Metodi di Allocazione delle Risorse per Comunicazioni Video su Reti Wireless

multiuser nelle reti cellulari 3G/4G ,le WLAN e le WMAN  da un punto di vista 
dell’allocazione delle risorse. 
B. Descrizione dei capitoli successivi. 
Nel primo capitolo si parlerà in generale del modello per l’allocazione delle 
risorse multiuser cross-layer adattato a un generico sistema per la trasmissione 
video packet-based,considerandone le caratteristiche ,le limitazioni e le 
complessità di implementazione .Si parlerà anche delle problematiche fisiche 
legate ai canali wireless e dei vantaggi che si possono ottenere facendo 
un’allocazione di risorse considerando congiuntamente i parametri di rete e i 
parametri di sorgente. Verranno sottolineati i legami tra le funzioni di 
costo,distorsione e tempo di trasmissione. Nel secondo capitolo ci si soffermerà 
sulle varie risorse da considerare a livello di rete come la potenza,l’energia,la 
codifica di canale,l’assegnazione di canale per far si che il canale sia condiviso tra 
gli utenti ,la modulazione adattiva e l’adaptive forward error correction (AFEC). 
Nel terzo capitolo si vedrà quali sono le strategie per un’efficiente codifica 
video,dando rilievo alla compressione video e alle dipendenze tra i frame che essa 
implica. Si descriverà brevemente la codifica scalabile specificando i vantaggi che 
arreca nelle trasmissioni video wireless. Si parlerà del controllo di errore 
all’encoder e al decoder per ottenere una trasmissione più robusta agli errori 
grazie alle tecniche come l’error-resilient e l’error-concealment. Mentre negli 
ultimi tre capitoli che sono il fulcro della tesi, si considererà l’allocazione di 
risorse multiuser cross-layer nelle reti 3G,nelle WLAN per le conferenze video,e 
per le reti di prossima generazione. In questi tre capitoli ci sarà una descrizione 
del sistema in cui applicheremo l’allocazione di risorse multiuser cross-layer ,la 
formulazione del problema e proporremo un algoritmo che rispetto ad altri 
migliorerà le prestazioni in termini di efficienza e di fairness.
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1 Allocazione di Risorse Multiuser Cross-
Layer per la trasmissione video. 
1.1 Principi del modello di Allocazione di Risorse Multiuser 
Cross-Layer.
Un sistema di video comunicazione può essere modellato in strati,ognuno con 
diverse risorse aventi i propri limiti. Possiamo associare ai parametri di risorsa 
delle serie finite di valori discreti. A differenza di un'architettura strict-layer,dove 
i strati di ciascun livello sono indipendenti tra loro e interagiscono mediante 
interfacce statiche ben definite,la struttura cross-layer sfrutta le interdipendenze 
tra i vari strati. Possiamo distinguere due differenti flussi di comunicazione: un 
flusso verticale ed uno orizzontale. Il flusso verticale rappresenta l'informazione 
che viene scambiata tra i vari strati in un generico nodo,al contrario,il flusso 
orizzontale rappresenta l'informazione che viene scambiata tra i strati 
corrispondenti presenti in nodi distinti, durante una loro comunicazione. In 
un'architettura strict-layer si privilegia il flusso orizzontale piuttosto che quello 
verticale,tendendo a consumare banda trasmissiva piuttosto che potenza di 
elaborazione e memoria. In una struttura cross-layer le informazioni scorrono 
verticalmente ,permettendo ai vari strati di adattare il proprio comportamento in 
funzione di quello degli strati inferiori o superiori. Per un sistema con design 
cross-layer ,l'allocazione di risorse è limitato verticalmente attraverso i vari strati. 
Per esempio,il consumo di banda per un uso nello strato di applicazione non 
potrebbe eccedere la capacità raggiungibile dallo strato fisico. Diversamente da un 
sistema monoutente ,in un sistema video wireless multiuser le risorse di rete sono 
condivise dai vari utenti,e allocare queste risorse ad un utente influenzerebbe le 
prestazioni degli altri utenti a causa della quantità limitata di risorse o delle 
interferenze dovute all'uso simultaneo delle risorse. Quindi l'allocazione di risorse 
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è limitato orizzontalmente tra gli utenti. A causa dell'eterogeneità nel tempo della 
sorgente video e delle condizioni di canale varianti nel tempo l'allocazione di 
risorse può essere eseguita dinamicamente nel tempo. Un sistema di video-
trasmissione multiuser non dovrebbe tener conto solo della qualità video di ogni 
singolo utente ma anche delle differenti prospettive dal punto di vista del livello di 
rete. In generale possiamo formulare il problema di allocazione di risorse come 
l'ottimizzazione degli obbiettivi di rete allocando le risorse tra i vari strati e tra i 
vari utenti soggetti alle limitazioni del sistema. I due obbiettivi di rete essenziali 
sono l'efficienza e la fairness , e deve esserci un compromesso tra le due. 
L'efficienza riguarda come ottenere la più alta qualità video sommata tra tutti gli 
utenti utilizzando le risorse di sistema disponibili. La fairness riguarda una 
divisione equa di qualità video tra gli utenti che sottoscrivono la stessa Qos. Per 
allocare le risorse di sistema a volte si richiede di ottenere informazioni aggiornate 
circa le risorse disponibili. In base alla comunicazione o al costo di computazione 
o all'esistenza di un'autorità centrale,i sistemi impiegano algoritmi centralizzati o 
distribuiti. In generale ottenere più informazioni sulle risorse disponibili in un 
dato momento porta ad ottenere migliori prestazioni ma richiede più overhead 
nella comunicazione. 
