Universitat Politècnica De València Tesis Doctoral
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Universitat Politècnica de València Departamento de Comunicación Audiovisual, Documentación e Historia del Arte Tesis Doctoral Design of an architecture and communication protocol for video transmission and videoconference Presented by: José Miguel Jiménez Herranz Supervised by: Jaime Lloret Mauri Valencia, July 2018 Abstract Abstract This doctoral thesis faces the problem of video transmission, in television transmission systems and video on demand in real time, and video conferencing, in IP networks, making a special emphasis when the connection is established between mobile devices. In the first part of the work, video transmission in IP networks is introduced, and a special emphasis is made on videoconference, afterwards presenting the state of the art in both areas. We address several issues related to video compression, the quality of the video received, the Quality of Experience (QoE), systems for improving the QoE for videoconferencing and also technologies, such as Software Defined Networking (SDN), which allow us to dynamically improve the configuration of the network devices to improve the QoE perceived by the end users. Later, we come to describe the design of the architecture and protocol for the transmission of video in IP networks, with different objectives. We propose an architecture and a protocol to improve the QoE of the end users in the transmission of video in Internet Protocol Television (IPTV). We also do it for the transmission of video in Heterogeneous Networks using HTML5. Finally, we propose an algorithm and protocol to improve QoE of video transmission in networks used for environmental monitoring, fundamentated mainly on a study substantiated on coding based on the predominant color of the images of the video. In the next chapter, we propose a new architecture and a protocol for improving the End-to-End Quality of Experience (E2E QoE) of the users connected to a video conference. We define the process of the system, i José Miguel Jiménez Herranz the finite state machine and the algorithm necessary for its correct operation. Finally, we present the different experimental tests that have been carried out to study and determine the best coding systems, and their behavior when using technologies such as SDN in networks of mobile devices, in Heterogeneous Networks using HTML5 and in videoconference. ii Resumen Resumen Esta tesis doctoral aborda el problema de la transmisión de vídeo, en sistemas de transmisión de televisión y vídeo bajo demanda en tiempo real y de videoconferencia, a través de redes IP, haciendo un énfasis especial cuando la conexión se establece entre dispositivos móviles. En la primera parte del trabajo se introduce la transmisión de video en redes IP y se hace especial incapie en la videoconferencia, pasando posteriormente a presentar el estado del arte en ambos ámbitos. Tratamos y estudiamos cuestiones relacionadas con la compresión de vídeo, la calidad del vídeo recibido, la calidad de experiencia (QoE), sistemas para la mejora de la QoE para la videoconferencia y también tecnologías, como Software Defined Networking (SDN), que nos permiten mejorar dinámicamente la configuración de los dispositivos de red para mejorar la QoE percibida por los usuarios finales. Posteriormente, pasamos a describir el diseño de la arquitectura y el protocolo para la transmisión de vídeo en redes IP, con distintos objetivos. Proponemos una arquitectura y un protocolo para mejorar la QoE de los usuarios en la transmisión de vídeo en Internet Protocol Television (IPTV). También lo hacemos para la transmisión de vídeo en Redes Heterogéneas usando HTML5. Por último proponemos un algoritmo y protocolo para mejorar QoE de la transmisión de vídeo en redes empleadas para la monitorización ambiental, basándonos principalmente en un estudio fundamentado en la codificación en función del color predominante de las imágenes del vídeo. En el siguiente capítulo pasamos a proponer una nueva arquitectura y un protocolo para la mejora de la calidad de experiencia de extremo a iii José Miguel Jiménez Herranz extremo (E2E QoE) de los usuarios conectados a una videoconferencia. Definimos el proceso del sistema, la máquina de estados finita y el algoritmo necesario para su correcto funcionamiento. Por último, presentamos las distintas pruebas experimentales que se han realizado para estudiar y determinar los mejores sistemas de codificación, y su comportamiento al utilizar tecnologías como SDN en redes de dispositivos móviles, en Redes Heterogéneas usando HTML5 y en videoconferencia. iv Resum Resum Aquesta tesi doctoral aborda el problema de la transmissió de vídeo, en sistemes de transmissió de televisió i vídeo sota demanda en temps real, i de videoconferència, a