Optimized Network-Adaptive Multimedia Transmission Over Packet Erasure Channels

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2008
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Optimierte netzwerk-adaptive Multimedia-Übertragung über Kanäle mit Paketverlust
Forschungsvorhaben
Organisationseinheiten
Zeitschriftenheft
Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
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Erschienen in
Zusammenfassung

Die Übertragung von Multimediadaten mit geringer Zeitverzögerung über Kanäle mit zufälligem Paketverlust, wie das Internet, führt zu einer Herrausforderung, da diese Netzwerke einen Datentransport nur mit der Güte "best-effort" bieten und keinen zeitsynchronen Transport der Datenpakete garantieren. Datenpakete die verloren gehen oder den Empfänger nach der vereinbarten Abgabefrist erreichen haben verheerende Auswirkungen auf die wahrnehmbare Qualität von Multimedia.
Dieses Problem kann man umgehen mittels Techniken wie Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC), Automatische Wiederholungsanfrage (ARQ), fehlerresistente Kodierung, Fehlerverdeckung, oder jegliche Kombination dieser.
Während das Transmission Control Protokoll (TCP) für Daten ohne Echtzeitanforderung, wie z.B. Dateitransfer, gut arbeitet, ist seine Nutzbarkeit für Echtzeit- bzw. verzögerungskritischen Anwendungen umstritten. Typische Szenarien sind z.b., wenn ein Nutzer ein 3D Mesh in einer bestimmten Zeit downloaden möchte oder das Video Streaming, bei dem für eine flüssige Wiedergabe jedes Einzelbild innerhalb einer Übertragungsfrist übertragen und angezeigt werden muss. Für solche Anwendungen wäre FEC die bessere Lösung.
Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit dem Problem des optimalen Fehlerschutzes von progressiv komprimierten 3D Meshs. Wir nutzen ein State of the Art System, das schichtweise Quellenkodierung und FEC (unter Nutzung von Reed-Solomon Kodes) implementiert, um 3D Meshs über Kanäle mit zufälligen Paketverlust zu übertragen.
Unter der Angabe einer Gesamtbandbreite kann die Leistung dieses Systems optimiert werden, in dem man festlegt wie viele Schichten übertragen werden sollten und wie viele Paritätsbits jeder übertragenen Schicht zugewiesen werden, um die erwartete Störung beim Empfänger zu minimieren. Die bisherige Lösung für dieses Optimierungsproblem nutzt die vollständige Suche, welche für eine hohe Übertragungsbandbreite nicht brauchbar ist. Wir schlagen stattdessen einen exakten Algorithmus vor, der dieses Optimierungsproblem in linearer Zeit und mit linearem Speicherbedarf löst. Es ist weiterhin entscheidend, wie jede übertragene Schicht paketiert ist. Wir beschreiben eine flexible Paketiertechnik. Die Ergebnisse unserer Experimente illustrieren die Vorteile unserer vorgeschlagenen Ansatzes.
Der zweite Teil der Dissertation zeigt ein Video Streaming Framework, das FEC in der Anwendungsschicht nutzt, um den Effekt des Paketverlustes abzuschwächen. Die Wahl der richtigen Koderate für den Kanalkodierer ist nicht trivial. In den früheren FEC basierten Lösungen.
Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit dem Problem des optimalen Fehlerschutzes von progressiv komprimierten 3D Meshs. Wir nutzen ein State of the Art System, das schichtweise Quellenkodierung und FEC (unter Nutzung von Reed-Solomon Kodes) implementiert, um 3D Meshs über Kanäle mit zufälligen Paketverlust zu übertragen. Unter der Angabe einer Gesamtbandbreite kann die Leistung dieses Systems optimiert werden, in dem man festlegt wie viele Schichten übertragen werden sollten und wie viele Paritätsbits jeder übertragenen Schicht zugewiesen werden, um die erwartete Störung beim Empfänger zu minimieren. Die bisherige Lösung für dieses Optimierungsproblem nutzt die vollständige Suche, welche für eine hohe Übertragungsbandbreite nicht brauchbar ist. Wir schlagen stattdessen einen exakten Algorithmus vor, der dieses Optimierungsproblem in linearer Zeit und mit linearem Speicherbedarf löst. Es ist weiterhin entscheidend, wie jede übertragene Schicht paketiert ist. Wir beschreiben eine flexible Paketiertechnik. Die Ergebnisse unserer Experimente illustrieren die Vorteile unserer vorgeschlagenen Ansatzes.
