Streaming de vídeo sobre redes móviles ad hoc inalámbricas

Motivación

Al final de los años 90, el subcomité IEEE 802.11 adoptó el término “modelo ad hoc” para denominar a un nuevo paradigma de comunicación en el cual los nodos cercanos se pueden comunicar directamente explotando tecnologías inalámbricas como Zigbee (IEEE 802.15.4), Bluetooth (IEEE 802.15.1), Wi-Fi (802.11) o WiMAX (802.16). Las primeras aplicaciones comerciales de la tecnología ad hoc permitían establecer un red ad hoc con un único salto, que es la forma más simple de redes sin infraestructura o redes auto-organizadas, interconectando dispositivos que están en el mismo rango de transmisión. Sin embargo, pronto apareció el paradigma multisalto, a menudo nombrado como Redes Ad hoc Móviles (MANETs), que fue concebido para permitir el intercambio de información con cualquier nodo inalámbrico, sin la necesidad de desarrollar ninguna infraestructura de red. En MANETs, los usuarios cercanos se comunican directamente (configurando sus interfaces de red inalámbricas en modo ad hoc), no sólo para intercambiar sus datos sino para redirigir el tráfico de otros nodos de la red que no se pueden comunicar directamente. Por esta razón, en una MANET, los dispositivos inalámbricos deben proporcionar de forma cooperativa la funcionalidad que normalmente proporciona la infraestructura de la red (por ejemplo, routers, switches, servidores…). La Figura 1 muestra una representación conceptual de una MANET. En muchas situaciones como catástrofes o emergencias, donde no hay infraestructuras o no puede ser instalada por razones geográficas o meteorológicas, esta clase de red es una solución ideal.

Figura 1. Representación conceptual de una red móvil ad hoc

Además, una red móvil ad hoc no sólo trabaja en un modo aislado, sino que se puede conectar a un escenario mayor como el mostrado en la Figura 2. Con la llegada de nuevas arquitecturas de red, nuevos escenarios están apareciendo como aplicaciones de MANETs, por ejemplo Smart Cities e IoT (Internet de las Cosas). En este sentido, las redes móviles ad hoc se están convirtiendo en una parte importante de la próxima generación de redes, debido a su flexibilidad, capacidad de autoconfiguración, ausencia de infraestructura, facilidad de mantenimiento, capacidad de auto-gestión y reducido coste.

Figura 2. MANET proporcionando servicios de Internet a un área sin infraestructura

En este contexto, ha habido una gran cantidad de investigación en la comunidad académica con respecto a las redes móviles en las dos últimas décadas. Tomando como referencia la pila de protocolos MANET del grupo de trabajo de MANET de la IETF (Figura 3), todas las capas han sido objeto de estudio. Algunas mejoras en la capa física incluyen el uso de antenas direccionales, esquemas mejorados de procesamiento de la señal, radio definida por software, y tecnologías mesh; mientras que en la capa MAC ha habido diversas propuestas para el control de colisiones y el consumo eficiente de energía. Sin embargo, la mayoría de trabajos de investigación se han centrado en la capa de red [2]-[7], mientras que las áreas donde la temática de las MANETs han tenido menos actividades de investigación [1] han sido en las capas superiores.

Una de las áreas más importantes de investigación en MANETs son las aplicaciones multimedia. En los últimos años, un tema de gran importancia es el streaming de vídeo sobre MANETs, debido principalmente a la gran popularidad de los dispositivos móviles, como smartphones y tablets. Además, la capacidad computacional de estos dispositivos está creciendo de una forma muy rápido y, al mismo tiempo, la demanda de contenido multimedia desde dispositivos móviles está aumentando considerablemente.

