Cette thèse traite de l’amélioration du transfert de données, d’une part sur les réseaux sans-fils et d’autre part pour des données continues telles que la vidéo. Pour améliorer les transmissions sur les réseaux sans-fils nous nous sommes intéressés au contrôle de congestion des protocoles de transport mais nous avons également proposé une méthode pratique d’adaptation de la vidéo aux conditions du réseau.Cette thèse contient donc deux volets. La première porte sur la différenciation de pertes entre les pertes de congestion et les pertes sur le réseau sans fil. Il est connu que lors d’une perte, les protocoles de transport actuels réduisent le débit (par deux par exemple). Or, pour les pertes sans fil, cela n’a pas d’intérêt. Pour différencier ces pertes sur l’émetteur des données, nous proposons une méthode originale qui utilise à la fois ECN (Explicit Congestion Notification) et le changement sur le RTT du paquet qui suit la perte. La seconde propose une méthode originale d’adaptation vidéo au niveau de la couche application sur l’émetteur. Avec l’arrivée des vidéos à bitrate élevés (HD, 3D) et l’augmentation constante mais irrégulière des bandes passantes réseau, la qualité vidéo à l’utilisateur reste à la traîne : elle est non-optimale (bitrate beaucoup plus petit ou plus grand que le débit disponible) et non adaptable (aux conditions dynamiques du réseau). Nous proposons une méthode très simple à implémenter, puisqu’elle ne requiert qu’une modification côté émetteur au niveau de la couche application. Elle adapte en permanence le bitrate de la vidéo aux conditions du réseau, autrement dit elle fait un contrôle de congestion sur l’émetteur. La visioconférence est un cas d’application idéal. Cette méthode fonctionne au-dessus de tout protocole de transport avec contrôle de congestion (TCP, DCCP), ce qui lui confère aussi la propriété de TCP-friendliness. / This thesis deals in improving the data transfer on wireless networks and for the continuous data such as video. To improve transmission over wireless networks, we were interested in congestion control transport protocols and we also proposed a practical method for adjusting the video rate to network conditions.This thesis composes of two parts. The first part concerns the loss differentiation between congestion losses and losses on the wireless network. It is known that when there is a loss, transport protocols reduce the current sending rate (e.g. by two). However, for wireless losses, it has no interest in reducing the rate. To differentiate these losses on the data senders side, we propose a novel method that uses both the ECN (Explicit Congestion Notification) and the change of RTT of the packet following the loss. The second part proposes a novel method for video adaptation at the application layer of the sender. With the advent of high bitrate video (e.g. HD, 3D) and steadily increasing but irregular network bandwidth, video quality to the user lags. It is non-optimal (bitrate is highly smaller or larger than the available bandwidth) and not adaptable (to the dynamic conditions of the network). We propose a simple method to implement, since it requires a change only at the application layer of the sender. It adapts the bitrate of the video to the network conditions, i.e. it is a congestion control on the transmitter. Videoconferencing is an ideal case for the application of adaptation. This method works over any transport protocol with congestion control (e.g. TCP, DCCP), which also confers the property of TCP-friendliness.

Poussé par la demande croissante de services multimédia dans les réseaux Internet à haut débit, la technologie WIMAX a émergé comme une alternative compétitive à la solution filaire d’accès à haut débit. L’IEEE 802.16 constitue une solution qui offre des débits élevés en assurant une qualité de service (QoS) satisfaisante. En particulier, elle est adaptée aux applications multimédia qui ont des contraintes de QoS à satisfaire. Cependant, avec la présence d’utilisateurs hétérogènes qui ont des caractéristiques diverses en termes de bande passante, de conditions radio et de ressources disponibles, de nouveaux défis posés doivent être résolus. En effet, les applications multimédia doivent interagir avec leur environnement pour informer le réseau d’accès de leurs besoins en QoS et s’adapter dynamiquement aux variations des conditions du réseau.Dans ce contexte, nous proposons deux solutions pour la transmission des flux vidéo sur les réseaux 802.16 sur la base de l’approche Cross-layer. Nous nous intéressons à la fois à la transmission unicast et multicast sur le lien montant et descendant d’une ou plusieurs cellules WIMAX.Premièrement, nous proposons une architecture Cross-Layer qui permet l’adaptation et l’optimisation du streaming vidéo en fonction des ressources disponibles. Nous avons défini une entité CLO (Cross-Layer Optimizer) qui exploite des messages de gestion des flux de service, échangés entre BS et SS, au niveau MAC, pour déterminer l’adaptation nécessaire et optimale afin d’assurer le bon fonctionnement de l’application. Les adaptations se produisent en deux temps, lors de l'admission du flux et au cours de la session de streaming. L’analyse des performances, par simulations, de notre solution montre l’efficacité du CLO à adapter, d’une façon dynamique, le débit vidéo en fonction des conditions du réseau afin d’assurer