Вдосконалення тензорної моделі адаптивної маршрутизації в інфокомунікаційній мережі із забезпеченням сприймаємої якості обслуговування за r-фактором

The object of research is the routing processes and ensuring the quality of experience in the infocommunication network. To conduct research an improvement of the adaptive routing tensor model in an infocommunication network with quality of experience by the R-factor is proposed. The basis was a floe-based routing model that took into account possible packet losses caused by congestion of network elements and was represented by the conditions for implementing a multipath routing strategy, conditions of the flow conservation and conditions for preventing overload of communication links. To obtain in an analytical form the conditions for ensuring the quality of experience in terms of the R-factor, a tensor description of the infocommunication network is carried out. This allowed obtaining of analytical expressions for calculating the average end-to-end delay and the probability of packet loss, which were used to formulate the QoE conditions in terms of the R-factor.In the framework of the proposed model, solving the technological problem of adaptive routing solutions are reduced to solving the optimization problem of nonlinear programming for calculating route variables. The introduced optimality criterion allowed it possible to ensure the adaptive nature of route decisions, when an increase in QoE requirements led to an increase in the amount of network resource used. To solve the problem, methods of mathematical programming were used, which are implemented in the MatLab package.A study on a fragment of the infocommunication network made it possible to evaluate the adequacy and effectiveness of the proposed model. Using the obtained research results, it was possible to ensure the fulfillment of the specified QoE requirements in terms of the R-factor for the services provided to end users. Using the proposed model is characterized by high efficiency on load balancing across multiple routes in the infocommunication network. This was evidenced by the fact that at a given value of the R-factor, with an increase in the intensity of traffic entering the infocommunication network, there was a gradual increase in the number of routes involved. In other words, the network resource was distributed evenly and efficiently by 7–10 % relative to known analogues, which, when solving the same problem, immediately use all possible routes.Объектом исследования являются процессы маршрутизации и обеспечение качества восприятия услуг в инфокоммуникационной сети, которые предоставляются конечным пользователям. Для проведения исследования в работе предложено усовершенствование тензорной модели адаптивной маршрутизации в инфокоммуникационной сети с обеспечением воспринимаемого качества обслуживания по R-фактору. За основу использовалась потоковая модель маршрутизации, которая учитывала возможные потери пакетов, вызванные перегрузкой элементов сети. Данная модель была представлена условиями реализации многопутевой стратегии маршрутизации, сохранения потока и предотвращения перегрузки каналов связи. Для получения в аналитическом виде условий обеспечения качества восприятия по показателю R-фактора осуществлено тензорное описание инфокоммуникационной сети. Это позволило получить аналитические выражения для расчета средней межконцевой задержки и вероятности потерь пакетов, которые были использованы для формирования QoE-условий по показателю R-фактора.В рамках предложенной модели решение технологической задачи адаптивной маршрутизации сведено к решению оптимизационной задачи нелинейного программирования по расчету маршрутных переменных. Введенный критерий оптимальности позволил обеспечить адаптивный характер маршрутных решений, когда повышение QoE-требований приводило к росту объемов использованного сетевого ресурса. Для решения поставленной задачи использовались методы математического программирования, которые реализованы в пакете MatLab.Проведенное исследование на фрагменте инфокоммуникационной сети позволило оценить адекватность и эффективность предложенного подхода. С помощью полученных результатов исследований удалось обеспечить выполнение заданных QoE-требований по показателю R-фактора к услугам, предоставляемым конечным пользователям. Использование предложенной модели характеризуется большей эффективностью по балансировке нагрузки по множеству маршрутов в инфокоммуникационной сети. Об этом свидетельствовало то, что при заданном значении R-фактора, с ростом интенсивности трафика, поступающего к инфокоммуникационной сети, осуществлялось постепенное увеличение количества задействованных маршрутов. Другими словами, сетевой ресурс распределялся равномерно и эффективно на 7–10 % относительно известных аналогов, которые при решении этой же задачи одновременно используют все возможные маршруты.Об'єктом дослідження є процеси маршрутизації та забезпечення якості сприйняття послуг, що надаються кінцевим користувачам, в інфокомунікаційній мережі. Для проведення дослідження в роботі запропоновано вдосконалення тензорної моделі адаптивної маршрутизації в інфокомунікаційній мережі із забезпеченням сприймаємої якості обслуговування за R-фактором. За основу було взято потокову модель маршрутизації, яка враховувала ймовірні втрати пакетів, викликані перевантаженням елементів мережі, та була представлена умовами реалізації багатошляхової стратегії маршрутизації, збереження потоку та запобігання перевантаження каналів зв'язку. Для отримання в аналітичному вигляді умов забезпечення якості сприйняття за показником R-фактору здійснено тензорний опис інфокомунікаційної мережі. Це дозволило отримати аналітичні вирази для розрахунку середньої міжкінцевої затримки та ймовірності втрат пакетів, які були використані для формування QoE-умов за показником R-фактору.В рамках запропонованої моделі рішення технологічної задачі адаптивної маршрутизації було зведено до розв’язання оптимізаційної задачі нелінійного програмування з розрахунку маршрутних змінних. Введений критерій оптимальності дозволив забезпечити адаптивний характер маршрутних рішень, коли підвищення QoE-вимог призводило до зростання об’ємів використаного мережного ресурсу. Для розв’язання поставленої задачі використовувались методи математичного програмування, які реалізовані в пакеті MatLab. Проведене дослідження на фрагменті інфокомунікаційної мережі дозволило оцінити адекватність і ефективність запропонованого підходу. За допомогою отриманих результатів досліджень вдалося забезпечити виконання заданих QoE-вимог за показником R-фактору до послуг, що надаються кінцевим користувачам. При цьому, використання запропонованої моделі характеризується більшою ефективністю щодо балансування навантаження за множиною маршрутів в інфокомунікаційній мережі. Про це свідчило те, що при заданому значенні R-фактору, з ростом інтенсивності трафіку, що надходить до інфокомунікаційної мережі, здійснювалось поступове збільшення кількості задіяних маршрутів. Тобто мережний ресурс розподілявся поступово та ефективніше на 7–10 % відносно відомих аналогів, які під час вирішення цієї ж задачі одразу використовують всі доступні маршрути

