Cache-Aware Adaptive Video Streaming in 5G networks

Η τεχνολογία προσαρμοστικής ροής video μέσω HTTP έχει επικρατήσει ως ο κυρίαρχος τρόπος μετάδοσης video στο Internet. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται στη λήψη μικρών διαδοχικών τμημάτων video από έναν server. Μία πρόκληση που όμως δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς είναι η λήψη τμημάτων video από περισσότερους από έναν servers, με τρόπο που να εξυπηρετεί τόσο τις ανάγκες του δικτύου όσο και τη βελτίωση της Ποιότητας Εμπειρίας του χρήστη (Quality of Experience, QoE). Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία θα διερευνήσει αυτό το πρόβλημα, προσομοιώνοντας ένα δίκτυο με πολλαπλούς video servers και διάφορους video clients. Στη συνέχεια, θα υλοποιήσει τόσο την δυνατότητα επικοινωνίας peer-to-many στα πλαίσια της προσαρμοστικής ροής video όσο και τον αλγόριθμο επιλογής video server. Όλα αυτά θα διερευνηθούν στο περιβάλλον του Mininet, που είναι ένας δικτυακός εξομοιωτής, για να προσομοιωθεί η τεχνολογία DASH με τη βοήθεια των κόμβων του δικτύου του εξομοιωτή. Αρχικά, το βίντεο χωρίστηκε σε μικρά κομμάτια με τη βοήθεια του εργαλείου ffmpeg και στη συνέχεια, υλοποιήθηκαν πειράματα που ένας πελάτης ζητούσε το βίντεο από έναν server προσωρινής αποθήκευσης (cache server). Αν το συγκεκριμένο τμήμα του βίντεο δεν υπήρχε εκεί, τότε στελνόταν αίτημα από τον server προσωρινής αποθήκευσης σε έναν διακομιστή που περιείχε όλα τα τμήματα του βίντεο (main server). Στα πειράματα αυτά εξετάστηκε και η προστιθέμενη δικτυακή κίνηση, με τελικό συμπέρασμα ότι το περιβάλλον του Mininet προκαλεί αναπόφευκτους περιορισμούς στη περίπτωση της δικτυακής κίνησης, καθώς παρατηρήσαμε πως το κανάλι του server βάσης δεδομένων παρέμενε ανενεργό καθ’ όλη τη διάρκεια αιτημάτων από τον server προσωρινής αποθήκευσης, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται συνθήκες μη-ρεαλιστικού δικτύου. Γι’ αυτόν τον λόγο, προβήκαμε στην υλοποίηση μιας νέας προσέγγισης, εξαλείφοντας το Mininet περιβάλλον και δουλεύοντας πάνω σε νέες τεχνικές προσθήκης δικτυακής κίνησης και τροποποιώντας την επικοινωνία των διακομιστών μεταξύ τους. Με αυτόν τον τρόπο, καταφέραμε να δείξουμε σαφέστερα τους περιορισμούς της προηγούμενης προσέγγισης αλλά και να συμπεράνουμε ότι η ύπαρξη servers προσωρινής αποθήκευσης είναι ένα χρήσιμο εργαλείο υπό όρους αύξησης της ποιότητας εμπειρίας ενός χρήστη. Η γενική τάση που παρατηρήθηκε ήταν ότι με την αύξηση του διαθέσιμου χώρου αποθήκευσης, η ποιότητα αναπαραγωγής του βίντεο ανέβαινε σε κάποιο βαθμό. Ταυτόχρονα όμως, το ποσοστό βελτίωσης αυτό, είναι άρρηκτα δεμένο με τον αλγόριθμο επιλογής κομματιών βίντεο που χρησιμοποιείται. Για ακόμα καλύτερα αποτελέσματα λοιπόν, θεωρείται αναγκαία η εύρεση της χρυσής τομής μεταξύ χωρητικότητας του χώρου προσωρινής αποθήκευσης και αλγορίθμου επιλογής κομματιών. Στην παρούσα διπλωματική παρουσιάζονται τα εξής κεφάλαια: Στο κεφάλαιο 1 αναφέρεται η ιστορική αναδρομή της τεχνολογίας των δικτύων. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται η τεχνολογία προσαρμοστικής ροής βίντεο μέσω HTTP. Στο κεφάλαιο 3 αναλύονται οι διαφορετικές τεχνικές προσωρινής αποθήκευσης. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η έννοια της Ποιότητας Εμπειρίας του χρήστη και η συσχέτισή της με πολλούς άλλους παράγοντες. Το κεφάλαιο 5 περιγράφεται αναλυτικά η διαδικασία στησίματος του περιβάλλοντος και τα διάφορα απαραίτητα εργαλεία για την υλοποίησή μας. Το κεφάλαιο 6 αναφέρει τα πειράματα μέσω Mininet, την τοπολογία και όλο το στήσιμο, καθώς και τους λόγους που μας οδήγησαν στην πορεία μιας διαφορετικής προσέγγισης. Στο κεφάλαιο 7 προτείνεται η διαφορετική προσέγγιση και παρουσιάζεται η μεθοδολογία και οι μετρικές. Επίσης, αναλύονται διαγράμματα που εξάχθηκαν από την ανάλυση τω μετρικών. Τέλος, το κεφάλαιο 8 αφορά τα συμπεράσματα και θέματα μελλοντικής έρευνας για βελτίωση της Ποιότητας Εμπειρίας του χρήστη περαιτέρω.Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) has prevailed as the dominant way of video transmission over the Internet. This technology is based on receiving small sequential video segments from a server. However, one challenge that has not been adequately examined, is the obtainment of video segments from more than one server, in a way that serves both the needs of the network and the improvement of the Quality of Experience (QoE). This thesis will investigate this problem by simulating a network with multiple video servers and a video client. It will then implement both the peer-to-many communication in the context of adaptive video streaming and the video server caching algorithm based on proposed criteria that will improve the status of the network and/or the user. All of this will be explored in the environment of Mininet, which is a network emulator, in order to simulate the DASH technology with the help of the emulator network nodes. Initially, the video was split into small segments using the ffmpeg tool, and then experiments were conducted in which a client requested the video from a cache server. If the segment could not be found in the cache server, then a request was sent from the cache server to a server that contained all segments of the video (main server). In these experiments, the added traffic was also examined, by concluded to the fact that the Mininet environment causes unavoidable limitations in the case of the traffic. What we observed was that the main server channel remained inactive throughout the requests of the cache server, resulting in unrealistic network conditions. For this reason, we have explored a new approach, eliminating the Mininet environment and working on new techniques for adding web traffic and modifying the communication of the servers, regarding the requests they receive. In this way, we were able to clearly show the limitations of the previous approach but also to conclude that the existence of caching servers is a useful tool in terms of increasing the quality of experience. The general tendency was that, as the available buffer size increased, the video playback quality increased to some extent. However, at the same time this improvement is linked to the random selection algorithm. For even better results, it is considered necessary to find an appropriate caching selection algorithm in order to take full advantage of the caching technology. The following chapters presented in this thesis are: Chapter 1 mentions the historical background of the networks. Chapter 2 analyzes the Dynamic Adaptive Streaming over HTTP. Chapter 3 analyzes the caching techniques. Chapter 4 presents the concept of Quality of Experience and its correlation with many other factors. Chapter 5 describes in detail the process of setting up the environment and the various necessary tools for our implementation. Chapter 6 refers to the Mininet experiments, the topology, and the set-up, as well as the reasons that led us to a different approach. Chapter 7 proposes the different approach and presents the methodology and the metrics. Also, diagrams extracted from the analysis of the metrics are analyzed in Chapter 7. Finally, Chapter 8 summarizes the conclusions and issues of future research to improve the Quality of Experience even further

