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L. Superiori:
"Optimization of Video Streaming over 3G Networks";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, D. Giusto; E389, 2010; oral examination: 03-25-2010.

Video streaming over cellular networks has been made possible in the last years by better performing video codecs and wireless cellular networks oriented to data transmission. The interaction between two heterogeneous worlds, the telecommunication infrastructure and the coding video software, calls for advanced optimization mechanisms. The actors involved in the optimization process are the cellular system´s access network, UMTS and HSDPA, the wireless transmission channel and the final user equipped with a mobile device capable of decoding video sequences. The knowledge and characterization of each of the building blocks allow the optimization of each element to the specific needs of the others.
This doctoral thesis discusses three main contributions. In the first part, the effects of transmission errors on video streams are analyzed. Incorrectly received video packets are usually discarded by the lower layers and not conveyed to the application. Part of the payload, however, still contains valid encoded information. Only the data stored after the error occurrence cannot be correctly interpreted, because of the variable length coding. Several error detection strategies at application layer are analyzed and compared. Finally, a proposal for a more efficient sorting of the encoded information is discussed.
The second part of the thesis deals with the optimization of a specific service: soccer video streaming. Soccer represents one of the most attractive contents, as nomadic users are interested on receiving this content live in their mobile device. The way human users evaluate the quality of this specific video service is the key issue driving the study. By means of unsupervised segmentation, three regions of the frame have been identified: the field, the players with the ball, and the audience. As the three regions have a different impact in terms of subjective quality, their rate-distortion behavior has been optimized by assigning more data and, therefore, increasing the quality of the subjectively most important tems.
In the third part, two cross-layer mechanisms are presented. As first, the application of SP and SI frames, specially encoded frames able to limit the temporal error propagation, has been discussed as an alternative to packet retransmission. The proposed optimization has been performed considering the measured error characteristics of the UMTS DCH. The second investigation is dedicated to the optimization of video streaming over HSDPA networks. Within a single video data stream, packets with different importance are discriminated. Exploiting secondary PDP contexts, several logical connection with different quality settings can be established. By means of header filtering, each packet is transmitted utilizing the appropriate channel, privileging the most important payloads.

Video Streaming über zellulare Netze wurde in den letzten Jahren durch bessere Video Codecs und Funknetze ermöglicht, die Datenübertragung unterstützen. Die Interaktion zweier heterogener Welten, die Telekommunikationsinfrastrukture und der Videokodierungssoftware, ruft nach optimierenden Mechanismen. Die Akteure in diesem Optimierungsprozess sind das zellulare Zugriffsnetz (UMTS und HSDPA), der Funkkanal und der Kunde am anderen Ende, der mit einem Videoendgerät ausgestattet ist. Die genaue Kenntniss und Charakterisierung der beteiligten Funktionsblöcke erlaubt die Optimierung einzelner Elemente bezüglich der Anforderungen der Anderen.
Diese Dissertationsarbeit diskutiert drei wesentliche Beiträge. Im ersten Teil werden die Auswirkungen von Übertragungsfehlern analysiert. Inkorrekt empfangene Videodatenpakete werden üblicherweise durch die unteren Schichten entsorgt und nicht an die Applikationsschicht weitergeführt. Ein Teil davon enthält jedoch korrekt kodierte Information. Nur die Daten, die nach einem Fehler auftreten, werden durch die variable Längenkodierung falsch interpretiert. Verschiedene Detektionsstrategien auf der Applikationsschicht werden analysiert und verglichen. Schliesslich wir ein Vorschlag zur effizienten Sortierung der kodierten Information diskutiert.
Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Optimierung eines speziellen Dienstes: Fussballvideo-Streaming. Fussball stellt den meistnachgefragtesten Inhalt dar, da bewegte Nutzer diesen Inhalt live empfangen wollen. Die Art wie menschliche Betrachter die Qualität dieses spezifischen Dienstes beurteilen, ist der Schlüssel der diese Studie antreibt. Durch unbeaufsichtigte Segementierung werden drei unterschiedliche Regionen identifiziert: das Spielfeld, die Spieler mit dem Ball und die Zuschauer. Da die drei Regionen unterschiedlichen Einfluss auf die subjektive Qualität haben, wurde ihr rate-distortion Verhalten so optimiert, dass nur dort mehr Daten zugewiesen wurden, wo die Qualität den höchsten Anstieg hat, als den wichtigsten Objekten.
Im dritten Teil werden zwei Cross-Layer Mechanismen präsentiert. Zunächst wird die Verwendung von SP und SI Rahmen zur Kodierung vorgeschlagen anstelle von Paketwiedervermittlung, da sie die Fehlerfortpflanzung begrenzen. Die vorgeschlagene Optimierung wurde basierend auf gemessener Fehlercharakteristik des UMTS DCH ausgeführt. Die zweite vorgeschlagene Methode behandelt speziell die Optimierung von Video-Streaming in HSDPA Netzen. Innerhalb eines einzelnen Video-Streams werden Pakete unterschiedlicher Wichtigkeit entschieden. Mithilfe eines secondary PDP contexts werden verschiedene logische Verbindungen mit unterschiedlicher Übertragungsqualität realisiert. Durch "header" Filterung wird jedes Paket durch den zugehörigen Kanal übertragen wodurch die wichtigen Anteile höhere Qualität erfahren.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_188631.pdf