Quality of Service improvements for real time multimedia applications using next generation network architectures and blockchain in Internet Service Provider cooperative scenario

Real time communications are becoming part of our daily life, requiring constrained requisites with the purpose of being enjoyed in harmony by end users. The factors ruling these requisites are Quality of Service parameters of the users' Internet connections. Achieving a satisfactory QoS level for real time communications depends on parameters that are strongly influenced by the quality of the network connections among the Internet Service Providers, which are located in the path between final users and Over The Top service providers that are supplying them with real time services. Final users can be: business people having real time videoconferences, or adopting crytpocurrencies in their exchanges, videogamers playing online games together with others residing in other countries, migrants talking with their relatives or watching their children growing up in their home countries, people with disabilities adopting tecnologies to help them, doctors performing remote surgeries, manufacturers adopting augmented reality devices to perform dangerous tasks. Each of them performing their daily activities are requiring specific QoS parameters to their ISPs, that nowadays seem to be unable to provide them with a satisfactory QoS level for these kinds of real time services. Through the adoption of next generation networks, such as the Information Centric Networking, it would be possible to overcome the QoS problems that nowadays are experienced. By adopting Blockchain technologies, in several use cases, it would be possible to improve those security aspects related to the non-temperability of information and privacy. I started this thesis analyzing next generation architectures enabling real time multimedia communications. In Software Defined Networking, Named Data Networking and Community Information Centric Networking, I highlighted potential approaches to solve QoS problems that are affecting real time multimedia applications. During my experiments I found that applications able to transmit high quality videos, such as 4k or 8k videos, or to directly interact with devices AR/VR enabled are missing for both ICN approaches. Then I proposed a REST interface for the enforcing of a specific QoS parameter, the round trip time (RTT) taking into consideration the specific use case of a game company that connects with the same telecommunication company of the final user. Supposing that the proposed REST APIs have been deployed in the game company and in the ISP, when one or more users are experiencing lag, the game company will try to ask the ISP to reduce the RTT for that specific user or that group of users. This request can be done by performing a call to a method where IP address(es) and the maximum RTT desired are passed. I also proposed other methods, through which it would be possible to retrieve information about the QoS parameters, and exchange, if necessary, an exceeding parameter in change of another one. The proposed REST APIs can also be used in more complex scenarios, where ISPs along the path are chained together, in order to improve the end to end QoS among Over The Top service provider and final users. To store the information exchanged by using the proposed REST APIs, I proposed to adopt a permissioned blockchain, analizying the ISPs cooperative use case with Hyperledger Fabric, where I proposed the adoption of the Proof of Authority consensus algorithm, to increase the throughput in terms of transactions per second. In a specific case that I examined, I am proposing a combination of Information Centric Networking and Blockchain, in an architecture where ISPs are exchanging valuable information regarding final Users, to improve their QoS parameters. I also proposed my smart contract for the gaming delay use case, that can be used to rule the communication among those ISPs that are along the path among OTT and final users. An extension of this work can be done, by defining billing costs for the QoS improvements

