Effective Cross-layer Designs for Stable Video Streaming Service over Wireless Networks

Abstract

무선 통신 기술은 다양한 모바일 데이터 서비스를 제공하기 위해 빠르게 발전되어 왔다. 셀룰러 링크의 속도는 광 대역에서의 동적인 스펙트럼 할당 정책을 이용하여 3G 망에서 2 Mbps로 향상되었고, LTE 및 WiMAX와 같은 4G 망에서는 최대 100 Mbps를 제공한다. 이와 비슷하게 WiFi 망에서의 링크 속도 역시 300 Mbps까지 향상되었다. 한편, iOS 및 안드로이드 기반의 스마트 디바이스의 증가에 따라 모바일 데이터 서비스는 폭넓게 이용되고 있으며, 모바일 영상 스트리밍 서비스는 전체 모바일 트래픽의 상당 부분을 차지하고 있다. 무선 통신 기술이 높은 데이터 전송 속도를 제공함에도 불구하고, 무선 망 환경에서 높은 품질의 모바일 데이터 서비스를 제공하는 것은 여전히 도전적인 과제이다. 특히, 다른 모바일 데이터 서비스에 비해 높은 데이터 량을 요구하는 영상 스트리밍 서비스를 무선 망에서 끊김 없이 제공하는 것은 더 힘든 일이다. 게다가 영상 데이터가 가지는 엄격한 시간 제약 사항과 영상 압축에 따른 가변 데이터 량은 상황을 더욱 악화시킨다. 본 학위 논문에서는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 크로스레이어 기법을 적용하였다. WiFi, WiMAX, 및 LTE와 같은 다양한 무선 환경에서 안정적인 영상 스트리밍 서비스를 제공하는 크로스레이어 설계를 제안한다. 첫 번째는 이동 애드 혹 네트워크상에서 지연에 민감한 영상 데이터를 효과적으로 전송하기 위한 크로스레이어 기반 패킷 스케줄링 및 라우팅 기법을 제안한다. 먼저 패킷 긴급도, 노드 긴급도, 및 경로 긴급도를 각 패킷의 종단 간 지연 요구사항을 고려하여 정의한다. 제안하는 기법은 긴급도 척도를 기반으로 MAC 계층에서의 패킷 스케줄링 기법과 네트워크 계층에서의 라우팅 기법이 긴밀하게 결합되어 이동 애드 혹 네트워크상에서 지연에 민감한 영상 전송 성능을 향상시킨다. 두 번째는 WiMAX 망에서 영상 스트리밍 서비스를 위한 패킷 스케줄링과 호 수락제어의 협력 연계 시스템을 제안한다. 패킷 스케줄링은 각 유저의 영상 버퍼 상태와 무선 링크의 신호세기를 고려하여 무선 자원을 할당하고, 셀의 이용률과 영상 서비스의 QoE 상태를 동시에 고려하여 제어 파라미터를 동적으로 결정한다. 호 수락제어 에서는 패킷 스케줄링의 제어 파라미터를 측정 기반 국소 선형 모델에 적용하여 WiMAX 셀의 이용 가능 용량을 예측하여 유저의 호 승인 여부를 결정한다. 마지막으로 멀티 셀 기반의 LTE 망에서 끊김 없는 영상 스트리밍 서비스 제공을 위해 QoE 상태 기반의 패킷 스케줄링, 호수락 제어, 및 핸드 오버 알고리즘의 상호 연동 시스템을 제안한다. 우선 UE QoE 상태, 셀 QoE 상태, 및 셀 가용성을 UE들의 영상 버퍼 상태와 요구되는 QoE 제약 사항을 고려하여 정의 한다. 각 알고리즘은 QoE 상태 척도를 이용하여 상호 긴밀하게 연동되어 안정적으로 모든 UE에게 영상 스트리밍 서비스를 원활하게 제공한다.

In this dissertation, we propose three cross-layer designs for stable video steaming service over wireless networks. First, we present an urgency-based packet scheduling and routing algorithms to effectively deliver delay-sensitive data over a multi-hop mobile ad hoc networks supporting IEEE 802.11b multi-rate service. In the proposed cross-layer design, packet urgency, node urgency, and route urgency are defined on the basis of the end-to-end delay requirement. Based on these urgency metrics and the estimated transmission delay of each packet by Kalman filter, the proposed packet scheduling algorithm determines the transmission order and drop policy to minimize the node urgency without unnecessary packet drop, and the proposed routing algorithm establishes a route to minimize the derivative of route urgency in order to maximize the number of packets delivered within the required end-to-end delay. Second, we present a QoS-aware joint working packet scheduling algorithm and call admission control algorithm to support stable video streaming service to more subscribers over WiMAX network. The proposed call admission control algorithm estimates the network throughput by using a local linear model in terms of a control parameter of the proposed scheduling algorithm, and performs its own functions based on the information. The proposed scheduling algorithm continuously updates the control parameter to pursue an effective tradeoff between the quality-of-service of video streaming and the network throughput. Third, we propose a QoE-based interworking packet scheduling, call admission control, and handover system to provide a seamless video streaming services over LTE network. The proposed packet scheduling algorithm allocates wireless resources to admitted UEs while considering the QoE states of UEs and cell and wireless link states of UEs simultaneously. The proposed call admission control algorithm estimates the cell availability at the next call arriving time based on the current QoE states of UEs to determine the admission of a new UE. The proposed handover algorithm determines the appropriate handover trigger timing to keep a balance of the QoE states among immediately adjacent cells on the basis of both the cell availability and wireless link states.