TU BRAUNSCHWEIG
| Carl-Friedrich-Gauß-Fakultät | Informatik
Informatikzentrum

Multimedia Gateway Architecture for Adaptive Content Distribution

Einleitung

Bei verteilten multimedialen Anwendungen müssen Ströme audiovisueller Medien mit hohen Datenraten über Kommunikationsnetze übertragen werden. Die sich hieraus ergebenden hohen Anforderungen können jedoch gerade bei der Nutzung von mobilen, drahtlos angebundenen Endgeräten aufgrund von Ressourcenlimitierungen (CPU, Speicher, Netz, Display) nicht immer erfüllt werden. Ein Ansatz zum Umgang mit derartigen Problemen ist die Anpassung der Medienströme an die Bedürfnisse des mobilen Endgerätes durch eine Umcodierung der Daten während der Übertragung an das Endgerät.

Im Rahmen dieses Projekts sollen Mechanismen und Protokolle zur Unterstützung mobiler Geräte bei Multimediaübetragungen untersucht und entwickelt werden. Hierzu soll ein Multimedia-System, bestehend aus mehreren Gateways, entwickelt werden, das Medienströme (Audio- und Video) in Echtzeit in ein gewünschtes Format umwandeln bzw. die Qualität und somit die Datenrate eines Stromes verringern kann. Aufgrund der Mobilität der Clients soll während einer Medienübertragung ein Wechsel von einem Gateway zu einem anderen möglich sein.

Ziele

Das übergreifende Ziel dieses Projektes ist es, ein auf RTSP und RTP basierendes Gesamtsystem zu entwickeln, das Benutzern mobiler Geräte einen flexiblen sowie an deren Bedürfnisse und Möglichkeiten angepassten Zugang zu multimedialen Inhalten bietet. Realisiert werden soll dieses System mit Hilfe von Multimedia-Gateways, die jeweils als Proxy zwischen Medienserver und Client agieren. Die Anforderungen, die an das System gestellt werden lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  1. Das System soll verschiedene Transcodingtechniken unterstützen, die dynamisch zur Laufzeit geladen werden können.
  2. Aus Sicht der Endbenutzer soll eine hohe Transparenz des Systems erreicht werden. Das heißt, dass die Existenz des Multimedia-Gateways dem Benutzer eines mobilen Gerätes im Idealfall vollständig verborgen bleibt.
  3. Die Auswahl des einzusetzenden Transcodingverfahrens findet auf dem benutzten Gateway anhand von Ausstattungsmerkmalen des Clients sowie weiterer Informationen über den gewünschten Medienstrom und den aktuellen Zustand des Gesamtsystems statt.
  4. Die Mobilität der Benutzer muss berücksichtigt und durch geeignete Maßnahmen unterstützt werden.
  5. Zwischen den einzelnen Gateways innerhalb des Systems soll ein Lastausgleich zur besseren Unterstützung mehrerer Clients stattfinden.
  6. Die Netzlast sollte durch den Einsatz geeigneter Cachingstrategien in den Gateways möglichst reduziert werden.
  7. Die Multimediaübertragung soll auf den Internet Standardprotokollen RTP und RTSP basieren.
  8. Es sollen möglichst geringe Anforderungen an den Client gestellt werden. Für eine Nutzung des Systems sollte ein standardkonformer RTP/RTSP-Client ausreichen wobei optimaler Komfort für den Benutzer nur mit angepassten Clients erreicht werden kann.

Durch die geplante Gateway-Architektur wird eine sehr hohe Flexibilität und Unabhängigkeit von den verschiedenen Implementationen der Medienserver erreicht. Ein alternativer Ansatz wäre die Integration der Transcodingtechniken in die verschiedenen Medienserver. Dadurch würde das Transcoding jedoch nur für Ströme solcher Server zur Verfügung stehen, die auf genau solch einer Implementation basieren. Zusätzlich würde die Umwandlung der Daten bei einer hohen Nachfrage sehr schnell zum Flaschenhals der Multimediaübertragung von diesem Server werden. Bei der Benutzung von Gateways hingegen stehen den Nutzern die Transcodingtechniken für Multimediaströme aller erreichbaren Server zur Verfügung und durch den Einsatz mehrere Gateways in einem Netz ist es möglich, eine Lastverteilung auch bei hohen Nachfragen zu erreichen.

