Mécanismes Cross-Layer pour le streaming vidéo dans les réseaux WIMAX

Cross-Layer Mechanisms for video streaming in WIMAX Networks

• Auteur / Autrice : Alaeddine Abdallah
• Direction : Toufik Ahmed, Francine Krief
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/12/2010
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Sidi-Mohamed Senouci
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Djama Meddour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André-Luc Beylot, Tijani Chahed

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception cross-layer

IEEE 802.16 (norme)

Qualité de Service (télécommunications)

Streaming (télécommunications)

Mots clés libres

Adaptation Cross-Layer

Qualité de service

Réseaux sans fils IEEE 802.16

Adaptation vidéo

Codage vidéo hiérarchique SVC

Modulation adaptative

Cross-Layer Adaptation

Quality of service

IEEE 802.16 wireless networks

Video adaptation

SVC hierarchical video coding

Adaptive modulation

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.

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.