Figure 3. Pila de capas MANET propuesta por el grupo de trabajo IETF MANET [1]

Soportar servicios de streaming de vídeo en redes móviles ad hoc presenta muchos desafíos debido a la dificultad de proporcionar una cierta calidad en el medio inalámbrico compartido y a la topología dinámica de las MANETs [8]. Estos problemas implican la necesidad de desarrollar nuevos protocolos de enrutamiento para obtener rutas eficientes entre los nodos para que la información esté disponible en los nodos destino de manera fiable y a tiempo. Por tanto, los protocolos de enrutamiento deben tener un buen funcionamiento en términos de sobrecarga, convergencia de rutas y consumo de ancho de banda, incluso cuando hay variaciones en la carga de tráfico o el número de nodos. Además de los protocolos de enrutamiento, el envío de video se puede mejorar a través de técnicas cross-layer, ya que algunas funcionalidades no se pueden asignar a una única capa (por ejemplo, control de energía y cooperación). Las soluciones cross-layer prácticas pueden intentar mejorar las comunicaciones obteniendo de diversas capas información sobre enrutamiento o del estado de la red, con el objetivo de permitir a las aplicaciones multimedia adaptar las tasas de transmisión o solicitar paquetes perdidos recientes [9]. Esta clase de técnica podría ser muy versátil para manejar situaciones con congestión de red o degradación notable del vídeo causado por la mobilidad de los nodos. Así, a pesar de la complejidad de proporcionar una buena Calidad de Experiencia (QoS) para aplicaciones multimedia sobre MANETs, existen muchas opciones para mejorar la calidad del streaming de vídeo, a través del uso de soluciones holísticas que implican las capas de aplicación, transporte y enrutamiento.

En este sentido, el streaming de vídeo sobre redes ad hoc móviles se ha estudiado en profundidad en nuestro grupo de investigación, dando lugar a la creación de tres principales líneas de investigación (pincha en cada una para más información):

Referencias

[1] S. Basagni, M. Conti, S. Giordano et al., “Mobile Ad Hoc Networking: The Cutting Edge Directions,” Wiley,  2nd Edition, 2013.
[2] M. K. Gulati and K. Kumar, “QoS routing protocols for mobile ad hoc networks: a survey,” Int. J. Wirel. Mob. Comput., vol. 5, no. 2, pp. 107–118, Jan. 2012.
[3] S. Zheng, L. Li, and Y. Li, “A QoS Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks Based on Multipath,” J. Netw., vol. 7, no. 4, 2012.
[4] L. Ullah Khan, S. A. Mahmud, M. H. Zafar, G. M. Khan, and H. S. Al-Raweshidy, “M-AODV: Modified Ad Hoc On-demand distance vector routing scheme,” in 9th International Symposium on Communication Systems, Networks Digital Signal Processing (CSNDSP), 2014, pp. 18–22.
[5] J. Zhou, L. Liu, Y. Deng, and S. Huang, “A QoS Routing Protocol with Bandwidth Allocation in Multichannel Ad Hoc Networks,” Wirel. Pers. Commun., vol. 75, no. 1, pp. 273–291, Mar. 2014.
[6] M. Sanabani, R. Alsaqour, and S. Kurkushi, “A reverse and enhanced aodv routing protocol for manets,” ARPN J. Eng. Appl. Sci., vol. 9, no. 2, pp. 153–159, 2014.
[7] T. Coelho, A. Costa, J. Macedo, and M. J. Nicolau, “Improving Stability in QoS Routing for Ad-Hoc Networks,” Ad Hoc Networks, Eds. Springer International Publishing, 2014, pp. 121–133.
[8] Y. Xu, J. D. Deng, M. Nowostawski, and M. K. Purvis, “Optimized routing for video streaming in multi-hop wireless networks using analytical capacity estimation,” J. Comput. Syst. Sci., vol. 81, no. 1, pp. 145–157, Feb. 2015.
[9] S. Pudlewski, N. Cen, Z. Guan, and T. Melodia, “Video Transmission Over Lossy Wireless Networks: A Cross-Layer Perspective,” IEEE J. Sel. Top. Signal Process., vol. 9, no. 1, pp. 6–21, Feb. 2015.