través de xarxes IP, fent un èmfasi especial quan la connexió s'estableix entre dispositius mòbils. En la primera part del treball s'introdueix la transmissió de vídeo en xarxes IP i es fa especial incapie en la videoconferència, passant posteriorment a presentar a l'estat de l'art en tots dos àmbits. Tractem i estudiem qüestions relacionades amb la compressió de vídeo, la qualitat del vídeo rebut, la qualitat d'experiència (QoE), sistemes per a la millora de la QoE per a la videoconferència i també tecnologies, com a Software Defined Networking (SDN), que ens permeten millorar dinàmicament la configuració dels dispositius de xarxa per a millorar la QoE percebuda pels usuaris finals. Posteriorment, passem a descriure el disseny de l'arquitectura i el protocol per a la transmissió de vídeo en xarxes IP, amb diferents objectius. Proposem una arquitectura i un protocol per a millorar la QoE dels usuaris en la transmissió de vídeo en Internet Protocol Television (IPTV). També ho fem per a la transmissió de vídeo en Xarxes Heterogènies usant HTML5. Finalment proposem un algoritme i un protocol per a millorar QoE de la transmissió de vídeo en xarxes emprades per al monitoratge ambiental, basant-nos principalment en un estudi fonamentat en la codificació en funció del color predominant del vídeo. En el següent capítol passem a proposar una nova arquitectura i un protocol per a la millora de la qualitat d'experiència d'extrem a extrem (I2I QoE) dels usuaris connectats a una videoconferència. Definim el procés del v José Miguel Jiménez Herranz sistema, la màquina d'estats finita i l'algoritme necessari per al seu correcte funcionament. Finalment presentem les diferents proves experimentals que s'han realitzat per a estudiar i determinar els millors sistemes de codificació, i el seu comportament en utilitzar tecnologies com SDN en xarxes de dispositius mòbils, en Xarxes Heterogènies usant HTML5 i en videoconferència. vi Acknowledgements Acknowledgements Para completar esta tesis he realizado un viaje a lo largo de estos últimos años, en el que he ampliado tanto mi aprendizaje profesional como personal, vinculado a la investigación científica. Ha sido un trabajo en el que siempre he encontrado ayuda y apoyo incondicional de mi director de tesis, Ph. D. Jaime Lloret Mauri, con el que he disfrutado de una gran cantidad de tiempo proponiendo y ajustando las ideas y los experientos que se han llevado a cabo y finalizado de forma positiva, obteniendo como resultado la presentación de la tesis. Su ayuda ha sido imprescindible, sobre todo en aquellas situaciones que presentaban una gran dificultad para la obtención de resultados, momentos en los que la moral y los animos sufren una gran bajada, y él siempre demostraba un entusiasmo y fortaleza que transmitía constantemente. También quiero agradecer su esfuerzo por la revisión de cada uno de los diferentes trabajos desarrollados y la revisión final de la tesis. A lo largo de este viaje, he compartido también mis dudas y descubrimientos con compañeros, que en todo momento me han prestado una generosa colaboración, tanto en la preparación de material como realización de test que han permitido obtener los resultados que presento en esta tesis. Ha sido muy valiosa para mí la ayuda proporcionada por Juan Ramón Díaz Santos, Sandra Sendra Compte, Lorena Parra Boronat, Oscar Romero Martinez, Albert Rego Mañez, Alejandro Canovas Solves, Laura Garcia Garcia y Miran Taha. Quiero destacar el consejo, asesoramiento y paciencia de mi amigo Juan Ramón. Siempre he tenido en cuenta sus buenos consejos, que me han proporcionado puntos de vista diferentes a la hora de tomar vii José Miguel Jiménez Herranz decisiones para solucionar los problemas que se han presentado. Ha sido un gran compañero de trabajo a lo largo de muchos años, realmente el compañero y amigo que todos deseamos tener. Siempre he encontrado en él a la persona comprometida y afable que presta su ayuda de forma desinteresada, siendo un ejemplo de humildad y buen hacer. Gracias Juan por permitirme ser tu amigo. También quiero agradecer la ayuda proporcionada por Vicente Ferran de Yranzo, para mí un hermano con el que no comparto apellidos, tanto de forma moral como material. No puedo olvidar en este apartado de agradecimientos a Pascal Lorenz, de la Universidad de Haute Alsace, que me acogió durante mi estancia en su laboratorio de investigación. Por último, quiero agradecer a Teresa mi esposa la paciencia, el cariño, el apoyo y la ayuda que siempre ha mostrado en momentos de adversidad, y que me ha permitido superar los retos que se han presentado. Gracias a todos. viii Abbreviations Abbreviations 5G Fifth Generation Wireless Systems AP Access Point ARTS Advanced Real Time Streaming ASICs Application Specific Integrated Circuits AT&T American Telephone and Telegraph AVC Advanced