Bibliographic Metadata

Title
Congestion-aware quality-adaptive streaming of scalable video / Robert Kuschnig
Additional Titles
Congestion-aware quality-adaptive streaming of scalable video
AuthorKuschnig, Robert
CensorHellwagner, Hermann ; Effelsberg, Wolfgang
Published2012
DescriptionXVI, 172 S. : graph. Darst.
Institutional NoteKlagenfurt, Alpen-Adria-Univ., Diss., 2012
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Skalierbares Video / H.264/SVC / Adaptierung / Adaptive Videoübertragung / Internet
Keywords (EN)scalable video / H.264/SVC / adaptation / adaptive video streaming / Internet
URNurn:nbn:at:at-ubk:1-6180 Persistent Identifier (URN)
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Congestion-aware quality-adaptive streaming of scalable video [1.84 mb]
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Classification
Abstract (German)

WÃ$hrend das Internet anfangs hauptsÃ$chlich fÃr die Verbreitung von Informationen genutzt wurde, konnten mit der flÃ$chendeckenden EinfÃhrung von Breitband-Internet-AnschlÃssen auch neue GeschÃ$ftsfelder erschlossen werden.

Eine dieser neuen Anwendungen ist Internet-Video-Streaming.

Doch die Ébertragung groÃer Datenmengen Ãber das Internet ist nicht unproblematisch, da es im Internet keine MÃglichkeiten zur Sicherstellung von DienstgÃte gibt.

Die daraus resultierenden Probleme sind groÃe Schwankungen in der verfÃgbaren Bandbreite und der Paketlatenz, Paketverlust und Éberlastung des Netzwerkes.

Diese Rahmenbedingungen erschweren einen reibungslosen Videokonsum und machen Internet-Video-Streaming zu einem sehr interessanten Forschungsgebiet.

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist das Standardprotokoll im Internet fÃr zuverlÃ$ssige DatenÃbertragung mit Éberlaststeuerung.

Im Besonderen wurde das Design von TCP auf die BedÃrfnisse der zuverlÃ$ssigen DatenÃbertragung im Internet abgestimmt.

Dieser Umstand verlieh TCP-basiertem Internet-Video-Streaming Auftrieb.

Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit auf TCP-basiertes Video-Streaming fÃr das Internet.

Das Ziel ist es, Video-Streaming in Ãberlasteten und fehlerbehafteten Netzwerken zu verbessern.

Die Arbeit umfasst sechs wissenschaftliche BeitrÃ$ge, welche im Folgenden nÃ$her erlÃ$utert werden.

(1) Drei adaptive Streaming-Verfahren basierend auf TCP wurden evaluiert, um die LeistungsfÃ$higkeit von TCP-basiertem Streaming unter diversen Netzwerkbedingungen zu bestimmen.

Die Ergebnisse dieser Evaluierung dienen als Referenz fÃr weitere Untersuchungen.

(2) Untersuchung Ãber den Einfluss von Paketverlust auf die LeistungsfÃ$higkeit von TCP-basiertem Video-Streaming. (3) Ein neues Video-Streaming-Verfahren basierend auf dem Anfrage-Antwort-Prinzip wurde entworfen, u umgehen (die LeistungsfÃ$higkeit von TCP-Streaming verschlechtert sich rapide mit steigendem Paketverlust). Die Neuerung dieses HTTP-basierten Verfahrens ist, dass die Fairness gegenÃber TCP akzeptabel bleibt, obwohl gleichzeitig mehrere DatenstrÃme fÃr die Ébertragung verwendet werden.

(4) Ein Modell des HTTP-basierten Anfrage-Antwort Streaming-Verfahrens wurde entwickelt, welches die LeistungsfÃ$higkeit des Verfahrens fÃr unterschiedliche Systemparameter und Netzwerkbedingungen beschreibt.

(5) Um die GÃltigkeit des Modells zu bestÃ$tigen, wurde die LeistungsfÃ$higkeit des Anfrage-Antwort-Streaming-Verfahrens unter diversen Netzwerkbedingungen evaluiert.

ZusÃ$tzlich wurde die Fairness gegenÃber TCP gemessen.

