Research on Key Techniques for Multimedia communications in Wireless Multi-Hop Networks - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Research on Key Techniques for Multimedia communications in Wireless Multi-Hop Networks

Recherche sur les techniques clés pour les communications multimédias dans les Ad-Hoc réseaux

Résumé

With the latest developments in multimedia coding technology and fast deployment of end-user wireless connections, real-time media applications become increasing interesting for both private users and businesses. However, most of current wireless networks remain a best-effort service network unable to guarantee the stringent requirements of the media application, in terms of high, constant bandwidth, low packet loss rate and transmission delay. Therefore, efficient scheduling mechanism must be derived in order to bridge the application requirements with the transport medium characteristics. Up to now, multimedia communications over wireless multi-hop networks is still an open problem. In this dissertation, we study some key technical points about this topic and propose some practical and efficient resolution from the following aspects: Within a cross-layer design framework, we first address the problem of joint rate control and routing. Here, we invest the combination of the routing and rate control in a united convex optimization formulation, and propose a distributed joint solution based on cross-layer design. We first develop a distortion model which captures both the impact of encoder quantization and packet loss due to network congestion on the overall video quality. Then, the optimal joint rate control and routing scheme is realized by adapting its rate to the time-varying traffic and minimizing the overall network congestion. Next, we address the problem of joint authentication-coding mechanism. In this part, we propose a framework for jointly authenticating and coding multimedia to be transmitted over wireless networks. We firstly provide a novel graph-based authentication scheme which can not only construct the authentication graph flexibly but also trade-off well among some practical requirements such as overhead, robustness and delay. And then, a rate-distortion optimized joint source-channel coding (JSCC) approach for error-resilient scalable encoded video is presented, in which the video is encoded into multiple independent streams and each stream is assigned forward error correction (FEC) codes to avoid error propagation. Furthermore, we consider integrating authentication with the specific JSCC scheme to achieve a satisfactory authentication results and end-to-end reconstruction quality by optimally applying the appropriate authentication and coding rate. Robust resolution-enhancement scheme problem is addressed next in our thesis. We propose a coordinated application of ER (Error-Resilient) and SR (Super-Resolution) to enhance the resolution of image transmitted over wireless networks. In order to combat error propagation, a flexible multiple description coding method based on shifted 3-D SPIHT (3-D Set Partitioning In Hierarchical Trees) algorithm is presented to generate variable independent descriptions (sub-streams) according to the network condition. And then, a novel unequal error protection strategy based on the priority level is provided to assign a higher level of error protection to more important parts of bit-stream. Moreover, a robust SR algorithm is proposed in the presence of different kinds of packet loss rate to enhance the image resolution. Finally, we describe the problem of rate control for multimedia over heterogeneous networks. In this part, we develop and evaluate a framework for optimal rate allocation over multiple heterogeneous networks based on cross-layer design framework. At first, we develop and evaluate a distortion model according to the observed Available Bit Rate (ABR) and the Round Trip Time (RTT) in each access network, as well as each application's rate-distortion characteristic. Then, the rate allocation is formulated as a convex optimization problem that minimizes the sum of expected distortion of all application streams. In order to get a satisfying and simple resolution for this problem, we propose a piecewise-approximate theorem to simplify the convex optimal problem and prove its validity in theory. Furthermore, the realization of the fast heuristic rate allocation algorithm for achieving an optimal or close-to-optimal end-to-end QoS under the overall limited resource budget is the highlight of this paper. In the end, a brief summary of all discussed topics in this dissertation is given. The main contributions of this dissertation and several further studies or worth studies are pointed out at this part.
Dans cette thèse, nous étudions certains points techniques clé sur ce sujet et proposons une résolution pratique et efficace des aspects suivants: Dans un cadre de design inter-couche, nous avons d'abord réglé le problème du contrôle de débit et du routage. Nous étudions la combinaison de l'acheminement et le contrôle du taux avec une formulation optimisation convexe afin de proposer une solution distribuée commune basée sur la conception des inter-couche. Nous avons d'abord développé un modèle de distorsion qui couvre à la fois l'impact de la quantification du codeur et la perte de paquets en raison de la congestion du réseau sur la qualité vidéo globale. Ensuite, le contrôle du taux d'émission optimal commun et le choix du routage sont réalisés en adaptant la vitesse variable d'émission au cours du temps et en minimisant la congestion du réseau global. Ensuite, nous abordons le problème du mécanisme d'authentification du codage conjoint. Dans cette partie, nous proposons un cadre pour une collaboration entre authentification et codage multimédia transmis sur des réseaux sans fil. Premièrement, nous fournissons un système d'authentification basé sur des méthodes graphiques qui peut non seulement construire une authentification flexible, mais aussi un compromis parmi certaines exigences pratiques telles que la robustesse et le retard. Puis, un taux de distorsion conjoint Source-Canal (JSCC) est optimisé ; une approche résistante aux erreurs vidéo encodée adpatative est présentée, dans laquelle la vidéo est encodée en plusieurs flux indépendants et à chaque flux est attribué une correction (Forward Error Correction-FEC) afin d'éviter la propagation des erreurs. En outre, nous considérons l'authentification avec le régime spécifique JSCC afin de parvenir à un résultat satisfaisant en termes de qualité de reconstruction de bout en bout. Ensuite, nous proposons d'appliquer conjointement la résilience aux erreurs (ER) et la super-résolution (SR) afin d'améliorer glabalement la résolution des flux d'images transmises sur les réseaux sans fil. Afin de lutter contre la propagation d'erreurs, une description multiple, méthode flexible de codage basée sur SPIHT-3-D (partitionnement 3-D dans des arbres hiérarchiques) est présentée pour générer des descriptions variables indépendantes en fonction de l'état du réseau. Puis, une stratégie originale de protection inégale contre les erreurs suivant le niveau de priorité est prévu afin d'attribuer un niveau supérieur de protection contre les erreurs des parties les plus importantes des flux. En outre, un algorithme robuste SR est proposé, en présence de différents types de taux de perte de paquets pour améliorer la résolution de l'image. Enfin, nous décrivons le problème du contrôle du taux pour le multimédia sur des réseaux hétérogènes. Dans cette partie, nous développons et évaluons un cadre d'allocation des taux optimaux sur plusieurs réseaux hétérogènes toujours basés sur le cadre de la conception inter-couches. Au début, nous développons et évaluons un modèle de distorsion en fonction de taux disponibles observés (ABR) et du temps d'aller-retour (RTT) dans chaque réseau d'accès, ainsi que des caractéristiques de chaque application. Ensuite, la répartition du taux est formulée comme un problème d'optimisation convexe qui minimise la somme de la distorsion attendue sur tous les flux applicatifs. Afin d'obtenir une résolution satisfaisante et simple à ce problème, nous proposons un théorème d'approximation par morceaux afin de simplifier le problème convexe et de prouver la validité de la théorie. En outre, la réalisation de l'algorithme rapide heuristique pour parvenir à une répartition optimale de qualité de service ou quasi-optimale de bout en bout dans le cadre du budget global des ressources limitées est le point le plus important de cette partie de thèse. En fin de compte, un bref résumé de tous les sujets abordés dans cette thèse est donné. Les principales contributions de cette thèse sont alors rappelés.
Fichier principal
Vignette du fichier
Zhou2009.pdf (1.43 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates et versions

tel-00506045 , version 1 (27-07-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00506045 , version 1

Citer

Liang Zhou. Research on Key Techniques for Multimedia communications in Wireless Multi-Hop Networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00506045⟩
398 Consultations
199 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More