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Mike Heidrich

• Die vorliegende Arbeit behandelt ein neues Verfahren für die adaptive selbstoptimierende Fehlerschutzeinstellung zur Steigerung der Robustheit bei der Übertragung skalierbar codierter Videodaten in drahtlosen lokalen Netzen. Das Ziel ist es, ein Einstellverfahren zu entwerfen, das durch eine selbstoptimierende adaptive Anpassung des ARQ-Fehlerschutzes eine robustere Übertragung skalierbar codierter Videodaten in drahtlosen lokalen Netzen erlaubt. Das softwarebasierte Verfahren wird in eine grundlegende Referenzarchitektur eingebettet, die auf Basis geeigneter Anwendungsszenarien konzipiert wird. Hierbei werden insbesondere die Szenarien eines um Videoübertragung erweiterten Behördenfunks und einer drahtlosen Heimvernetzung von Multimediageräten betrachtet, da diese eine hohe Relevanz für den Einsatz von robusten Videoanwendungen besitzen. Für den Entwurf des Einstellverfahrens ist es erforderlich, eine Referenzarchitektur für die drahtlose Übertragung zu spezifizieren, in die dasDie vorliegende Arbeit behandelt ein neues Verfahren für die adaptive selbstoptimierende Fehlerschutzeinstellung zur Steigerung der Robustheit bei der Übertragung skalierbar codierter Videodaten in drahtlosen lokalen Netzen. Das Ziel ist es, ein Einstellverfahren zu entwerfen, das durch eine selbstoptimierende adaptive Anpassung des ARQ-Fehlerschutzes eine robustere Übertragung skalierbar codierter Videodaten in drahtlosen lokalen Netzen erlaubt. Das softwarebasierte Verfahren wird in eine grundlegende Referenzarchitektur eingebettet, die auf Basis geeigneter Anwendungsszenarien konzipiert wird. Hierbei werden insbesondere die Szenarien eines um Videoübertragung erweiterten Behördenfunks und einer drahtlosen Heimvernetzung von Multimediageräten betrachtet, da diese eine hohe Relevanz für den Einsatz von robusten Videoanwendungen besitzen. Für den Entwurf des Einstellverfahrens ist es erforderlich, eine Referenzarchitektur für die drahtlose Übertragung zu spezifizieren, in die das Verfahren integriert werden kann. Die im Rahmen der Arbeit hierfür vorgestellte Architektur basiert auf einer mehrklassigen priorisierten Übertragung der verschiedenen Layer-Bitströme der skalierbaren Videocodierung. Die Auswahl dieses Ansatzes erfolgte auf der Basis einer erarbeiteten Klassifikationsmethodik anhand der verschiedene Varianten für Architekturen eingeordnet und durch Verfahren zum aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik belegt werden können. Als Architekturvarianten wurden dabei Ende-zu-Ende, Multipfad-Routing sowie die mehrklassige priorisierte Übertragung betrachtet. Auf Basis der Methodik sowie einer Aufstellung von Anforderungen und Randbedingungen wurde eine Bewertung der Architekturansätze durchgeführt und die für die Umsetzung günstigste Architekturvariante ausgewählt. In der vorgestellten Referenzarchitektur wird eine Kombination des Schedulings der Prioritätsklassen mit dem Medienzugriffsverfahren vorgesehen. Der Kern der Arbeit liegt im Entwurf des selbstoptimierenden adaptiven Einstellverfahrens SORA (Self Optimizing Retry Adaptation) für den ARQ-Fehlerschutz. Auf Basis eingehender simulativer Analysen des Fehler- und Lastverhaltens kann aufgezeigt werden, dass in der spezifizierten Referenzarchitektur Potential für die Steigerung der Robustheit durch Erweiterung des ARQ-Protokolls um eine adaptive Einstellung besteht. Bei dem ARQ-Protokoll, das auf der Wiederholung fehlerhaft übertragener Pakete basiert, erfolgt die Festlegung der Wirksamkeit des Fehlerschutzes durch Einstellung des Retry Limits. Dieser Parameter gibt an, wie viele Übertragungswiederholungen für ein Paket erlaubt sind. Die Anpassung des Retry Limits muss bei einer adaptiven Einstellung so erfolgen, dass bei der Übertragung eine minimale resultierende Paketfehlerrate erreicht wird. Dabei ist zu beachten, dass sich diese Fehlerrate sowohl aus Übertragungsverlusten des drahtlosen Kanals als auch aus Verlusten durch Überlastung in den Netzschnittstellen zusammensetzt. Aufgrund der Tatsache, dass bei Wiederholungen fehlerhafter Pakete die verfügbare Bandbreite beeinflusst wird, besteht zwischen beiden Verlustarten ein Zusammenhang. Für den Entwurf einer geeigneten Einstellstrategie ist es erforderlich, eine analytische Betrachtung durchzuführen, die eine Aussage liefert, unter welchen Bedingungen die angestrebte minimale Paketfehlerrate erreicht werden kann. Hierfür wird im Rahmen der Arbeit der aus der Literatur bekannte Ansatz des Fluid Modelings verwendet. Es wird ein geeigneter Modellansatz aufgestellt, interpretiert und durch Simulationen validiert. Als wesentlicher Beitrag im Vergleich zu bisherigen Arbeiten kann auf Basis der durchgeführten Untersuchungen gezeigt werden, dass eine optimale Einstellung immer dann gegeben ist, wenn eine hohe Gewichtung der Übertragungsverluste gegenüber den Lastverlusten erfolgt. Diese Erkenntnis wird für den Entwurf eines neuartigen Einstellverfahrens genutzt. Es kann weiterhin gezeigt werden, dass der gewählte Ansatz gleichzeitig zu einer grundlegenden Vereinfachung der Fehlerschutzeinstellung führt, da diese für eine mehrklassige priorisierte Übertragung einheitlich für alle Klassen erfolgen kann. Für das neue selbstoptimierende adaptive Einstellverfahren wurde eine umfassende simulative Leistungsbewertung unter normalen und extremen Betriebssituationen durchgeführt. Es kann durch die Leistungsbewertung gezeigt werden, dass unter normalen Betriebsbedingungen eine mittlere Verbesserung der Robustheit des Base Layers von 1,5% und in den Extremsituationen eine Verbesserung um bis zu 13% gegenüber den verwendeten Referenzszenarien erreicht werden kann. Nur durch das SORA-Verfahren kann in allen Fällen des Normalbetriebes eine Robustheit von über 97% erreicht werden, was die Anforderungen an eine qualitative Videoübertragung ausreichend erfüllt.…