1.2  Panoramica sulla trasmissione video packet-based 
Illustriamo in questo paragrafo una panoramica ad alto livello di un sistema di 
trasmissione video packet-based. La figura 1.1 illustra i principali componenti di 
tale sistema. Il segnale video originale è inizialmente compresso nel video 
encoder  ; la compressione riduce il numero di bit utilizzati per descrivere la 
video-sequenza con l’ausilio della ridondanza spaziale e temporale, inoltre la 
codifica deve essere error-resilient per minimizzare gli effetti dovuti alle perdite o 
agli errori di canale. Lasciamo che S  rappresenti i parametri di codifica di 
sorgente. Successivamente il blocco trasmettitore pacchettizza lo stream video 
codificato e lo trasmette su un canale di trasmissione lossy. Lasciamo che N
rappresenti la serie di parametri di rete  che possono essere controllati dal 
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trasmettitore (per esempio il rate e la potenza del canale wireless). Nella maggior 
parte  dei sistemi di comunicazione qualche forma di CSI ovvero channel state 
information  è disponibile al mittente per stimare il fading in un canale wireless. 
Fig.1.1. diagramma di un sistema di videotrasmissione packet-based 
 Tali informazioni sono mandate dal ricevitore su un canale di feedback  per 
allocare efficientemente le risorse. Al ricevitore ,il flusso video demodulato viene 
processato dal video decoder, che effettua la correzione o la rivelazione degli 
errori . Assumiamo che i pacchetti corrotti siano scartati ,in quanto in un canale 
wireless la probabilità di un errore non rilevato e’ molto più piccola della 
probabilità che un pacchetto venga perso per il fading di canale. Il video decoder è 
responsabile della ricostruzione della sequenza video e può impiegare tecniche di 
error-concealment per nascondere le perdite avvenute nel canale. Il blocco 
controllore ha la responsabilità di adattare i parametri di codifica di sorgente S con 
i parametri di rete N in base alla conoscenza della strategia di concealment
adottata, del contenuto di sorgente e di ogni CSI disponibile. La scelta di S e di N
influenzano sia  la distorsione end-to-end  ,sia il ritardo end-to-end   e sia 
il costo totale per consegnare la sequenza video all’utente finale. Possiamo 
indicare tali dipendenze usando come notazioni
,  e .
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Le relazioni tra  e  ci aiutano a capire i compromessi per adattare le 
risorse rete-sorgente. La fig. 1.2 mostra la relazione tra la minima distorsione 
realizzabile ,il costo totale e il ritardo end-to-end. 
Fig.1.2. Relazione tra la minima   realizzabile  e
Per un dato ritardo ,  diminuisce  all’aumentare di  perché utilizzando 
più risorse di rete si riduce la probabilità di perdita di pacchetti e quindi  si 
minimizza la distorsione  dovuta agli errori di canale. Il costo di trasmissione per 
realizzare una certa distorsione  tipicamente decresce con l’aumentare di 
,infatti  per esempio, in un sistema wireless ,l’energia di trasmissione,richiesta 
per mantenere una certa probabilità di errore ,può essere ridotta aumentando il 
tempo di trasmissione e diminuendo la potenza di trasmissione. Infine per un dato 
,  aumenta al diminuire di .Infatti diminuendo il ritardo di 
trasmissione, meno bit potranno essere trasmessi sul canale  aumentando così la 
distorsione dovuta alla codifica di sorgente. 
1.3 Stima e caratterizzazione della Distorsione 
Una componente critica in ogni video trasmissione è la metrica per calcolare la 
qualità del segnale video ricevuto. Dal punto di vista del trasmettitore,la 
distorsione  al ricevitore può essere considerata come una variabile casuale.
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Fig1.3. Frame ricostruito.(a)Simulazione 1.(b)Simulazione 2. 
Per illustrare questo punto consideriamo la figura 1.3,dove e’ rappresentato lo 
stesso frame ma con due differenti realizzazioni di perdita di canale. Chiaramente 
la distorsione al ricevitore dipende da quali pacchetti saranno persi. Per codificare 
efficientemente e trasmettere una video sequenza, la metrica usata per calcolare la 
distorsione  deve tener conto della natura probabilistica del canale. Illustriamo 
due classi generali di metriche di Distorsione : 1)La prima classe consiste di 
metodi che misurano la qualità video dal valore atteso della distorsione nella 
sequenza ricevuta. 2)La seconda classe consiste di metriche il cui scopo è quello 
di produrre  una qualità più fluida  tenendo conto delle varie sorgenti di variazione 
di Distorsione. La metrica più comune usata nel valutare la qualità video nei 
sistemi di comunicazione è il valore atteso della distorsione,che tiene conto della 
probabilità di perdita. Il valore atteso della distorsione per il k-esimo pacchetto 
può essere scritto : 
                 (1.1) 
dove e’ la probabilità di perdita del k-esimo pacchetto. è il valore 
atteso della Distorsione se il pacchetto è ricevuto correttamente e tiene conto della 
distorsione dovuta alla codifica di sorgente. Mentre  è il valore atteso 
della distorsione se il pacchetto è perso, e tiene conto della distorsione dovuta alla  
tecnica  di error-concealment impiegata. Adattando N possiamo agire su .
Siccome la codifica predittiva e l’error-concealment introducono delle dipendenze 
tra i pacchetti ,la distorsione per un dato pacchetto viene ad essere anche funzione 
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