Die Systemparameter des Streaming-Verfahrens kÃnnen so konfiguriert werden, dass Fairness gegenÃber TCP gewÃ$hrleistet werden kann.

(6) Ein mobiles Video-Streaming Szenario mit groÃen Bandbreitenschwankungen und RTTs wurde genutzt, um die LeistungsfÃ$higkeit des HTTP-basierten Anfrage-Antwort-Streaming-Verfahrens unter schwierigen Netzwerkbedingungen zu ermitteln.

Das Verfahren nutzt die verfÃgbare Bandbreite effizient und kann die Anzahl der QualitÃ$tsÃ$nderungen gering halten.

Das HTTP-basierte Anfrage-Antwort-Streaming-Verfahren vereint die gesamte Streaming-Logik im Streaming-Client und schafft es dadurch, die KomplexitÃ$t des Streaming-Verfahrens zu minimieren.

ZusÃ$tzlich kann auf Ãnderungen der Netzwerkbedingungen schneller reagiert werden, da der Regelkreis nicht das Netzwerk involviert.

Ein weiterer Vorteil von HTTP-basierten AnsÃ$tzen ist die MÃglichkeit, auf vorhandene Infrastruktur (wie z.B. HTTP-Server oder -Proxies) zurÃckzugreifen, um damit die Einsatzkosten zu verringern oder die Skalierbarkeit zu verbessern.

Abstract (English)

Internet video streaming is a hot topic in multimedia systems.

A large variety of devices (computers, mobile phones, TVs, etc.) are connected to the Internet via wired or wireless networks and are capable of receiving and decoding HD video content.

To enable new services like HD video streaming (e.g., online video rental), the Internet's infrastructure was enhanced. But the Internet is still a best-effort network, which does not implement quality-of-service or admission control, resulting in time-varying bandwidth and packet delay, packet loss and network congestion.

Because video streaming accounts for a considerable amount of the Internet's traffic, video streaming needs additionally to be congestion-aware, to avoid a congestion collapse of the Internet.

The Transmission Control Protocol (TCP) can adapt to changing network conditions and is currently the de facto standard protocol for congestion-aware and reliable data transmission in the Internet.

This fact gave TCP-based video streaming a huge momentum.

Consequently, this thesis investigates TCP-based adaptive video streaming for the Internet.

The main goal is to provide a solution for congestion-aware video streaming, while still being able to achieve a reasonable performance in error-prone networks.

To complement existing work on congestion-aware adaptive streaming, this thesis makes six contributions.

(1) The baseline performance of TCP-based adaptive streaming is identified by means of an evaluation of different adaptive streaming approaches. The results represent a reference for further investigations.

(2) An investigation on the influence of TCP's behavior in presence of packet loss on the video streaming performance.

(3) To overcome the shortcomings of TCP-based video streaming (single TCP connections fail to deliver a good performance in case of packet loss), a new approach to video streaming based on multiple request-response streams was introduced. The novelty of this system is that it is able to make use of multiple HTTP-based request-response streams while still providing TCP-friendliness.

(4) A performance model of the HTTP-based request-response streams was developed, to estimate the influence of the system parameters and the network characteristics on the throughput performance.

(5) A comprehensive evaluation of the HTTP-based request-response streams under diverse network conditions was conducted, to validate the model's estimations. Additionally, the TCP-friendliness was evaluated, showing that request-response streaming systems can be configured to achieve TCP-friendliness.

(6) A cellular network with high bandwidth fluctuations and RTTs was used to investigate the performance of the request-response streaming system in a mobile video streaming scenario. The results indicate that the streaming system can make good use of the available bandwidth, while the number of quality switches is kept low.

While aggregating multiple TCP connections to improve the TCP streaming performance is quite common, usually the improvement comes at the cost of high deployment effort.

By placing the streaming logic at the client, request-response streams can avoid this complexity.

Additionally, this client-driven approach responds faster to changing network conditions and enables easy recovery from connection stalls or aborts, because the control loop is at the client.

To improve the network efficiency and the scalability in terms of number of clients served, HTTP-based request-response streams can utilize HTTP proxies and caches.

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