Predição de qualidade de experiência em redes wimax em aplicações de video baseada em aspectos de qualidade de serviço

A crescente utilização dos serviços de telecomunicações principalmente sem fio tem exigido a adoção de novos padrões de redes que ofereçam altas taxas de transmissão e que alcance um número maior de usuários. Neste sentido o padrão IEEE 802.16, no qual é baseado o WiMAX, surge como uma tecnologia em potencial para o fornecimento de banda larga na próxima geração de redes sem fio, principalmente porque oferece Qualidade de Serviço (QoS) nativamente para fluxos de voz, dados e vídeo. A respeito das aplicações baseadas vídeo, tem ocorrido um grande crescimento nos últimos anos. Em 2011 a previsão é que esse tipo de conteúdo ultrapasse 50% de todo tráfego proveniente de dispositivos móveis. Aplicações do tipo vídeo têm um forte apelo ao usuário final que é quem de fato deve ser o avaliador do nível de qualidade recebida. Diante disso, são necessárias novas formas de avaliação de desempenho que levem em consideração a percepção do usuário, complementando assim as técnicas tradicionais que se baseiam apenas em aspectos de rede (QoS). Nesse sentido, surgiu a avaliação de desempenho baseada Qualidade de Experiência (QoE) onde a avaliação do usuário final em detrimento a aplicação é o principal parâmetro mensurado. Os resultados das investigações em QoE podem ser usados como uma extensão em detrimento aos tradicionais métodos de QoS, e ao mesmo tempo fornecer informações a respeito da entrega de serviços multimídias do ponto de vista do usuário. Exemplos de mecanismos de controle que poderão ser incluídos em redes com suporte a QoE são novas abordagens de roteamento, processo de seleção de estação base e tráfego condicionado. Ambas as metodologias de avaliação são complementares, e se usadas de forma combinada podem gerar uma avaliação mais robusta. Porém, a grande quantidade de informações dificulta essa combinação. Nesse contexto, esta dissertação tem como objetivo principal criar uma metodologia de predição de qualidade de vídeo em redes WiMAX com uso combinado de simulações e técnicas de Inteligência Computacional (IC). A partir de parâmetros de QoS e QoE obtidos através das simulações será realizado a predição do comportamento futuro do vídeo com uso de Redes Neurais Artificiais (RNA). Se por um lado o uso de simulações permite uma gama de opções como extrapolação de cenários de modo a imitar as mesmas situações do mundo real, as técnicas de IC permitem agilizar a análise dos resultados de modo que sejam feitos previsões de um comportamento futuro, correlações e outros. No caso deste trabalho, optou-se pelo uso de RNAs uma vez que é a técnica mais utilizada para previsão do comportamento, como está sendo proposto nesta dissertação.

Controle de qualidade para 3D-vídeo streaming em redes em malha sem fio

Redes em Malha sem Fio ( do inglês Wireless Mesh Networks - WMNs) são previstas serem uma das mais importantes tecnologias sem fio no que se refere ao fornecimento do acesso de última milha em redes multimídia futuras. Elas vão permitir que milhares de usuários fixos e móveis acessem, produzam e compartilhem conteúdo multimídia de forma onipresente. Neste contexto, vídeo 3D está previsto atrair mais e mais o mercado multimídia com a perspectiva de reforçar as aplicações (vídeos de vigilância, controle demissões críticas, entretenimento, etc). No entanto, o desafio de lidar com a largura de banda optante, escassez de recursos e taxas de erros variantes com o tempo destas redes, ilustra a necessidade da transmissão de vídeos 3D mais resistentes a erros. Dessa forma, alternativas como abordagens de Correção Antecipada de Erros (FEC) se tornam necessárias para fornecer a distribuição de aplicações de vídeo para usuários sem fio com garantia de melhor qualidade de serviço (QoS) e Qualidade de Experiência (QoE). Esta dissertação apresenta um mecanismo baseado em FEC com Proteção Desigual de Erros (UEP) para melhorar a transmissão de vídeo 3D em WMNs, aumentando a satisfação do usuário e permitindo uma melhoria do uso dos recursos sem fio. Os benefícios e impactos do mecanismo proposto serão demonstrados usando simulação e a avaliação será realizada através de métricas de QoE objetivas e subjetivas.

