Smart Client-Server Protocol and Architecture for Adaptive Multimedia Streaming

Abstract

En los últimos años, el consumo de servicios multimedia ha aumentado y se prevé que esta tendencia continúe en un futuro próximo, convirtiendo el tema de la evaluación de la Calidad de la Experiencia (QoE) en un tema muy importante para valorar el servicio de los proveedores. En este sentido, la optimización de la QoE recibe cada vez más atención ya que las soluciones actuales no han tenido en cuenta, la adaptación, la viabilidad, la rentabi-lidad y la fiabilidad. La presente memoria se centra en la caracterización, diseño, desarrollo y evaluación de diferentes aplicaciones multimedia, con el fin de optimizar la QoE. Por tanto, este trabajo investiga la influencia que la infraestructura de redes, las características de los videos y los terminales de los usuarios, presentan en la QoE de los servicios multimedia actuales en Internet. Esta tesis se basa en la investigación exhaustiva de la evaluación subjetiva y objetiva de QoE en redes heterogéneas. Los desafíos y cuestiones relacionados con el estado de la técnica y se discuten en esta disertación. En la primera fase, diseñamos una metodología de prueba para evaluar la QoE en la transmisión de video en directo y a través de plataformas de video bajo demanda en redes Wi-Fi y celulares. A partir de esta fase inicial, propondremos los problemas a investigar y las preguntas para resolver a lo largo de esta disertación. Nuestra metodología hace uso de métricas subjetivas y objetivas para evaluar la QoE percibida por los usuarios finales. Se realiza un conjunto de experimentos en laboratorio donde nuestra metodología de pruebas es aplicada. Los resultados obtenidos se recopilan y analizan para extraer las relaciones entre la Calidad de servicio (QoS) y QoE. A partir de estos resultados, se propone un mapeo de QoS-QoE que permite predecir la QoE. En la siguiente fase de la investigación, desarrollamos los algoritmos de optimización de QoE basados en la administración del sistema de red para redes Wi-Fi y celulares. Los algoritmos usan los parámetros clave que se tuvieron en cuenta para la evaluación de QoE. El objetivo de estos algorit-mos es proporcionar un sistema de gestión flexible para las redes con el ob-jetivo de lograr un equilibrio controlado entre la maximización de QoE y la eficiencia del uso de los recursos. Por último, se diseña el banco de pruebas del sistema para evaluar el rendimiento de las aplicaciones de servicios multimedia genéricos en los diferentes entornos de prueba. El banco de pruebas del sistema se basa en el enfoque de virtualización; usa los recursos compartidos de un hardware fí-sico para virtualizar todos los componentes. El banco de pruebas virtualiza-do proporciona funciones de red virtualizadas para diferentes escenarios, como Internet (las redes de distribución de contenido - CDNs) y redes inalámbricas. Por lo tanto, se adoptan protocolos livianos y mecanismos ágiles en el sistema, para proporcionar un mejor servicio a los usuarios fina-les. Los resultados de QoE son proporcionados a los proveedores de servi-cios de acuerdo con los parámetros que se definen en el proceso de la eva-luación. Como resultado hemos obtenido un sistema que presenta un servi-cio rentable como una forma factible para la evaluación de la prueba.