Integrated Sensing and Communications: Towards Dual-functional Wireless Networks for 6G and Beyond

As the standardization of 5G solidifies, researchers are speculating what 6G will be. The integration of sensing functionality is emerging as a key feature of the 6G Radio Access Network (RAN), allowing for the exploitation of dense cell infrastructures to construct a perceptive network. In this IEEE Journal on Selected Areas in Commmunications (JSAC) Special Issue overview, we provide a comprehensive review on the background, range of key applications and state-of-the-art approaches of Integrated Sensing and Communications (ISAC). We commence by discussing the interplay between sensing and communications (S&C) from a historical point of view, and then consider the multiple facets of ISAC and the resulting performance gains. By introducing both ongoing and potential use cases, we shed light on the industrial progress and standardization activities related to ISAC. We analyze a number of performance tradeoffs between S&C, spanning from information theoretical limits to physical layer performance tradeoffs, and the cross-layer design tradeoffs. Next, we discuss the signal processing aspects of ISAC, namely ISAC waveform design and receive signal processing. As a step further, we provide our vision on the deeper integration between S&C within the framework of perceptive networks, where the two functionalities are expected to mutually assist each other, i.e., via communication-assisted sensing and sensing-assisted communications. Finally, we identify the potential integration of ISAC with other emerging communication technologies, and their positive impacts on the future of wireless networks

Wavelength reconfigurability for next generation optical access networks

Next generation optical access networks should not only increase the capacity but also be able to redistribute the capacity on the fly in order to manage larger variations in traffic patterns. Wavelength reconfigurability is the instrument to enable such capability of network-wide bandwidth redistribution since it allows dynamic sharing of both wavelengths and timeslots in WDM-TDM optical access networks. However, reconfigurability typically requires tunable lasers and tunable filters at the user side, resulting in cost-prohibitive optical network units (ONU). In this dissertation, I propose a novel concept named cyclic-linked flexibility to address the cost-prohibitive problem. By using the cyclic-linked flexibility, the ONU needs to switch only within a subset of two pre-planned wavelengths, however, the cyclic-linked structure of wavelengths allows free bandwidth to be shifted to any wavelength by a rearrangement process. Rearrangement algorithm are developed to demonstrate that the cyclic-linked flexibility performs close to the fully flexible network in terms of blocking probability, packet delay, and packet loss. Furthermore, the evaluation shows that the rearrangement process has a minimum impact to in-service ONUs. To realize the cyclic-linked flexibility, a family of four physical architectures is proposed. PRO-Access architecture is suitable for new deployments and disruptive upgrades in which the network reach is not longer than 20 km. WCL-Access architecture is suitable for metro-access merger with the reach up to 100 km. PSB-Access architecture is suitable to implement directly on power-splitter-based PON deployments, which allows coexistence with current technologies. The cyclically-linked protection architecture can be used with current and future PON standards when network protection is required