Der zweite Teil der Dissertation zeigt ein Video Streaming Framework, das FEC in der Anwendungsschicht nutzt, um den Effekt des Paketverlustes abzuschwächen. Die Wahl der richtigen Koderate für den Kanalkodierer ist nicht trivial. In den früheren FEC basierten Lösungen wird die Koderate entweder durch Abschätzung der Paketverlustrate vorher festgelegt oder sie wird adaptiv an die Messung aktueller Paketverlustraten angepasst. Dennoch ist die Effizienz dieser Lösung fraglich, wenn die Paketverlustrate des Kanals stark über die Zeit schwankt und damit schwer in ausreichender Genauigkeit vorherzusagen ist. Tatsächlich führt die Unterschätzung der Paketverlustrate zu Kodierfehlern und die Überschätzung zum Vergeuden von Bandbreite.
Um mit der stark fluktuierenden Paketverlustrate umzugehen, führen wir einen neuen Ansatz ein, der auf Kodes ohne fester Übertragungsrate und Empfängerfeedback basiert. Für jeden Datenblock der Quelle sendet der Sender die kodierten Symbole solange weiter bis er eine Bestätigung vom Empfänger erhält, dass der Datenblock erfolgreich dekodiert wurde. Innerhalb des Frameworks zeigen wir einen effizienten Algorithmus, der die Nutzung der Bandbreite minimiert und dabei eine erfolgreiche Dekodierung garantiert, unter Beachtung der oberen Grenze durch die Paketverlustrate. Analytische und simulierte Ergebnisse beweisen, dass im Vergleich zu traditionellen FEC basierten Ansätzen, das vorgeschlagene Schema eine wesentlich bessere Einsparung der Bandbreite bei gleichbleibender Wiedergabequalität bietet. In einem Experiment bei dem eine H.264 kodierte Foreman Sequenz über einen Internet Kanal (Konstanz-Peking-Konstanz) übertragen wurde, übertraf unsere vorgeschlagene Lösung die anderen FEC basierten Ansätze, z.B. betrug der Zuwachs des Signal-Rausch-Abstand gegenüber fixed-rate FEC 3,5 Dezibel bei 90 kbps.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

The transmission of delay-sensitive multimedia data over packet erasure channels like the Internet imposes a challenge because these networks provide transportation service in a best-effort manner only and do not guarantee the delivery of the packets in time. Packets which are lost or arrive at the receiver after their presentation deadline have devastating effects on the perceived quality of the multimedia. This problem can be circumvented with forward error control (FEC), automatic repeat request (ARQ), error resilient coding, error concealment, or any combination thereof.
While TCP (Transmission Control Protocol) works well for non real-time data, e.g., file transfer, its relevance for real-time or delay-sensitive applications is debatable. This is the case, for example, when a user wants to download a three dimensional (3D) mesh in a certain time period or in video streaming where each video frame has to be delivered and displayed within a certain time period to enable continuous playback. For such applications, FEC may be a better candidate. The first part of this dissertation considers application-layer FEC to protect progressively compressed 3{D} meshes against packet losses. We proposed an efficient algorithm that, for a given total transmission bit budget, finds the optimal source-channel bit allocation in linear time and space. The proposed algorithm can be used to protect, in general, any progressively compressed layered source data.
The second part of this dissertation presents a video streaming framework that uses application-layer FEC to mitigate the effect of lost packets. In previous work, the FEC code-rate is either fixed or updated periodically according to an estimated packet loss rate. However, this approach may not perform well when the packet loss rate fluctuates rapidly over time and is, therefore, hard to estimate with enough accuracy. Indeed, underestimating the packet loss rate leads to code failure and overestimating it would misspend the bandwidth.
To deal with the fluctuating packet loss rates, we introduce a novel approach based on rateless codes and receiver feedback. Within this framework, we present efficient transmission strategies and an efficient algorithm to minimize the bandwidth usage while ensuring successful decoding subject to an upper bound on the packet loss rate. Analytical and simulated results show that, compared to traditional FEC based approaches, the proposed scheme provides significant bandwidth savings for the same playback quality. In an experiment, where H.264 encoded Foreman sequence was transmitted over an Internet channel (Konstanz-Beijing-Konstanz), our proposed solution outperformed the other FEC based approaches e.g., the PSNR gain over fixed-rate FEC scheme exceeds 3.5 decibels at 90 kbps.