une QoS optimale.Deuxièmement, nous proposons une solution de streaming multicast des flux vidéo dans les réseaux WIMAX. Cette solution permet de trouver un compromis entre la diversité des clients, en termes de conditions radio, de schémas de modulation et de ressources disponibles, ainsi que le format de codage vidéo hiérarchique SVC, pour offrir la meilleure qualité vidéo y compris pour les clients ayant de faibles conditions radio. En effet, cette solution permet à chaque utilisateur d’obtenir une qualité vidéo proportionnellement à ses conditions radio et à sa bande passante disponible. Pour atteindre cet objectif, plusieurs groupes multicast sont formés par couches vidéo SVC. Cette solution permet d’optimiser davantage les ressources radio et ainsi d’augmenter la capacité globale du système. / Driven by the increasing demand for multimedia services in broadband Internet networks, WIMAX technology has emerged as a competitive alternative to the wired broadband access solutions. The IEEE 802.16 is a solution that provides high throughput by ensuring a satisfactory QoS. In particular, it is suitable for multimedia applications that have strict QoS constraints. However, the users’ heterogeneity and diversity in terms of bandwidth, radio conditions and available resources, pose new deployment challenges. Indeed, multimedia applications need to interact with their environment to inform the access network about their QoS requirements and dynamically adapt to changing network conditions.In this context, we propose two solutions for video streaming over 802.16 networks based on Cross-Layer approach. We are interested in both unicast and multicast transmissions in uplink and downlink of one or more WIMAX cells.First, we proposed an architecture that enables Cross-Layer adaptation and optimization of video streaming based on available resources. We defined the entity CLO (Cross-Layer Optimizer) that takes benefits from service flow management messages, exchanged between BS and SS, at the MAC level, to determine the necessary adaptations / adjustment to ensure optimal delivery of the application. Adaptations occur at two epochs, during the admission of the video stream and during the streaming phase. The performance analysis, performed through simulations, shows the effectiveness of the CLO to adapt in a dynamic way, the video data rate depending on network conditions, and thus guarantee an optimal QoS.Second, we proposed a solution that enables IP multicast video delivery in WIMAX network. This solution allows finding the compromise between the diversity of end-user requirements, in terms of radio conditions, modulation schemes and available resources, along with the SVC hierarchy video format, to offer the best video quality even for users with low radio conditions. Indeed, we define a multicast architecture that allows each user to get a video quality proportionally to its radio conditions and its available bandwidth. Towards this end, several IP multicast groups are created depending on the SVC video layers. Subsequently, our solution allows optimizing the use of radio resources by exploiting the different modulations that can be selected by the end-users.

L’un des défis majeurs dans la convergence des réseaux et des services vers la technologie IP est le maintien de la qualité de service (QoS) des flux audio/vidéo transmis sur des réseaux sans fil pour des utilisateurs mobiles et hétérogènes. Dans cet environnement, les services multimédia doivent faire face à plusieurs inconvénients engendrés par le manque de fiabilité d’un canal sans fil et son partage par plusieurs utilisateurs. Ces inconvénients sont accentués par l’hétérogénéité des terminaux de réception (capacité de décodage, espace de stockage, résolution d’affichage, etc.) qui doivent recevoir, décoder et afficher les flux multimédia. Afin d’assurer un accès universel aux services n’ importe où, n’importe quand et en utilisant n’importe quel terminal d’accès, les applications multimédia de nouvelle génération doivent interagir avec leur environnement pour, d’une part, informer les réseaux sous-jacents de leur besoins en QoS, et d’autre part, adapter dynamiquement leurs services en fonction des terminaux de réception et des variations intempestives des conditions de transmission. Dans ce contexte, nous proposons un nouveau système pour la transmission des flux audio/vidéo sur les réseaux 802.11 basé sur l’approche Cross-layer. Ce nouveau système, appelé XLAVS (Cross Layer Adaptive Video Streaming), communique activement avec l’ensemble des couches réseaux ainsi que le récepteur final pour déterminer l’adaptation optimale qui permet d’optimiser la QoS des flux audio/vidéo. Nos contributions se focalisent principalement sur les adaptations Cross-layer mises en œuvre par le XLAVS. Ces contributions sont organisées en deux grandes catégories : les adaptations ascendantes exécutées au niveau applicatif et les adaptations descendantes exécutées au niveau MAC 802.11. Dans la première catégorie, notre apport s’articule au tour de : (1) l’adaptation dynamique du débit vidéo en fonction du débit physique disponible dans le réseau 802.11 et (2) l’adaptation conjointe du taux de redondance FEC et du débit vidéo contrôlée par la puissance du signal et les taux de perte. Dans la deuxième catégorie, nous proposons deux mécanismes Cross-layer au niveau MAC 802.11 : (1) une fragmentation 802.11 adaptative pour trouver un compromis entre les pertes de paquets et l’overhead introduit par les couches 802.11 et (2) un groupage des images vidéo au niveau MAC pour permettre au flux vidéo d’avoir un accès au canal 802.11 proportionnel à son débit. / One of the big challenges in the convergence of networks and services to the IP technology is to maintain the Quality of service (QoS) for audio/video streams transmitted over wireless networks to heterogeneous mobiles users. In this environment, the multimedia services should face many shortcomings caused mainly by the wireless channel unreliability and its sharing among many users. These shortcomings are increased by the terminals heterogeneity (i.e. decoding capability, memory storage, display resolution, etc.) which should receive, decode and display the multimedia streams. In order to allow universal access to multimedia services anywhere, anytime and using any kind of terminal, the new generation of multimedia applications have to interact with their environment, on the one hand, to inform the underling network about their need in term of QoS, and on the other hand, to dynamically adapt their services according to the receiver terminal and the changing in network conditions. In this context, we have proposed a new Cross-layer based streaming system to transmit audio/video streams over 802.11 networks. This new system, called XLAVS (Cross layer Adaptive video streaming), actively communicates with all network layers and the end receiver to determine the optimal adaptation that optimize the QoS of audio/video streams. Our contributions focus mainly on the Cross-layer adaptations implemented on the XLAVS. These contributions are classified into two major categories: the bottom-up adaptations performed at the application level and the top-down adaptations performed at the 802.11 MAC level. In the first category, our proposals have revolved around: (1) a dynamic adaptation of video throughput according to the physical rate available in the 802.11 network and (2) a join FEC and video throughput adaptation steered by the signal strength and the loss ratio. In the second category, we have proposed two Cross-layer mechanisms at the 802.11 MAC level: (1) an adaptive 802.11 MAC fragmentation to find an optimal trade-off between the packet loss and the overhead introduced by the MAC layer and (2) a video frame grouping at MAC level that allows video stream to get access to the 802.11 channel proportionally to its throughput.

Abstract This dissertation studies the impact of heterogeneous wireless networks on the design and implementation of mobile video streaming services. The aim is to enable Quality of Service (QoS) sensitive video streaming services to take full advantage of the access diversity of heterogeneous networks in order to optimize their operation in terms of quality and efficiency of network resource usage. This nevertheless requires support beyond the layered communication architecture of today’s Internet. The thesis proposes an architecture for end-to-end cross-layer signaling and control for video streaming systems. The architecture supports extensive context informa- tion transfer in heterogeneous networks; thus, enabling the efficient management of video stream adaptation and user terminal mobility in a diverse and dynamic network environment. This thesis also studies and proposes cross-layer enhancements for adaptive video streaming and mobility management functions enabled by the cross- layer architecture. These include cross-layer video adaptation, congestion-triggered handovers, and concurrent utilization of multiple access networks in the video stream transport. For the video adaptation and multipath transmission, the flexible adaptation and transmission capabilities of the novel scalable video coding technology are used. Regarding the mobility management, the proposed solutions essentially enhance the handover decision-making of the Mobile IP protocol to better support QoS-sensitive video streaming. Finally, the thesis takes a holistic view on the application adaptation and mobility management, and proposes a solution for coordinated control of these two operations in order to achieve end-to-end optimization. The resulting mobile video streaming system architecture and the cross-layer control algorithms are evaluated using network simulations and real prototypes. Based on the results, the proposed mechanisms can be seen to be viable solutions for improving video streaming performance in heterogeneous wireless networks. They require changes in the communication end-points and the access network but support gradual deployment. This allows service providers and operators to select only a subset of the proposed mechanisms for implementation. The results also support the need for cross-layer signaling and control in facilitating efficient management and utilization of heterogeneous wireless networks. / Tiivistelmä Väitöskirja tutkii langattomien ja heterogeenisen verkkoympäristöjen vaikutusta erityisesti mobiilikäyttöön suunnattuihin suoratoistovideopalveluihin (streaming). Työn tavoitteena on löytää keino optimoida verkkoyhteyden palvelunlaadulle (QoS) herkän suoratoistovideon toiminta sekä videopalvelun laadun että verkon tiedonsiirtokapasiteetin käytön osalta. Tämä tapahtuu mahdollistamalla heterogeenisten