Predição de qualidade de experiência para internet do futuro em arquiteturas heterogêneas de redes sem fio móveis

As Redes da Próxima Geração consistem no desenvolvimento de arquiteturas que viabilizem a continuidade de serviços que proporcionem sempre a melhor conectividade (Always Best Connectivity - ABC) aos usuários móveis com suporte adequado à Qualidade de Experiência (QoE) para aplicações multimídia de alta definição, nesse novo contexto as arquiteturas têm perspectiva orientada a serviços e não a protocolos. Esta tese apresenta uma arquitetura para redes da próxima geração capaz de fornecer acesso heterogêneo sem fio e handover vertical transparente para as aplicações multimídia. A tese considera diferentes tecnologias sem fio e também adota o padrão IEEE 802.21 (Media Independent Handover – MIH) para auxiliar na integração e gerenciamento das redes heterogêneas sem fio. As tecnologias que a arquitetura possui são: IEEE 802.11 (popularmente denominada de WiFi), IEEE 802.16 (popularmente denominada de WiMAX) e LTE (popularmente denominada de redes 4G). O objetivo é que arquitetura tenha a capacidade de escolher entre as alternativas disponíveis a melhor conexão para o momento. A arquitetura proposta apresenta mecanismos de predição de Qualidade de Experiência (Quality of Experience - QoE) que será o parâmetro decisivo para a realização ou não do handover para uma nova rede. A predição para determinar se haverá ou não mudança de conectividade será feita com o uso da inteligência computacional de Redes Neurais Artificiais. Além disso a arquitetura também apresenta um mecanismo de descarte seletivo de pacotes especifico para aplicações multimídia. A proposta é avaliada via simulação utilizando-se o ns-2 (Network Simulator) e os resultados de desempenho são apresentados através das métricas de QoS, de QoE e também visualmente através da exibição de frames dos vídeos transmitidos na arquitetura.

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.

Um mecanismo para realçar a conectividade de roteamento geográfico na transmissão multimídia em VANTs

As redes de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) têm potencializado o uso de aplicações multimídia devido ao seu elevado grau de mobilidade e versatilidade. Esse crescimento ocorre pela facilidade de acesso e utilização dos VANTs quadricópteros em diversas aplicações civis. As aplicações civis têm como característica principal o uso de dados multimídia, como vídeos, por oferecerem uma perspectiva visual mais detalhada do ambiente. A transmissão desse tipo de dado nas redes VANTs por meio de protocolos geográ cos melhora a taxa de entrega de dados. Entretanto, ela ainda não é su ciente para prover qualidade de experiência (QoE). Isso ocorre devido ao elevado grau de mobilidade dos quadricópteros que ocasiona quebras de enlace durante a transmissão multimídia. Por consequência, ela prejudica a conectividade e induz a altas perdas de pacotes e atrasos. Então, este trabalho propõe um mecanismo, chamado RCRV, com base em técnicas de predição de mobilidade em termos de posicionamento e da estimativa do tempo de enlace para realçar a tomada de decisão de roteamento em protocolos geográ cos. Além disso, ele utiliza critérios que consideram os comportamentos de mobilidade dos VANTs. Assim, o RCRV possibilita o prolongamento da conectividade nas redes VANTs. O RCRV é um mecanismo que complementa as estratégias de roteamento dos protocolos geográ cos. Desse modo, adicionou-se o RCRV ao protocolo GPSR a m de avaliar os ganhos e benefícios do mecanismo em um protocolo de roteamento geográ co. Simulações foram realizadas com diferentes velocidades e números de VANTs. Os resultados mostraram que o RCRV aumenta a conectividade da transmissão, melhorando a entrega do conteúdo multimídia e a qualidade do vídeo observado pelo usuário.

Green markov - uma abordagem híbrida de política markoviana e simulação discreta para planejamento de alocação de usuários em redes macro-femto

O uso da comunicação de voz e dados através de dispositivos móveis vem aumentando significativamente nos últimos anos. Tal expansão traz algumas dificuldades inerentes, tais como: ampliação constante de capacidade das redes e eficiência energética. Neste contexto, vem se consolidando o conceito de Green networks, que se concentra no esforço para economia de energia e redução de CO2. Neste sentido, este trabalho propõe validar um modelo de uma política baseado em processo markoviano de decisão, visando a otimizar o consumo de energia, QoS e QoE, na alocação de usuários em redes macrocell e femtocell. Para isso o modelo foi inserido no simulador NS-2, aliando a solução analítica markoviana à flexibilidade característica da simulação discreta. A partir dos resultados apresentados na simulação, a política obteve uma economia significativa no consumo energético, melhorando a eficiência energética em até 4%, além de melhorar a qualidade de serviço em relação às redes macrocell e femtocell, demonstrando-se eficaz, de modo a alterar diretamente as métricas de QoS e de QoE.