System Architecture

Zur Realisierung dieses Systems müssen die Architektur des Proxy-Systems sowie die Mechanismen und Protokolle für die folgenden Teilbereiche erforscht werden.

  1. Service Location
    Für die Initialisierungsphase vor einer Multimediaübertragung ist es notwendig, dass das Clientprogramm auf einem mobilen Gerät den durch das System bereitgestellten Dienst finden und nutzen kann. Da das System aus mehreren Gateways besteht, muss also ein geeignetes Gateway gefunden werden. Falls mehrere Gateways prinzipiell zur Verfügung stehen, so muss eine Auswahl erfolgen, wofür ebenfalls geeignete Verfahren zu untersuchen sind.
  2. Capability Exchange
    Aus Sicht der Nutzer sollte die Benutzung der Multimedia-Gateways so einfach und transparent wie möglich sein. Das bedeutet, dass der Konfigurationsaufwand auf der Seite des Clients minimiert werden und im Idealfall vollständig entfallen sollte. An das Clientprogramm sollten hierbei jedoch möglichst geringe Anforderungen bzgl. des Ressourcenbedarfs gestellt werden. Aus diesem Grund ist auch die Entscheidung über das Ausgabeformat sowie das einzusetzende Verfahren des Transcodingprozesses im Gateway zu treffen. Dies ist auch deshalb sinnvoll und notwendig, da nur das Gateway selbst über die von ihm unterstützten Formate Kenntnis hat und seine eigene Ressourcenkapazität und -auslastung kennt. Um nun solche Entscheidung auf dem Gateway treffen zu können, muss dieses jedoch Informationen darüber erhalten, welche technische Ausstattung das Endgerät besitzt. Insbesondere die Größe des Displays bzw. die gewünschte Anzeigegröße, die Leistungsfähigkeit des Prozessors, die unterstützten Medienformate sowie die verfügbare Bandbreite der Netzanbindung sind für die Entscheidung relevant. Der Austausch dieser Informationen sollte vollständig automatisiert werden, wobei eine manuelle Konfiguration für Clientprogramme, die diese automatische Konfiguration nicht beherrschen, ebenfalls vorgesehen sein sollte.
  3. Mobile Clients
    Für eine einfache Handhabung durch den Endbenutzer ist es notwendig, ein optimiertes Clientprogramm zu entwickeln, das die Möglichkeiten des Systems optimal ausnutzen kann. Dieses Programm soll auf verschiedene Plattformen portiert werden, damit die Eigenschaften verschiedener mobiler Geräten, wie z.B. PDAs, untersucht und berücksichtigt werden können.
  4. Load Balancing and Gateway Handover
    Damit das System mehreren Benutzern zur Verfügung steht und die Mobilität der Geräte unterstützt werden kann, ist es notwendig, Verfahren zu entwickeln, die eine Migration einer aktiven Übertragung auf ein anderes Gateway erlauben. Bewegt sich ein Client z.B. und eröffnet sich dadurch eine günstigere Verbindung zu einem anderen Gateway, so sollte eine Migration in Betracht gezogen werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass durch die Migration bei der Darstellung des Multimediastroms auf dem Endgerät keine erkennbaren Störungen auftreten dürfen, damit dieser Vorgang vor dem Benutzer verborgen bleibt.
  5. Cachingstrategien
    Für eine Reduktion der Netzlast zwischen Medienserver und Gateway, ist es sinnvoll, während einer Multimediaübertragung, den Datenstrom auf dem Gateway abzuspeichern, damit dieser bei einer erneuten Anforderung direkt vom Gateway übertragen werden kann. Hierbei gilt es insbesondere, über klassische Caching-Fragestellungen wie Ersetzungsstrategien hinaus, Caching-Strategien zu entwickeln, die sich mit dem Einsatz von Transcodingtechniken vereinbaren lassen. So ist beispielsweise die Frage zu klären, in welchem Format und welcher Qualität die Speicherung erfolgen soll (in der Originalversion, einer transcodierten eines bestimmten Formats, etc.)
  6. Transcodingmodule
    Für eine hohe Flexibilität des geplanten Systems sowie resultierend aus der Feststellung, dass kein optimales Transcodingverfahren für alle Situationen existiert ist es notwendig, verschiedene Transcodingmodule zu implementieren. Darüber hinaus sind die verschiedenen Module auch für eine sinnvolle Evaluation des Gesamtsystems notwendig. Die einzelnen Module kön"-nen von den Gateways zur Laufzeit, in Abhängigkeit der durch das Capability Exchange erhaltenen Informationen, geladen werden.

