Video transport optimization techniques design and evaluation for next generation cellular networks

Video is foreseen to be the dominant type of data traffic in the Internet. This vision is supported by a number of studies which forecast that video traffic will drastically increase in the following years, surpassing Peer-to-Peer traffic in volume already in the current year. Current infrastructures are not prepared to deal with this traffic increase. The current Internet, and in particular the mobile Internet, was not designed with video requirements in mind and, as a consequence, its architecture is very inefficient for handling this volume of video traffic. When a large part of traffic is associated to multimedia entertainment, most of the mobile infrastructure is used in a very inefficient way to provide such a simple service, thereby saturating the whole cellular network, and leading to perceived quality levels that are not adequate to support widespread end user acceptance. The main goal of the research activity in this thesis is to evolve the mobile Internet architecture for efficient video traffic support. As video is expected to represent the majority of the traffic, the future architecture should efficiently support the requirements of this data type, and specific enhancements for video should be introduced at all layers of the protocol stack where needed. These enhancements need to cater for improved quality of experience, improved reliability in a mobile world (anywhere, anytime), lower exploitation cost, and increased flexibility. In this thesis a set of video delivery mechanisms are designed to optimize the video transmission at different layers of the protocol stack and at different levels of the cellular network. Upon the architectural choices, resource allocation schemes are implemented to support a range of video applications, which cover video broadcast/multicast streaming, video on demand, real-time streaming, video progressive download and video upstreaming. By means of simulation, the benefits of the designed mechanisms in terms of perceived video quality and network resource saving are shown and compared to existing solutions. Furthermore, selected modules are implemented in a real testbed and some experimental results are provided to support the development of such transport mechanisms in practice.

Il traffico video sarà il tipo di applicazione dominante in Internet nei prossimi anni. Già in questi anni assistiamo al sorpasso del traffico video mobile rispetto al Peer-to-Peer. Le infrastrutture attuali non sono preparate ad affrontare questo aumento di traffico video. Internet, e in particolare Internet mobile, non è stata progettata sulla base di requisiti video e, di conseguenza, la sua architettura è inefficiente nel gestire questo tipo di traffico. Quando il traffico è associato all'intrattenimento multimediale, la maggior parte dell'infrastruttura mobile è utilizzata in un modo inefficiente pur fornendo un servizio semplice, saturando in tal modo l'intera rete cellulare e portando il servizio a livelli di qualità non adeguati a sostenere quella che gli utenti si aspettano di ricevere. L'obiettivo principale dell'attività di ricerca in questa tesi è quello di evolvere l'architettura di Internet mobile per un efficiente supporto del traffico video. Poiché il video è previsto rappresentare la maggior parte del traffico, l'architettura di rete deve supportare in modo efficiente le esigenze di questo tipo di traffico e miglioramenti specifici dovrebbero essere introdotti a tutti i livelli dello stack protocollare. Questi miglioramenti hanno lo scopo di incrementare la qualità percepita del servizio, di dare una maggiore affidabilità in un mondo mobile, di abbassare i costi di servizio e di aumentare la flessibilità della rete. In questa tesi una serie di meccanismi di trasmissione video sono progettati per ottimizzare la consegna di applicazioni video su reti cellulari di nuova generazione a diversi livelli dello stack protocollare ed a differenti livelli della rete cellulare. Sulla base di queste scelte architetturali, sistemi di allocazione delle risorse sono implementati per supportare una gamma di applicazioni video che copre il video broadcast/multicast in streaming, video on demand, streaming in tempo reale, il video download progressivo e il video upstreaming. Tramite campagne di simulazioni, i benefici sotto forma di qualità percepita e di risorse di rete risparmiate sono riportati attraverso il confronto con soluzioni pre-esistenti. Inoltre moduli selezionati sono implementati in un vero e proprio banco di prova e alcuni dei risultati sperimentali conseguiti sono usati per sostenere lo sviluppo di nuovi meccanismi di trasporto video nelle reti mobili future.