Quality Metric to Assess Video Streaming Service over TCP considering Temporal Location of Pauses

There is a wide range of video services over complex transmission networks, and in some cases end users fail to receive an acceptable quality level. In this paper, the different factors that degrade users' quality of experience (QoE) in video streaming service that use TCP as transmission protocol are studied. In this specific service, impairment factors are: number of pauses, their duration and temporal location. In order to measure the effect that each temporal segment has in the overall video quality, subjective tests. Because current subjective test methodologies are not adequate to assess video streaming over TCP, some recommendations are provided here. At the application layer, a customized player is used to evaluate the behavior of player buffer, and consequently, the end user QoE. Video subjective test results demonstrate that there is a close correlation between application parameters and subjective scores. Based on this fact, a new metrics named VsQM is defined, which considers the importance of temporal location of pauses to assess the user QoE of video streaming service. A useful application scenario is also presented, in which the metrics proposed herein is used to improve video services(1).

Video Quality Assessments on Digital TV and Video Streaming Services Using Objective Metrics

There is a wide range of telecommunications services that transmit voice, video and data through complex transmission networks and in some cases, the service has not an acceptable quality level for the end user. In this sense the study of methods for assessing video quality and voice have a very important role. This paper presents a classification scheme, based on different criteria, of the methods and metrics that are being studied in recent years. This paper presents how the video quality is affected by degradation in the transmission channel in two kinds of services: Digital TV (ISDB-TB) due the fading in the air interface and video streaming service on an IP network due packet loss. For Digital TV tests was set up a scenario where the digital TV transmitter is connected to an RF channel emulator, where are inserted different fading models and at the end, the videos are saved in a mobile device. The tests of streaming video were performed in an isolated scenario of IP network, which are scheduled several network conditions, resulting in different qualities of video reception. The video quality assessment is performed using objective assessment methods: PSNR, SSIM and VQM. The results show how the losses in the transmission channel affects the quality of end-user experience on both services studied.

Towards Energy Consumption Measurement in a Cloud Computing Wireless Testbed

The evolution of the Next Generation Networks, especially the wireless broadband access technologies such as Long Term Evolution (LTE) and Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), have increased the number of "all-IP" networks across the world. The enhanced capabilities of these access networks has spearheaded the cloud computing paradigm, where the end-users aim at having the services accessible anytime and anywhere. The services availability is also related with the end-user device, where one of the major constraints is the battery lifetime. Therefore, it is necessary to assess and minimize the energy consumed by the end-user devices, given its significance for the user perceived quality of the cloud computing services. In this paper, an empirical methodology to measure network interfaces energy consumption is proposed. By employing this methodology, an experimental evaluation of energy consumption in three different cloud computing access scenarios (including WiMAX) were performed. The empirical results obtained show the impact of accurate network interface states management and application network level design in the energy consumption. Additionally, the achieved outcomes can be used in further software-based models to optimized energy consumption, and increase the Quality of Experience (QoE) perceived by the end-users.

Assessment of a robust opportunistic routing for video transmission in dynamic topologies

Mobile multimedia ad hoc services run on dynamic topologies due to node mobility or failures and wireless channel impairments. A robust routing service must adapt to topology changes with the aim of recovering or maintaining the video quality level and reducing the impact of the user's experience. In those scenarios, beacon-less Opportunistic Routing (OR) increases the robustness by supporting routing decisions in a completely distributed manner based on protocol-specific characteristics. However, the existing beacon-less OR approaches do not efficiently combine multiple metrics for forwarding selection, which cause higher packet loss rate, and consequently reduce the video quality level. In this paper, we assess the robustness and reliability of our recently developed OR protocol under node failures, called cross-layer Link quality and Geographical-aware OR protocol (LinGO). Simulation results show that LinGO achieves multimedia dissemination with QoE support and robustness in scenarios with dynamic topologies.

Topology and Link quality-aware Geographical opportunistic routing in wireless ad-hoc networks

Opportunistic routing (OR) takes advantage of the broadcast nature and spatial diversity of wireless transmission to improve the performance of wireless ad-hoc networks. Instead of using a predetermined path to send packets, OR postpones the choice of the next-hop to the receiver side, and lets the multiple receivers of a packet to coordinate and decide which one will be the forwarder. Existing OR protocols choose the next-hop forwarder based on a predefined candidate list, which is calculated using single network metrics. In this paper, we propose TLG - Topology and Link quality-aware Geographical opportunistic routing protocol. TLG uses multiple network metrics such as network topology, link quality, and geographic location to implement the coordination mechanism of OR. We compare TLG with well-known existing solutions and simulation results show that TLG outperforms others in terms of both QoS and QoE metrics.