Biological Information Based QoE Management in HTTP Adaptive Streaming Services

芝浦工業大学2018年

SDN-based Flexible Resource Management and Service-Oriented Virtualization for 5G Mobile Networks and Beyond

This thesis examines how Software Defined Network (SDN) and Network Virtualization (NV) technologies can make 5G and beyond mobile networks more flexible, scalable and programmable to support the performance demands of the emerging heterogeneous applications. In this direction, concepts like mobile network slicing, multi-tenancy, and multi-connectivity have been investigated and their performance is analyzed. The SDN paradigm is used to enable flexible resource allocation to the end users, improve network resource utilization and avoid or rapidly solve the network congestion problems. The proposed network architectures are 3rd Generation Partnership Project (3GPP) standards compliant and integrate Open Network Foundation (ONF) SDN specifications to ensure seamless interoperability between different standards and backward/forward compatibility. Novel mechanisms and algorithms to efficiently manage the resources of evolving 5G Time-Division Duplex (TDD) networks in a flexible manner are introduced. These mechanisms enable formation of virtual cells on-demand which allows diverse resource utilization from multiple eNBs to the users. Within the scope of this thesis, SDN-based frameworks to enhance the QoE of end user applications considering Time Division-Long Term Evolution (TD-LTE) small cells have also been developed and network resource sharing scenarios with Frequency-Division Duplex (FDD)/TDD coexistence has been studied. In addition, this thesis also proposes and investigates a novel service-oriented network slicing concept for evolving 5G TDD networks which involve traffic prediction mechanisms and includes user mobility. An analytical model is also introduced that formulates the network slice resource allocation as a weighted optimization problem. The evaluations of the proposed solutions are performed using 3GPP standard compliant simulation settings. The proposed solutions have been compared with the state-of-the art schemes and the performance gains offered by the proposed solutions have been demonstrated. Performance is evaluated considering metrics such as throughput, delay, network resource utilization etc. The Mean Opinion Score (MOS) metric is used for evaluating the Quality of Experience (QoE) for end-user applications. With the help of SDN-based network management algorithms investigated in this work, it is shown how 5G+ networks can be managed efficiently, while at the same time provide enhanced flexibility and programmability to improve the performance of diverse applications and services delivered over the network to the end users

Quality of experience characterization and provisioning in mobile cellular networks

