Cross-layer optimizations for multimedia distribution over Wireless Multimedia Sensor Networks and Flying Ad-Hoc Networks with quality of experience support

The proliferation of multimedia content and the demand for new audio or video services have fostered the development of a new era based on multimedia information, which allowed the evolution of Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) and also Flying Ad-Hoc Networks (FANETs). In this way, live multimedia services require realtime video transmissions with a low frame loss rate, tolerable end-to-end delay, and jitter to support video dissemination with Quality of Experience (QoE) support. Hence, a key principle in a QoE-aware approach is the transmission of high priority frames (protect them) with a minimum packet loss ratio, as well as network overhead. Moreover, multimedia content must be transmitted from a given source to the destination via intermediate nodes with high reliability in a large scale scenario. The routing service must cope with dynamic topologies caused by node failure or mobility, as well as wireless channel changes, in order to continue to operate despite dynamic topologies during multimedia transmission. Finally, understanding user satisfaction on watching a video sequence is becoming a key requirement for delivery of multimedia content with QoE support. With this goal in mind, solutions involving multimedia transmissions must take into account the video characteristics to improve video quality delivery. The main research contributions of this thesis are driven by the research question how to provide multimedia distribution with high energy-efficiency, reliability, robustness, scalability, and QoE support over wireless ad hoc networks. The thesis addresses several problem domains with contributions on different layers of the communication stack. At the application layer, we introduce a QoE-aware packet redundancy mechanism to reduce the impact of the unreliable and lossy nature of wireless environment to disseminate live multimedia content. At the network layer, we introduce two routing protocols, namely video-aware Multi-hop and multi-path hierarchical routing protocol for Efficient VIdeo transmission for static WMSN scenarios (MEVI), and cross-layer link quality and geographical-aware beaconless OR protocol for multimedia FANET scenarios (XLinGO). Both protocols enable multimedia dissemination with energy-efficiency, reliability and QoE support. This is achieved by combining multiple cross-layer metrics for routing decision in order to establish reliable routes.

Modelagem Cross-Layer da qualidade de experiência para transmissões de vídeo em sistemas sem fio OFDM

Este trabalho apresenta um estudo sobre transmissões de vídeo em sistemas sem fio. O objetivo da metodologia aplicada é comprovar a existência de uma relação direta entre a BER e a perda de qualidade (Perda de PSNR) nas transmissões de vídeo em sistemas OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Os resultados foram obtidos a partir de simulações, desenvolvidas no ambiente computacional Matlab®, e, aferições em cenários reais, realizadas no campus universitário e dentro do laboratório de estudos, em ambiente controlado. A partir da comparação entre dados simulados e aferidos, foi comprovada a relação entre BER e Perda de PSNR, resultando na formulação de um modelo empírico Cross-Layer com característica exponencial. A modelagem obteve erro RMS e desvio padrão próximos de 1,65 dB quando comparada com as simulações. Além disso, sua validação foi realizada a partir dos dados obtidos de cenários reais, que não foram usados para ajustar os parâmetros da equação obtida. O modelo obtido não necessita da especificação do tipo de canal ou codificação utilizada no FEC (Forward Error Correction), possibilitando uma futura integração com softwares de planejamento de redes, em versões comerciais ou open-sources.

New strategies for planning and performance evaluation of wireless networks: case studies based on the cross-layer approach

The use of wireless local area networks, called WLANs, as well as the proliferation of the use of multimedia applications have grown rapidly in recent years. Some factors affect the quality of service (QoS) received by the user and interference is one of them. This work presents strategies for planning and performance evaluation through an empirical study of the QoS parameters of a voice over Internet Protocol (VoIP) application in an interference network, as well as the relevance in the design of wireless networks to determine the coverage area of an access point, taking into account several parameters such as power, jitter, packet loss, delay, and PMOS. Another strategy is based on a hybrid approach that considers measuring and Bayesian inference applied to wireless networks, taking into consideration QoS parameters. The models take into account a cross layer vision of networks, correlating aspects of the physical environment, on the signal propagation (power or distance) with aspects of VoIP applications (e.g., jitter and packet loss). Case studies were carried out for two indoor environments and two outdoor environments, one of them displaying main characteristics of the Amazon region (e.g., densely arboreous environments). This last test bed was carried out in a real system because the Government of the State of Pará has a digital inclusion program called NAVEGAPARÁ.

Estratégia do planejamento e otimização de sistemas sem fio, considerando redes interferentes: abordagem baseada em cross-layer

Apesar do aumento significativo do uso de redes locais sem fio (WLAN) nos últimos anos, aspectos de projeto e planejamento de capacidade da rede são ainda sistematicamente negligenciados durante a implementação da rede. Tipicamente um projeto de rede local sem fio é feito e instalado por profissionais de rede. Esses profissionais são extremamente experientes com redes cabeadas, mas são ainda geralmente pouco experientes com redes sem fio. Deste modo, as instalações de redes locais sem fio são desvantajosas pela falta de um modelo de avaliação de desempenho e para determinar a localização do ponto de acesso (PA), além disso, fatores importantes do ambiente não são considerados no projeto. Esses fatores se tornam mais importante quando muitos pontos de acesso (PAs) são instalados para cobrir um único edifício, algumas vezes sem planejamento de freqüência. Falhas como essa podem causar interferência entre células geradas pelo mesmo PA. Por essa razão, a rede não obterá os padrões de qualidade de serviço (QoS) exigidos por cada serviço. O presente trabalho apresenta uma proposta para planejamento de redes sem fio levando em consideração a influência da interferência com o auxílio de inteligência computacional tais como a utilização de redes Bayesianas. Uma extensiva campanha de medição foi feita para avaliar o desempenho de dois pontos de acesso (PAs) sobre um cenário multiusuário, com e sem interferência. Os dados dessa campanha de medição foram usados como entrada das redes Bayesianas e confirmaram a influência da interferência nos parâmetros de QoS. Uma implementação de algoritmo genético foi utilizado permitindo uma abordagem híbrida para planejamento de redes sem fio. Como efeito de comparação para otimizar os parâmetros de QoS, de modo a encontrar a melhor distância do PA ao receptor garantindo as recomendações do International Telecomunication Union (ITU-T), a técnica de otimização por enxame de partículas foi aplicada.

Um modelo cross layer para predição de parâmetros de desempenho em redes sem fio baseados em OFDM

Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo matemático capaz de ajustar dados obtidos através de campanhas de medição por meio de um protótipo de um cenário da tecnologia WiMAX. As campanhas de medição foram feitas na Universidade Federal do Pará. Foram utilizadas antenas WiMAX, sendo uma como servidor, localizada em cima do prédio do Laboratório de Planejamento de Redes de Alto Desempenho (LPRAD), e a outra, receptora, que ficou em cima de um móvel para que os pontos fossem coletados. O método de ajuste utilizado foi o dos Mínimos Quadrados Lineares. Por meio dos dados coletados, aplica-se o método e estuda seu comportamento, verificando o quanto a otimização foi eficiente nos casos apresentados. A utilização da tecnologia em questão como acesso à Internet em alguns programas como o NAVEGAPARÁ, a busca de melhoramentos ou criação de modelos de propagação e a análise cross-layer das métricas utilizadas no trabalho, como a influência da relação sinal-ruído na perda de quadros, são fatores motivadores para a pesquisa desta dissertação.