Dynamic resource allocation for low-delay video streaming in the uplink of OFDMA mobile networks

dc.contributor.advisorWolisz, Adam
dc.contributor.authorLe, Minh Hieu
dc.contributor.grantorTechnische Universität Berlinen
dc.contributor.refereeWolisz, Adam
dc.contributor.refereeKlein, Anja
dc.contributor.refereeKarl, Holger
dc.date.accepted2021-09-08
dc.date.accessioned2022-03-25T13:42:18Z
dc.date.available2022-03-25T13:42:18Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractIn recent years, video has been inducing an exponential growth in mobile traffic. Today, mobile operators pay several billions of euros for radio frequency bands to cope with enormous traffic demands. At the same time, the enduring demand growth increasingly forces mobile operators and video service providers to look for efficient solutions to make the best possible service quality out of the limited radio spectrum. This thesis focuses on improving the Quality of Experience (QoE) of multiple low-delay video streams in the uplink of mobile networks using Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA). Several mobile networks like LTE and WiMAX have been using OFDMA. In that context, this thesis provides multiple contributions. The first contribution is a novel dynamic resource allocation approach, which exploits wireless channels’ random variations to improve user throughput while suppressing Multiple Access Interference (MAI). MAI presents when user signals are not perfectly synchronous in the uplink of OFDMA networks. Next, the thesis presents two cross-layer video adaptation approaches, which adopt the introduced dynamic resource allocation approach. Those two approaches target low-delay video streaming services using non-layered and layered video coding. While the video industry has been broadly using non-layered video coding, layered video coding might be more prevalent in the future. Those two technologies have distinct adaptation principles, so they require different solutions tailored particularly for them. In both cases, via efficient mathematical transformations, the large-timescale problem of video adaptation (in a few seconds) is pursued via a series of small-timescale resource allocation problems (each in a few milliseconds). By doing that, video adaptation algorithms can quickly react to wireless channel variations and meet low latency requirements. As for non-layered video coding, another contribution is to consider potential throughput gains via efficient resource allocation algorithms as selecting video quality. Throughout the thesis, we develop several mathematical optimization problems and adaptation algorithms to determine the performance gain of proposed approaches.en
dc.description.abstractIn den letzten Jahren war Video der Haupttreiber für das exponentielle Wachstum des mobilen Verkehrs. Heute zahlen Mobilfunkbetreiber mehrere Milliarden Euro für die Funkfrequenz, um die enorme Verkehrsanforderung zu bewältigen. Gleichzeitig zwingt das anhaltende Wachstum Mobilfunkbetreiber und Videodienstanbieter zunehmend dazu, nach effizienten Lösungen zu suchen, um aus dem begrenzten Funkspektrum die bestmögliche Servicequalität zu erzielen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herausforderungen bei der Verbesserung der Nutzerzufriedenheit (Quality of Experience, QoE) des Videostreams mit niedriger Latenz im Uplink von OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Mobilfunknetz. Mehrere Mobilfunknetze wie LTE und WiMAX verwenden OFDMA. In diesem Zusammenhang liefert diese Arbeit mehrere Beiträge. Der erste Beitrag ist ein neuartiger Ansatz zur dynamischen Ressourcenvergabe. Einerseits nutzt der vorgeschlagene Ansatz die zufällige Variation des Funkkanals, um den Benutzerdurchsatz zu verbessern. Andererseits werden einige Frequenzressourcen als Schutzbänder verwendet, um die Mehrfachzugriffsstörung MAI (Multiple Access Interference) zu unterdrücken. MAI präsentiert, da Benutzersignale im Uplink nicht perfekt synchron sind. Anschließend werden mathematische Optimierungsprobleme entwickelt, um die Ressourcenvergabe optimieren, die den Benutzerdurchsatz erheblich verbessern können. Infolgedessen werden in der Arbeit zwei neue Ansätze zur schichtübergreifenden (cross-layer) Videoanpassung vorgestellt, die den vorgeschlagenen Ansatz zur Ressourcenvergabe übernehmen und auf Streamingsdienste mit geringer Latenz unter Verwendung von nichtskalierbare und skalierbare Videocodierung abzielen. Während die nichtskalierbare Videokodierung in der Branche weit verbreitet ist, dürfte die skalierbare Videokodierung in Zukunft stärker verbreitet sein. Diese beiden Technologien haben unterschiedliche Anpassungsprinzipien und erfordern daher unterschiedliche Lösungen, die speziell auf sie zugeschnitten sind. In beiden Fällen wird das Problem der Videoanpassung mit großer Zeitskala (von wenigen Sekunden) über eine Reihe von Problemen der Ressourcenvergabe in kleiner Zeitskala (jeweils in einem Bereich von wenigen Millisekunden) verfolgt. Auf diese Weise können die Videoanpassungsalgorithmen schnell auf die Variation des Funkkanals reagieren und die strengen Latenzanforderungen erfüllen. Bei der nichtskalierbare Videokodierung liegt ein weiterer Beitrag in der expliziten Berücksichtigung des potenziellen Durchsatzgewinns über effiziente Algorithmen der Ressourcenvergabe bei der Auswahl der Videoqualität.de
dc.identifier.urihttps://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16205
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.14279/depositonce-14979
dc.language.isoenen
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.subject.ddc620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeitende
dc.subject.othervideo streamingen
dc.subject.otherOFDMAen
dc.subject.otherradio resource allocationen
dc.subject.otherlow-latency videoen
dc.subject.otherscalable videoen
dc.subject.othercross-layer algorithmen
dc.subject.otherRadio-Ressourcenvergabede
dc.subject.otherVideo mit niedriger Latenzde
dc.subject.otherschichtübergreifenden Algorithmusde
dc.subject.otherskalierbare Videocodierungde
dc.titleDynamic resource allocation for low-delay video streaming in the uplink of OFDMA mobile networksen
dc.title.translatedDynamische Ressourcenzuweisung für Video-Streaming mit geringer Verzögerung im Uplink von OFDMA-Mobilfunknetzende
dc.typeDoctoral Thesisen
dc.type.versionacceptedVersionen
tub.accessrights.dnbfreeen
tub.affiliationFak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Telekommunikationssysteme::FG Telekommunikationsnetzede
tub.affiliation.facultyFak. 4 Elektrotechnik und Informatikde
tub.affiliation.groupFG Telekommunikationsnetzede
tub.affiliation.instituteInst. Telekommunikationssystemede
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