Παραδοσιακά, οι προηγούμενες γενεές κινητών κυψελωτών δικτύων έχουν σχεδιαστεί με κριτήρια Ποιότητας Υπηρεσίας, έτσι ώστε να πληρούν συγκεκριμένες απαιτήσεις διαφόρων υπηρεσιών. Η «Ποιότητα Εμπειρίας» έχει, ωστόσο, πρόσφατα εμφανιστεί ως έννοια, επηρεάζοντας το σχεδιασμό των μελλοντικών γενεών των δικτύων, δίνοντας σαφή έμφαση στην πραγματικά επιτευχθείσα εμπειρία του τελικού χρήστη. Η εμφάνιση της έννοιας της Ποιότητας Εμπειρίας οφείλεται στην αναπόφευκτη, ισχυρή μετάβαση που βιώνει η βιομηχανία των Τηλεπικοινωνιών από συστημο-κεντρικά δίκτυα σε πιο χρηστο-κεντρικές λύσεις και στόχους. Οι πάροχοι κινητών δικτύων, οι πάροχοι υπηρεσιών, οι προγραμματιστές εφαρμογών, αλλά και άλλα ενδιαφερόμενα μέλη που εμπλέκονται στην αλυσίδα παροχής υπηρεσιών προσελκύονται από τις ευκαιρίες που μπορεί να προσφέρει η ενσωμάτωση γνώσης Ποιότητας Εμπειρίας στο επιχειρηματικό τους μοντέλο. Πράγματι, η παρεχόμενη Ποιότητα Εμπειρίας αποτελεί έναν καθοριστικό παράγοντα διαφοροποίησης μεταξύ των διαφόρων παικτών, μία τάση που αναμένεται να γίνει ακόμη πιο έντονη τα επόμενα χρόνια. Υποκινούμενη από αυτή την χρηστο-κεντρική τάση, η έρευνα που διεξάγεται σε αυτή τη διατριβή έχει ως στόχο την διερεύνηση των προκλήσεων και των ευκαιριών που προκύπτουν στα σύγχρονα κινητά κυψελωτά δίκτυα όταν λαμβάνεται υπόψιν η έννοια της Ποιότητας Εμπειρίας. Τέτοιες ευκαιρίες αφορούν, καταρχήν, τη δυνατότητα κατανόησης της Ποιότητας Εμπειρίας που επιτυγχάνει ένας πάροχος κατά την προσφορά μίας υπηρεσίας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την υλοποίηση και ενσωμάτωση μεθόδων αξιολόγησης Ποιότητας Εμπειρίας στην πραγματικού-χρόνου λειτουργία ενός δικτύου. Εν συνεχεία, ακολουθεί η εκμετάλλευση της συλλεγμένης ευφυΐας που σχετίζεται με την Ποιότητα Εμπειρίας, προκειμένου να επανεξεταστούν υφιστάμενοι μηχανισμοί επιπέδου δικτύου (π.χ., χρονο-προγραμματισμός ραδιοπόρων) ή μηχανισμοί επιπέδου εφαρμογής (π.χ., ροή βίντεο), αλλά και να προταθούν καινοτόμες διαστρωματικές προσεγγίσεις προς όφελος της Ποιότητας Εμπειρίας. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα πρότασης νέων αλγορίθμων που προκύπτουν από τα εγγενή χαρακτηριστικά της Ποιότητας Εμπειρίας, όπως η μη γραμμική επίδραση μετρικών Ποιότητας Υπηρεσίας στην Ποιότητα Εμπειρίας, με στόχο την περαιτέρω βελτίωσή της. Σε αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διατριβή, διερευνώνται και αξιοποιούνται μοντέλα και μετρικές εκτίμησης Ποιότητας Εμπειρίας με στόχο την ποσοτικοποίησή της, έχοντας ως απώτερο στόχο την εισαγωγή βελτιώσεων στους υφιστάμενους μηχανισμούς κινητών κυψελωτών δικτύων. Ο πυρήνας αυτής της διατριβής είναι η πρόταση μίας κυκλικής διεργασίας παροχής Ποιότητας Εμπειρίας που επιτρέπει τον έλεγχο, την παρακολούθηση (ήτοι, τη μοντελοποίηση) και τη διαχείριση της Ποιότητας Εμπειρίας σε ένα κυψελωτό δίκτυο. Κάθε μία από αυτές τις λειτουργίες αναλύεται περαιτέρω, ενώ έμφαση δίνεται στις λειτουργίες μοντελοποίησης και διαχείρισης. Όσον αφορά τη μοντελοποίηση, γίνεται περιγραφή και ταξινόμηση των μεθόδων εκτίμησης και των δεικτών επιδόσεων Ποιότητας Εμπειρίας. Η παραμετρική εκτίμηση της ποιότητας αναδεικνύεται ως η πιο ελκυστική κατηγορία μοντελοποίησης Ποιότητας Εμπειρίας σε κινητά κυψελωτά δίκτυα, οπότε και περιγράφεται διεξοδικά για ευρέως χρησιμοποιούμενους τύπους υπηρεσιών, όπως η συνομιλία (φωνή) μέσω Internet Protocol (IP) και η μετάδοση βίντεο. Όσον αφορά τη διαχείριση Ποιότητας Εμπειρίας, προτείνονται νέοι μηχανισμοί που επιδεικνύουν βελτιώσεις στην εμπειρία των τελικών χρηστών, και συγκεκριμένα: α) ένα σχήμα ελέγχου των επικοινωνιών συσκευής-προς-συσκευή που λαμβάνει υπόψιν την εμπειρία των χρηστών, β) ένας «συνεπής» αλγόριθμος χρονο-προγραμματισμού ραδιοπόρων που βελτιώνει την Ποιότητα Εμπειρίας του χρήστη μετριάζοντας τις διακυμάνσεις της ρυθμαπόδοσης του δικτύου, και γ) ένας μηχανισμός προσαρμοστικής ροής βίντεο με γνώσεις «πλαισίου», ο οποίος επιτυγχάνει την εξάλειψη διακοπών του βίντεο σε συνθήκες χαμηλού εύρους ζώνης. Επιπλέον, προτείνεται μία εφαρμογή Ποιότητας Εμπειρίας βασισμένη στην αρχιτεκτονική Software-Defined Networking (SDN), ονόματι “QoE-SDN APP”, η οποία επιτρέπει την ανάδραση πληροφοριών δικτύου από παρόχους κινητής τηλεφωνίας σε παρόχους υπηρεσιών βίντεο, αναδεικνύοντας πλεονεκτήματα ως προς την Ποιότητα Εμπειρίας για τους πελάτες των παρόχων βίντεο αλλά και ως προς την εξοικονόμηση εύρους ζώνης για τους φορείς εκμετάλλευσης δικτύου. Εν κατακλείδι, η παρούσα διατριβή προωθεί την ενοποίηση του ερευνητικού πεδίου της Ποιότητας Εμπειρίας με τον τομέα των κινητών επικοινωνιών, καθώς και τη συνεργασία αμοιβαίου ενδιαφέροντος μεταξύ των παρόχων δικτύου (επίπεδο δικτύου) με τους παρόχους υπηρεσιών (επίπεδο εφαρμογής), αναδεικνύοντας την δυναμική από τέτοιου είδους προσεγγίσεις για όλους τους εμπλεκόμενους φορείς.Traditionally, previous generations of mobile cellular networks have been designed with Quality of Service (QoS) criteria in mind, so that they manage