verkkojen tehokas käyttö suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Tavoitellut parannukset vaativat kuitenkin muutoksia nykyiseen kerroksittaiseen Internet-arkkitehtuuriin. Väitöskirjassa esitetään arkkitehtuuri protokollakerrosten välisen tiedon (cross-layer) välitykseen ja hyödyntämiseen suoratoistovideopalvelujen tiedonsiirron kontrolloinnissa. Arkkitehtuuria voidaan käyttää laaja-alaiseen kontekstitiedon välitykseen tietoverkoissa, mikä mahdollistaa tehokkaan videopalvelun adaptoinnin ja päätelaitteen liikkuvuudenhallinnan heterogeenisissa verkoissa, joissa palvelunlaatu vaihtelee. Väitöskirja myös ehdottaa erilaisia ratkaisuja videopalvelun adaptoinnin ja tiedonsiirron parantamiseksi arkkitehtuuria hyödyntämällä. Näihin lukeutuvat usealle protokollakerrokselle toteutettu videon adaptointi, verkkoyhteyden ruuhkautumiseen reagoiva yhteydensiirto sekä usean verkkoyhteyden samanaikainen käyttö videopalvelun tiedonsiirrossa. Videon adaptoinnissa ja siirrossa hyödynnetään uutta skaalautuvaa videonkoodausteknologiaa, joka mahdollistaa vaaditun, joustavan videobittivirran muokkauksen. Liikkuvuudenhallinnan osalta työssä keskitytään pääosin kehittämään Mobile IP -protokollan päätöksentekoa suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Lopuksi väitöskirjassa esitetään kokonaisvaltainen ja koordinoitu ratkaisu videopalvelun adaptoinnin sekä päätelaitteen liikkuvuuden hallintaan päästä päähän -optimoinnin saavuttamiseksi. Tuloksena esitetyt järjestelmäarkkitehtuuri ja protokollakerrosten välistä tietoa käyttävät hallinta-algoritmit evaluoitiin simulaatioiden ja oikeiden prototyyppien avulla. Tulokset osoittavat, että ehdotettuja menetelmiä voidaan käyttää parantamaan suoratoistovideopalvelujen suorituskykyä heterogeenisissa verkoissa. Ratkaisut vaativat muutoksia verkko- ja palveluarkkitehtuureihin, mutta niiden asteittainen tai osittainen käyttöönotto on mahdollista. Tulokset osoittavat myös protokollakerrosten välisen tiedon tarpeellisuuden langattomien ja heterogeenisten verkkojen tehokkaassa käytössä.

Avec l'hétérogénéité des réseaux et la demande croissante de services multimédias, la Qualité d'Expérience (QoE) devient un facteur déterminant de réussite ou d’échec de ces services. Dans cette thèse, nous avons d’abord analysé l'impact des paramètres de qualité sur l'engagement de l'utilisateur, afin de comprendre l’effet des paramètres vidéo (temps de démarrage, qualité intrinsèque, taux de blocage) et la popularité du service sur l'engagement de l'utilisateur. Nos résultats ont montré que le taux de blocage et la popularité du service sont des paramètres critiques qui impactent fortement la satisfaction et l'engagement de l’utilisateur, tandis que, le temps de démarrage a moins d’impact. Ensuite, les approches subjectives de QoE comme le Mean Opinion Score (MOS) ont été traité dans cette thèse, où les utilisateurs sont appelés à donner une note de satisfaction en fonction des informations de contextes. Une analyse statistique des résultats obtenus à partir de tests utilisateurs a montré que le type de terminal et de contenu sont des paramètres qui impactent fortement le MOS. En plus, des modèles mathématiques d’estimation de QoE en fonction des informations de contextes ont été proposés. Enfin, deux techniques d’optimisations ont été proposées : Le MDASH (MOS Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) pour l’optimisation vidéo de flux partageant les mêmes ressources, de manière à garantir une certaine QoE pour tous les utilisateurs. Et une optimisation de livraison, basée sur des fonctions d’utilités dans laquelle, une fonction globale d'utilité est calculée en fonction de différentes contraintes (qui dépendent fortement des stratégies des acteurs de la chaîne de livraison) / With the network heterogeneity and increasing demand of multimedia services, Quality of Experience (QoE) becomes a crucial determinant of the success or failure of these services. In this thesis, we first propose to analyze the impact of quality metrics on user engagement, in order to understand the effects of video metrics (video startup time, average bitrate, buffering ratio) and content popularity on user engagement. Our results show that video buffering and content popularity are critical parameters which strongly impacts the end-user’s satisfaction and user engagement, while the video startup time appears as less significant. On other hand, we consider subjective approaches such as the Mean Opinion Score (MOS) for evaluating QoE, in which users are required to give their assessment according to contextual information. A detailed statistical analysis of our study shows the existence of non-trivial parameters impacting MOS (the type of device and the content type). We propose mathematical models to develop functional relationships between the QoE and the context information which in turn permits us to estimate the QoE. A video content optimization technique called MDASH (for MOS Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) is proposed, which improves the perceived QoE for different video sessions sharing the same local network, while taking QoE fairness among users as a leitmotiv. We also propose a utility-based approach for video delivery optimization, in which a global utility function is computed based on different constraints (e.g. target strategies coming from the actors of the delivery chain)