In recent years, multimedia services consumption has increased and it is expected that this trend will continue in the near future, becoming the evaluation of Quality of Experience (QoE) as a very important issue for assessing the quality of providers' services. In this sense, the optimization of the QoE is progressively receiving much attention considering that current solutions are not based on the adaptation, feasibility, cost-effectiveness, and reliability. The present dissertation is focused on the characterization, design, development and evaluation of different multimedia applications aimed to optimize the QoE. Therefore, this work investigates the influence that the networks infrastructure, the videos' characteristics and the users' terminals present on QoE of the current Internet multimedia services. The work is based on a comprehensive research of subjective and objective assessments in heterogeneous networks. Challenges and research questions related to the state of the art are discussed in this dissertation. In the first phase of this dissertation, we design a test methodology for assessing QoE of live video streaming and video on demand platforms to be transmitted over Wi-Fi and cellular networks. From this initial step, we will propound the related research issues and questions to solve this dissertation. Our methodology considers the use of subjective and objective metrics to evaluate the QoE perceived by end-users. A set of laboratory experiments is conducted where our proposed methodology is applied. The obtained results are gathered and analyzed to extract the relations between Quality of Service (QoS) and QoE. From the results, we propose a QoS-QoE mapping which allows predicting QoE. In the next phase of the research, we develop QoE-optimization algorithms based on network system management for Wi-Fi and cellular networks. The algorithms use the key parameters that were taken into account for QoE assessment. The goal of these algorithms is to provide a flexible management system for the networks in order to achieve the desirable trade-off between QoE maximization and resource usage efficiency. Lastly, the system testbed is designed in order to evaluate the performance of generic multimedia services applications for the different environments under test. The system testbed is based on virtualization approach; it uses the shared resources of a physical hardware to virtualize all components. The virtualized testbed provides virtualized network functions for the different scenarios such as the Internet (Content Delivery Networks - CDNs) and wireless networks. Therefore, lightweight protocols and agile mechanisms are adopted in the system to provide enhanced service to end-users. The QoE results are reported to the service providers according to the parameters defined in the evaluation process. As a result, we have obtained a cost-effective system, which is considered as a feasible way for test evaluation.

En els últims anys, el consum de serveis multimèdia ha augmentat i es preveu que aquesta tendència continue en un futur pròxim, convertitnt el tema de l'avaluació de la Qualitat d'Experiència (QoE) una tasca molt im-portant per a valorar el servei dels proveïdors. En aquest sentit, l'optimització de la QoE rep cada vegada més atenció degut a que les solucions actuals no tenen en compte, l'adaptació, la viabilitat, el rendiment i la fiabilitat. La present memòria se centra en la caracterització, disseny, desenvolupament i avaluació de diferents aplicacions multimèdia, amb la finalitat d'optimitzar la QoE. Per tant, aquest treball investiga la influència que la infraestructura de les xarxes, les característiques dels videos i els terminals dels usuaris tenen sobre la QoE dels serveis multimèdia actuals d'Iinternet. Aquesta tesi es basa en una recerca exhaustiva de l'avaluació subjectiva i objectiva de QoE en xarxes heterogènies. Els desafiaments i preguntes relacionats amb l'estat de la tècnica es discuteixen en aquesta dissertació. En la primera fase, dissenyem la metodologia de prova per a avaluar la QoE de transmissió de video en directe i de plataformes de video baix demanda en xarxes Wi-Fi i cel·lulars. A partir d'aquest primer pas, proposem els problemes de recerca relacionats i les preguntes a resoldre a través d'a-questa tesi. La nostra metodologia fa ús de mètriques subjectives i objecti-ves per a avaluar la QoE dels usuaris finals. Es realitzen un conjunt d'expe-riments en laboratori on s'aplica la nostra metodología. Els resultats obtin-guts es recopilen i analitzen per a extraure les relacions entre la QoS i la QoE. A partir d'aquests resultats, esproposa un mapatge de QoS-QoE que ens permetrà predir la QoE. En la següent fase de la recerca, desenvolupem els algoritmes d'optimi-tzació de la QoE per a l'administració de xarxes Wi-Fi i cel·lulars. Els algo-ritmes utilitzen els paràmetres clau que es van tenir en compte per a l'ava-luació de QoE. L'objectiu d'aquests algoritmes és proporcionar un sistema de gestió flexible per ales xarxes que permetrá aconseguir un equilibri con-trolat entre la maximització de la QoE i l'us eficient dels recursos. Finalment, el banc de proves del sistema està dissenyat per a avaluar el rendiment de les aplicacions de serveis multimèdia genèrics en els diferents entorns de prova. El banc de proves del sistema es basa en l'enfocament de virtualització; usa els recursos compartits d'un equip físic que virtualitza tots els components. El banc de proves virtualitzat proporciona les funcions de xarxa virtualitzades per a diferents escenaris, com Internet (les xarxes de distribució de continguts - CDNs) i xarxes sense fils. Per tant, s'adopten protocols lleugers i mecanismes àgils en el sistema per a proporcionar un millor servei als usuaris finals. Els resultats de QoE son proporcionats als proveïdors de serveis d'acord amb els paràmetres que es defineixen en el procés de l'avaluació. Com a resultat, hem obtés un sistema que presenta un servei rendible i com a viable per a l'avaluació de la prova.