On optimization of wireless multimedia broadcasting

Abstract

Bu tez raporu, hem hücresel hem de tasarsız ağlardaki kablosuz yayın sistemleri için katmanlar arası taslakların geliştirilmesiyle ilgilidir. Katmanlar arası tasarımın, noktadan noktaya kablosuz iletişim sistemlerinde önemli kazanımlar sağladığı zaten bilinmektedir. Ancak, yayın sistemlerinin doğasında bulunan noktadan çoklu noktaya iletim, birçok araştırmacının bu konuda katmanlar arası bir çözüm uygulanabileceğini düşünmesini engellemiştir. Bu tez raporu, bu düşünceyi değiştirmeyi amaçlamaktadır. Tez raporunda, kablosuz yayın sistemleri için pratik katmanlar arası çözümlerin var olduğunu ve önemli performans kazanımları sağladıklarını göstermekteyiz.İlk olarak, yayınlanacak video içeriğinin iletimden önce SVC ile kodlanmış olduğu bir CDMA tabanlı hücresel yayın sistemini ele almaktayız. Bu senaryoda, video yayını servisini alan kullanıcı sayısını ve başarıyla kodçözülmüş ortalama video veri hızını birlikte eniyilemeyi amaçlayan bir katmanlar arası çözüm önermekteyiz. Önerilen yayın sistemi çoklu amaç eniyilemesi kullanarak kod uzayının SVC içeriğinin katmanları arasında en iyi şekilde bölmeyi amaçlamaktadır. Bu sistem kodçözülmüş ortalama video veri hızını enbüyülten ve temel video kalitesindeki kesinti olasılığını enküçülten eniyi ödünleşim noktasını bulmaktadır. ITU Yaya A ve Taşıt B kanalları için yapılan benzetimler, 1xEV-DO gibi bir 3G sistemi video yayını için kullanıldığında, yüksek veri hızlarında düşük hizmet kesinti olasığı ile video yayını yapılabildiğini ancak ölçeklenebilir video kodlayıcısının bu amaca uygun olmayabileceğini göstermektedir.İkinci olarak, en son teknoloji video kodlayıcısı H.264/AVC ile video kodlamasının yapıldığı bir hücresel yayın sistemini ele almaktayız. Burada, video yayını servisini alan kullanıcı sayısı ile alınan ortalama video kalitesi eniyilenmektedir. Bu problemi en iyi şekilde çözebilmek için, fiziksel ve uygulama katmanlarındaki değişkenler, katmanlar arası şekilde, hem gönderilen videonun özelliklerine ve hem de kablosuz kanala göre ayarlanmaktadır. H.264/AVC kodlayıcısı kullanılarak birden çok iletim hızına destek veren bir kablosuz sistem için, içerik uyarlamalı, çoklu amaç eniyilenmiş katmanlar arası video yayını şeması önermekteyiz. Eniyileme problemi, alınan ortalama video PSNR değerini enbüyülten ve video yayını servisindeki kesinti olasılığını enküçülten en iyi ödünleşim noktasına ulaşmak için, hem H.264/AVC kodlayıcısındaki hem de fiziksel katmandaki sistem değişkenlerini bulmayı amaçlamaktadır. ITU Yaya A ve Taşıt B kanalları için yapılan benzetimler, katmanlar arası tasarım ile sistem başarımında önemli kazanımlar elde edildiğini göstermektedir.Üçüncü olarak, kaynak kullanıcı tarafından başlatılan ve katılan kullanıcıların işbirliğinde bulunabildiği bir kablosuz tasarsız tümegönderim sistemini ele almaktayız. Bu senaryo, verilen toplam enerji kısıtı ile en iyi kapasite değerine ulaşmak için hangi kullanıcıların röle olarak seçileceği gibi önemli sorunları içermektedir. Belirli bir kullanıcı sayısı ve bu kullanıcılar arasındaki kanal durum bilgisi verildiğinde, enerji kısıtını sağlayan ve en iyi tümegönderim kapasitesini sağlayan işbirlikçi kullanıcı kümesinin bulunması polinom zamanda çözülemeyecek kadar zor bir problemdir. Bu problemi kolaylaştırmak için, sınırsız sayıda kullanıcının olduğu dairesel tasarsız bir ağ üzerinde çalışılmaktadır. Bu durumda, verilen enerji kısıtı için en iyi tümegönderim kapasitesini belirleyen kritik noktalar bulunmaktadır. Bunun ardından, kuramsal model ile hesaplanan buluşsal değerlere ve kanal durum bilgisine dayalı iki algoritma, bir dağıtımlı ve bir merkezi, sunulmaktadır. Önerilen yöntem, sadece `en iyi tümegönderim kapasitesini elde eden röle seçim problemi`ne pratik bir çözüm önermekle kalmayıp, sistem başarımında da önemli artışlar sağlamaktadır. Her iki önerilen yöntemin tümegönderim kapasitesinin, gerçekçi kabullere bağlı farklı sistem ayarlarındaki davranışları incelenmektedir. Sonuçlar, tümegönderim için rasgele ve dağıtımlı röle seçimi yönteminin kullanılmasıyla, en kötü durumda bile sistem başarımında önemli artışlar elde edildiğini göstermektedir.

