Régulation de la qualité lors de la transmission de contenus vidéo sur des canaux sans fils

Quality-oriented control of video delivery over wireless channels

• Auteur / Autrice : Nesrine Changuel
• Direction : Michel Kieffer, Bessem Sayadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des signaux et systèmes (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Laboratoire des signaux et systèmes (L2S)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Dufaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Kieffer, Bessem Sayadi, Frédéric Dufaux, Moncef Gabbouj, Markus Rupp, Hugues Mounier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Moncef Gabbouj, Markus Rupp

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télévision mobile personnelle

Radiocommunications mobiles

Compression vidéo

Mots clés libres

Régulation

Codage

Qualité vidéo

Optimisation inter-couches

Contrôle distribué

Programmation dynamique

Commande prédictive

Optimisation sous contraintes

Regulation

Video coding

Video quality

Cross-layer optimization

Distributed control

Dynamic programming

Foresighted control

Constrained optimization problem

Résumé

Le développement simultané de terminaux mobiles multimédia (smartphones, tablettes) et de réseaux d’accès offrant des débits élevés conduit à une explosion du trafic liés aux contenus multimédia. Cette croissance nécessite un partage efficace des ressources radio entre fournisseurs de contenus (dans le cas de la diffusion) ou entre récepteurs (dans le cas de services de vidéo à la demande). Cette thèse propose des outils de partage équitable des ressources en termes de qualité des contenus multimédia reçu et de délai de transmission dans les deux contextes précédents. La variété des compromis débit-distorsion des contenus multimédia est exploitée à cet effet. Dans un premier temps, une solution centralisée de contrôle conjoint du débit de codage et de transmission de plusieurs programmes transmis sur un même canal est considérée. L’objectif est de fournir des flux de qualités similaires avec des variations limitées, tout en assurant des délais de transmission comparables. Ce problème est résolu en synthétisant une commande prédictive à l’aide d’outils d’optimisation sous contrainte. Dans un second temps, seule l’allocation de bande est centralisée, le contrôle des caractéristiques de compression de chaque flux est réalisé de manière distribuée. Le contrôleur centralisé ne renvoie que le niveau de remplissage des tampons associés à chaque flux aux fournisseurs de contenus distants. Une stratégie de régulation des débits de codage est alors mise en place par ces fournisseurs, de manière à réguler le niveau en bits ou en image des tampons. La stabilité de ce système de régulation couplé est étudiée en détails. Enfin, l’optimisation inter-couches d’une chaine de transmission de contenus multimédia scalable est considérée. Ce problème est formulé dans le contexte de la programmation dynamique. Lorsque des modèles de complexité raisonnable sont considérés et avec des caractéristiques du système bien connues, des solutions optimales peuvent être obtenues. Des techniques d’apprentissage sont mises en œuvre, lorsque le système n’est que partiellement connu, par exemple, lorsque l’état du canal de transmission parvient avec du retard à l’organe de commande.

Due to the emergence of new generation mobiles and media streaming services, data traffic on mobile networks is continuously exploding. Despite the emergence of standards such as LTE, resources still remain scarce and limited. Thus, efficiently sharing resources among broadcasters or between unicast receivers connected to the same base station is necessary. An efficient resources allocation, where a fair received video quality between users and an equal transmission delay are achieved, is targeted. To that end, the variety of the rate-distortion trade-off of multimedia content is exploited. First, a centralized joint encoding and transmission rate control of multiple programs sharing the same channel is considered. A satisfactory and a comparable video quality among the transmitted programs, with limited variations, as well as a comparable transmission delay are targeted. The problem is solved using constrained optimization tools. Second, only the bandwidth allocation control is centralized, the control of the encoding rate characteristics of each stream is carried in a distributed manner. By modeling the problem as a feedback control system, the centralized bandwidth allocation is required to feed back only the buffer level to its associated remote content provider. The equilibrium and stability issues are addressed for both bit and second buffer control. In the case of simple unicast connection, a cross-layer optimization of scalable video delivery over wireless channel is performed. The optimization problem is cast in the context of dynamic programming. When low complex model are considered and when the system characteristics are known, optimal solutions can be obtained. When the system is partially known, for example, when the state of the channel reaches the control process with delay, learning techniques are implemented.