Fachgebiet (DDC)
004 Informatik
Schlagwörter
Multimediadaten mit geringer Zeitverzögerung, 3D Meshs, Video Streaming, channel coding, Forward Error Correction, Rateless LT Codes, Raptor Codes, Video Streaming, Video on demand, 3D meshes, 3D models
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690AHMAD, Shakeel, 2008. Optimized Network-Adaptive Multimedia Transmission Over Packet Erasure Channels [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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Typische Szenarien sind z.b., wenn ein Nutzer ein 3D Mesh in einer bestimmten Zeit downloaden möchte oder das Video Streaming, bei dem für eine flüssige Wiedergabe jedes Einzelbild innerhalb einer Übertragungsfrist übertragen und angezeigt werden muss. Für solche Anwendungen wäre FEC die bessere Lösung.&lt;br /&gt;Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit dem Problem des optimalen Fehlerschutzes  von progressiv komprimierten  3D Meshs. Wir nutzen ein State of the Art System, das schichtweise Quellenkodierung  und FEC (unter Nutzung von Reed-Solomon Kodes) implementiert, um 3D Meshs über Kanäle mit zufälligen Paketverlust zu übertragen.&lt;br /&gt;Unter der Angabe einer Gesamtbandbreite kann die Leistung dieses Systems optimiert werden, in dem man festlegt wie viele Schichten übertragen werden sollten und wie viele Paritätsbits jeder übertragenen Schicht zugewiesen werden, um die erwartete Störung beim Empfänger zu minimieren. Die bisherige Lösung für dieses Optimierungsproblem nutzt die vollständige Suche, welche für eine hohe Übertragungsbandbreite nicht brauchbar ist. Wir schlagen stattdessen einen exakten Algorithmus vor, der dieses Optimierungsproblem in linearer Zeit und mit linearem Speicherbedarf löst. Es ist weiterhin entscheidend, wie jede übertragene Schicht paketiert ist. Wir beschreiben eine flexible Paketiertechnik. Die Ergebnisse unserer Experimente illustrieren die Vorteile unserer vorgeschlagenen Ansatzes.&lt;br /&gt;Der zweite Teil der Dissertation zeigt ein Video Streaming Framework, das FEC in der Anwendungsschicht nutzt, um den Effekt des Paketverlustes abzuschwächen. Die Wahl der richtigen Koderate für den Kanalkodierer ist nicht trivial. In den früheren FEC basierten Lösungen.&lt;br /&gt;Der erste Teil dieser Dissertation befasst sich mit dem Problem des optimalen Fehlerschutzes  von progressiv komprimierten  3D Meshs. Wir nutzen ein State of the Art System, das schichtweise Quellenkodierung  und FEC (unter Nutzung von Reed-Solomon Kodes) implementiert, um 3D Meshs über Kanäle mit zufälligen Paketverlust zu übertragen. Unter der Angabe einer Gesamtbandbreite kann die Leistung dieses Systems optimiert werden, in dem man festlegt wie viele Schichten übertragen werden sollten und wie viele Paritätsbits jeder übertragenen Schicht zugewiesen werden, um die erwartete Störung beim Empfänger zu minimieren. Die bisherige Lösung für dieses Optimierungsproblem nutzt die vollständige Suche, welche für eine hohe Übertragungsbandbreite nicht brauchbar ist. Wir schlagen stattdessen einen exakten Algorithmus vor, der dieses Optimierungsproblem in linearer Zeit und mit linearem Speicherbedarf löst. Es ist weiterhin entscheidend, wie jede übertragene Schicht paketiert ist. Wir beschreiben eine flexible Paketiertechnik. Die Ergebnisse unserer Experimente illustrieren die Vorteile unserer vorgeschlagenen Ansatzes.&lt;br /&gt;Der zweite Teil der Dissertation zeigt ein Video Streaming Framework, das FEC in der Anwendungsschicht nutzt, um den Effekt des Paketverlustes abzuschwächen. Die Wahl der richtigen Koderate für den Kanalkodierer ist nicht trivial. In den früheren FEC basierten Lösungen wird die Koderate entweder durch Abschätzung der Paketverlustrate vorher festgelegt oder sie wird adaptiv an die Messung aktueller Paketverlustraten angepasst. Dennoch ist die Effizienz dieser Lösung fraglich, wenn die Paketverlustrate des Kanals stark über die Zeit schwankt und damit schwer in ausreichender Genauigkeit vorherzusagen ist. Tatsächlich führt die Unterschätzung der Paketverlustrate zu Kodierfehlern und die Überschätzung zum Vergeuden von Bandbreite.&lt;br /&gt;Um mit der stark fluktuierenden Paketverlustrate umzugehen, führen wir einen neuen Ansatz ein, der auf Kodes ohne fester Übertragungsrate und Empfängerfeedback  basiert. Für jeden Datenblock der Quelle sendet der Sender die kodierten Symbole solange weiter bis er eine Bestätigung vom Empfänger erhält, dass der Datenblock erfolgreich dekodiert wurde. Innerhalb des Frameworks zeigen wir einen effizienten Algorithmus, der die Nutzung der Bandbreite minimiert und dabei eine erfolgreiche Dekodierung garantiert, unter Beachtung der oberen Grenze durch die Paketverlustrate. Analytische und simulierte Ergebnisse beweisen, dass im Vergleich zu traditionellen FEC basierten Ansätzen, das vorgeschlagene Schema eine wesentlich bessere Einsparung der Bandbreite bei gleichbleibender Wiedergabequalität bietet. 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July 7, 2008
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