This dissertation is concerned with the development of a cross-layer framework for wireless broadcasting systems. Both cellular and ad hoc networks are considered. It has been well-established that cross-layer designs provide significant gains in the performance of point-to-point wireless communication systems. However, the point-to-multipoint nature of the broadcast system has so far eluded most researchers into thinking that a cross-layer solution is not feasible. This dissertation aims to dispell this reasoning. Indeed, throughout the thesis, we show that practical cross-layer solutions for wireless broadcast systems exist and they provide significant performance gains.First, we consider a CDMA-based cellular broadcast system where the video content to be broadcast is SVC encoded prior to transmission. For this scenario, we develop a solution where we aim to simultaneously maximize the number of users receiving the video broadcasting service and the average successfully decoded video data rate. The proposed broadcast system aims to optimally divide the code space amongst the multiple layers of the SVC content using multiple-objective optimization. This framework finds the best compromise between the objectives of maximizing the average decodable video data rate and minimizing the basic quality video outage probability. Simulations conducted for the ITU Pedestrian A and Vehicular B channels show that high data rates with low outages are possible when a 3G system such as 1xEV-DO is used for video broadcasting, however, it may not be desirable to use scalable video coding for this purpose.Second, we consider a cellular broadcast system where the video encoding is conducted using the state-of-the-art video codec, H.264/AVC. In this scenario, we optimize the number of users receiving the broadcasting service and the average video quality of the received stream. To solve this problem optimally, we adjust the physical and the application layer parameters in a cross-layer fashion while utilizing the characteristics of the video that is being transmitted as well as the wireless channel. We propose a content-adaptive, multi-objective optimized, cross-layer video broadcasting framework for a wireless system capable of supporting a multitude of transmission data rates using H.264/AVC. The optimization problem aims to find H.264/AVC as well as physical layer system parameters jointly to reach the optimal compromise between the objectives of maximizing the average received video PSNR and minimizing the video broadcast service outage probability. Simulations conducted for the ITU Pedestrian A and Vehicular B channels show that significant gains in system performance can be achieved for video broadcasting using such a cross-layer design is used.Third, we consider a wireless ad hoc system where any of the participating nodes may cooperate in the broadcast initiated by the source node. In such a scenario, significant difficulties exist in terms of the selection of participating relay nodes if the aim is to achieve the optimal capacity for a given total energy constraint. For a given number of active users and the CSI between each user, finding the optimal broadcast capacity achieving subset of cooperating nodes satisfying the energy constraint is an NP-complete problem. To alleviate the problem, we consider the case of a circular ad hoc network where there are infinitely many nodes. In this scenario, we find critical points that determine the optimal broadcast capacity for a given total energy constraint. Following this analysis, we propose two algorithms, one distributed and one centralized, both based on heuristics computed by the theoretical model. Not only the proposed methods present a practical solution to the optimal broadcast capacity achieving relay selection problem but they also provide a significant increase in the overall system performance. We discuss the behaviors of the broadcast capacity for the two proposed models under a variety of system settings based on realistic assumptions. The results show that using a randomized and distributed relay selection in broadcasting yields significant gains in the system performance, even in the worst case scenario.