verfügbare Spe-
icherraum für die Pakete jeder Videositzung im Proxy Cache begrenzt. Um den verfügbaren
Speicherraum optimal auszunutzen, werden zwei Algorithmen zur Aktualisierung des Cache-
Inhalts vorgestellt. Diese Techniken nutzen die Information über den Qualitätswert jedes
Pakets für die optimale Besetzung des Speicherraums für zukünftige Sendewiederholungen
aus. Die Bewertung der unterschiedlichen Aktualisierungsalgorithmen zeigt einen signifikan-
ten Gewinn an Videoqualität für den qualitätsoptimierten Aktualisierungsalgorithmus. Weiter-
hin sind die Vorteile einer Proxy-Cache-basierten Sendewiederholungstechnik gegenüber der
senderbasierten Sendewiederholungstechnik deutlich sichtbar.
Eine weitere Technik zur Fehlerkorrektur ist die qualitätsoptimierte Bildung von FEC-Codes,
die die Videopakete entsprechend ihrer Wichtigkeit unterschiedlich vor Paketverlusten schützen.
Im Rahmen der Arbeit, wurden zwei Optimierungsalgorithmen entwickelt, die die erwartete
Videoqualität unter Berücksichtigung einer Ratenbeschränkung und der aktuell gemessenen
Paketverlustrate optimieren. Beim ersten FEC-Code handelt es sich um einen Wiederhol-
ungscode, bei dem wichtige Videopakete mehrmals geschickt werden können, um die Ver-
lustwahrscheinlichkeit dieser Pakete zu reduzieren. Der zweite FEC-Code ist ein binärer Code,
wo jedes FEC-Redundanzpaket für eine Menge an Videopaketen durch die XOR-Operation
gebildet wird. Der Optimierungsalgorithmus bestimmt die dazugehörige optimale binäre Generator-
Matrix. Messergebnisse zeigen deutlich den Vorteil der vorgestellten qualitätsoptimierten FEC-
Codes gegenüber dem klassischen Reed-Solomon-Code hinsichtlich der Laufzeit. Dank der
Qualitätsoptimierung konnte der vorgestellte binäre Code in einigen Fällen eine höhere Video-
qualität erzielen.
Eine weitere wichtige Technik zur Realisierung von robusten Videoübertragungsdiensten ist die
Ratenanpassung. Aufgrund der variablen Datenrate müssen Videoübertragungsdienste ständig
ihre Senderate anpassen. Dies ist allerdings bei Multicast- oder Broadcast-Sitzungen schwer
zu realisieren. Es wird ein Algorithmus zur Ratenanpassung von kodierten Videoströmen
vorgeschlagen, der auch in Proxy-Caches eingesetzt werden kann. Dadurch wird erreicht,
dass die Ratenanpassung auf jeden Empfänger zugeschnitten wird, um verbesserte Videoqual-
ität zu erreichen. In der ersten Phase wird die verfügbare Bandbreite abgeschätzt, um die
Senderate zu bestimmen. Dabei wird auf ein TCP-freundliches aber auch stabiles Verhalten
des Senders geachtet. Dies soll eine faire Teilung der verfügbaren Bandbreite zwischen TCP-und Videoübertragungs-Verbindungen, die einen gleichen Netzpfad überqueren müssen. Nach-
dem die Senderate bestimmt ist, entscheidet ein zweiter Algorithmus welche Videopakete zu
senden sind, um zum einen die Senderate einzuhalten und zum anderen die Videoqualität zu
maximieren. Dazu werden die ankommenden Videopakete am Proxy-Cache zuerst in einem
"Leacky Bucket" zwischengespeichert. Simulationsergebnisse zeigen die Vorteile der Qualität-
soptimierung gegenüber anderen Algorithmen hinsichtlich der Videoqualität.Acknowledgments
I would like to express my genuine gratitude to my advisor, Prof. Otto Spaniol, for his guidance
and for giving me the opportunity to follow up my research within his department. I would like
also to thank him for the great degree of freedom he gave me in choosing my research area.
The great work atmosphere he assures in his department has encouraged me to spend most of
my time there.
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