An OMNeT++ Framework to Evaluate Video Transmission in Mobile Wireless Multimedia Sensor Networks

The development and evaluation of new algorithms and protocols for Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSNs) are usually supported by means of a discrete event network simulator, where OMNeT++ is one of the most important ones. However, experiments involving multimedia transmission, video flows with different characteristics, genres, group of pictures lengths, and coding techniques must be evaluated based also on Quality of Experience (QoE) metrics to reflect the user's perception. Such experiments require the evaluation of video-related information, i.e., frame type, received/lost, delay, jitter, decoding errors, as well as inter and intra-frame dependency of received/distorted videos. However, existing OMNeT++ frameworks for WMSNs do not support video transmissions with QoE-awareness, neither a large set of mobility traces to enable evaluations under different multimedia/mobile situations. In this paper, we propose a Mobile MultiMedia Wireless Sensor Network OMNeT++ framework (M3WSN) to support transmission, control and evaluation of real video sequences in mobile WMSNs.

A Link Quality and Geographical-aware Routing Protocol for Video Transmission in Mobile IoT

Wireless mobile sensor networks are enlarging the Internet of Things (IoT) portfolio with a huge number of multimedia services for smart cities. Safety and environmental monitoring multimedia applications will be part of the Smart IoT systems, which aim to reduce emergency response time, while also predicting hazardous events. In these mobile and dynamic (possible disaster) scenarios, opportunistic routing allows routing decisions in a completely distributed manner, by using a hop- by-hop route decision based on protocol-specific characteristics, and a predefined end-to-end path is not a reliable solution. This enables the transmission of video flows of a monitored area/object with Quality of Experience (QoE) support to users, headquarters or IoT platforms. However, existing approaches rely on a single metric to make the candidate selection rule, including link quality or geographic information, which causes a high packet loss rate, and reduces the video perception from the human standpoint. This article proposes a cross-layer Link quality and Geographical-aware Opportunistic routing protocol (LinGO), which is designed for video dissemination in mobile multimedia IoT environments. LinGO improves routing decisions using multiple metrics, including link quality, geographic loca- tion, and energy. The simulation results show the benefits of LinGO compared with well-known routing solutions for video transmission with QoE support in mobile scenarios.

Opportunistic Routing for Multi-flow Video Dissemination over Flying Ad-Hoc Networks

A reliable and robust routing service for Flying Ad-Hoc Networks (FANETs) must be able to adapt to topology changes. User experience on watching live video sequences must also be satisfactory even in scenarios with buffer overflow and high packet loss ratio. In this paper, we introduce a Cross-layer Link quality and Geographical-aware beaconless opportunistic routing protocol (XLinGO). It enhances the transmission of simultaneous multiple video flows over FANETs by creating and keeping reliable persistent multi-hop routes. XLinGO considers a set of cross-layer and human-related information for routing decisions, as performance metrics and Quality of Experience (QoE). Performance evaluation shows that XLinGO achieves multimedia dissemination with QoE support and robustness in a multi-hop, multi-flow, and mobile network environments.

An IEEE 802.11 energy efficient mechanism for continuous media applications

The widespread deployment of wireless mobile communications enables an almost permanent usage of portable devices, which imposes high demands on the battery of these devices. Indeed, battery lifetime is becoming one the most critical factors on the end-users satisfaction when using wireless communications. In this work, the optimized power save algorithm for continuous media applications (OPAMA) is proposed, aiming at enhancing the energy efficiency on end-users devices. By combining the application specific requirements with data aggregation techniques, {OPAMA} improves the standard {IEEE} 802.11 legacy Power Save Mode (PSM) performance. The algorithm uses the feedback on the end-user expected quality to establish a proper tradeoff between energy consumption and application performance. {OPAMA} was assessed in the OMNeT++ simulator, using real traces of variable bitrate video streaming applications, and in a real testbed employing a novel methodology intended to perform an accurate evaluation concerning video Quality of Experience (QoE) perceived by the end-users. The results revealed the {OPAMA} capability to enhance energy efficiency without degrading the end-user observed QoE, achieving savings up to 44 when compared with the {IEEE} 802.11 legacy PSM.