to meet specific service requirements. Quality of Experience (QoE) has, however, recently emerged as a concept, disrupting the design of future network generations by giving clear emphasis on the actually achieved user experience. The emergence of the QoE concept has been a result of the inevitable strong transition that the Telecom industry is currently experiencing from system-centric networks to more user-centric solutions and objectives. Mobile network operators, service providers, application developers, as well as other stakeholders involved in the service provisioning chain have been attracted by the opportunities that the integration of the QoE concept could bring to their business; indeed, the provisioned QoE constitutes a determining factor of differentiation among different stakeholders, a tendency which is expected to become even more intense in the years to come. Motivated by this boost towards user-centricity, the objective of the research conducted in this thesis is to explore the challenges and opportunities that arise in modern mobile cellular networks when QoE is considered. Such opportunities concern, first of all, the possibility to comprehend the QoE that a provider achieves when provisioning a service. This can be enabled by the implementation and integration of QoE assessment methods into the real-time operation of a network. Then, the next step is the exploitation of collected QoE-related intelligence in order to re-examine existing network-layer mechanisms (e.g., radio scheduling), or application-layer mechanisms (e.g., video streaming), as well as propose novel cross-layer approaches towards ameliorating the achieved QoE. Moreover, the opportunity emerges to propose novel algorithms that stem from the inherent idiosyncrasies of QoE, such as the non-linear impact of QoS-related parameters on QoE, as a way to further enhance the users’ QoE. In this direction, throughout this thesis, QoE estimation models and metrics are explored and exploited in order to quantify QoE and thus, to improve existing mechanisms of mobile cellular networks. The core of this thesis is the proposal of a QoE provisioning cycle that allows the control, monitoring (i.e., modeling) and management of QoE in a cellular network. Each one of these functions is further analyzed, while emphasis is given on the modeling and management operations. In terms of modeling, QoE assessment methods and QoE-related performance indicators are described and classified. Parametric quality estimation is identified as the most appealing type of QoE estimation in mobile cellular networks, thus, it is thoroughly described for widely used types of services, such as Voice over IP (VoIP) and video streaming. In terms of QoE management, novel QoE-aware mechanisms that demonstrate QoE improvements for the users are proposed, namely: a) a QoE-driven Device-to-Device (D2D) communication management scheme that enhances end-user QoE, b) a “consistent” radio scheduling algorithm that improves the end-user QoE by mitigating throughput fluctuations, and c) a context-aware HTTP Adaptive Streaming (HAS) mechanism that successfully mitigates stallings (i.e., video freezing events) in the context of bandwidth-challenging scenarios. Moreover, a programmable QoE-SDN APP into the Software-Defined Networking (SDN) architecture is introduced, which enables network feedback exposure from mobile network operators to video service providers, revealing QoE benefits for the customers of video providers and bandwidth savings for the network operators. Overall, this thesis promotes the uniting of the domain of QoE with the domain of mobile communications, as well as the collaboration of mutual-interest between mobile network operators (network layer) and service providers (application layer), presenting the high potential from such approaches for all involved stakeholders

An autonomous QoE-driven network management framework

Recently, network researchers have taken a great interest in quality of experience (QoE) and in the new aspects it brings in the study of the link between network conditions and user satisfaction. Also, the realization that the information of users' satisfaction can be directly applied in the network management in a real-time manner has resulted in a fair amount of publications. Although the systems and frameworks presented in these publications tackle the subject of QoE-driven management quite successfully, they often concentrate on certain applications or technologies. We present a generic QoE management framework, which is applicable to a broad range of systems. We also demonstrate an instantiation of this framework as a network access point management system for RTP-based video. This system is not only able to positively affect the perceived quality of the multimedia application considered, but also to reduce over-prioritization and optimize resource usag