Projektmitglieder

Name EMail Telefon Raum
Dr. Jens Brandt brandt[[at]]ibr.cs.tu-bs.de
Dr. Verena Kahmann
Prof. Dr.-Ing. Lars Wolf wolf[[at]]ibr.cs.tu-bs.de +49 531 3913288 138

Bei Fragen zu diesem Projekt wenden Sie sich bitte an Dr. Jens Brandt.

Veröffentlichungen und Vorträge

Studien- und Diplomarbeiten zu diesem Projekt

Titel Art Betreuer Status
Signalisierung von Benutzeranforderungen zur Anpassung von Videoströmen Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Gateway Discovery Mechanismen für mobiles Multimedia Streaming Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Indexierung von Dokumenten in Open-Access-Repositorien HiWi Job Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Betrieb eines verteilten Volltextindex HiWi Job Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Evaluation von Indizierfilter für die Plagiatsuche HiWi Job Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Entwicklung eines Softwaremoduls für die Empfangssteuerung modularer Dienste Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Design und Implementation eines RTSP/RTP-Proxys in Java Diplomarbeit Dr. Jens Brandt, Matthias Dick abgeschlossen
Mehrdimensionales MPEG-4 Transcoding Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Multimedia Caching Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Entwurf und Implementation eines Video Clients für mobile Geräte Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
MPEG-4 Transcoding Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Open-Access Harvesting Bachelorarbeit, Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Peer-to-Peer Systeme und Techniken Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Entwurf und Implementation einer Bibliothek zur Nutzung eines DSP zur Videodecodierung HiWi Job Dr. Jens Brandt, Dr. Zefir Kurtisi abgeschlossen
Development of an automatic rate-control module for MPEG-4 transcoding Masterarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Design und Implementation eines RTSP-Clients in Java Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Übertragung von Streaming Sessions zwischen Multimedia Gateways Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Untersuchung der Akzeptanz verschiedener Anpassungsmethoden für Videoströme Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
MPEG-4 Video Merging Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Videoqualitätsbewertung über das Internet Diplomarbeit Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Entwurf und Implementierung eines Reflectors für das komssys-Streamingsystem Studienarbeit Dr. Verena Kahmann, Dr. Jens Brandt abgeschlossen
Umsetzung einer Ähnlichkeitsanalyse durch direkten Dokumentenvergleich Bachelorarbeit, Studienarbeit Dr. Jens Brandt abgebrochen
Caching of MPEG-4 Streams Studienarbeit Dr. Jens Brandt, Dr. Verena Kahmann abgebrochen
Übertragung von Videodaten per Fahrzeug zu Fahrzeug Kommunikation Diplomarbeit Dr. Jens Brandt, Dr. Sven Lahde abgebrochen
Analyse, Entwurf und Implementierung von Mechanismen zur effizienten Nutzung von Ressourcen in einem Netz von Reflektoren Diplomarbeit Dr. Verena Kahmann, Dr. Jens Brandt abgebrochen
Service Composition für Multimedia-Anwendungen Diplomarbeit Dr. Verena Kahmann, Dr. Jens Brandt abgebrochen

aktualisiert am 12.05.2006, 17:25 (dynamischer Inhalt) von Dr. Jens Brandt
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