Game theoretical analysis of rate adaptation protocols conciliating QoS and QoE

International audienceThe recent increase in the use of wireless networks for video transmission has led to the increase in the use of rate-adaptive protocols to maximize the resource utilization and increase the efficiency in the transmission. However, a number of these protocols lead to interactions among the users that are subjective in nature and affect the overall performance. In this paper, we present an in-depth analysis of interplay between the wireless network dynamics and video transmission dynamics in the light of subjective perceptions of the end users in their interactions. We investigate video exchange applications in which two users interact repeatedly over a wireless relay channel. Each user is driven by three conflicting objectives: maximizing the Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE) of the received video, while minimizing the transmission cost. Non-cooperative repeated games model precisely interactions among users with independent agendas. We show that adaptive video exchange is impossible if the duration of the interaction is determined. However, if the users interact indefinitely, they achieve cooperation via exchange of video streams. Our simulations evidence the tradeoff between users’ QoS and QoE of their received video. The expected duration of the interaction plays a role and draws the region of solution trade-offs. We propose further means of shaping this region using Pareto optimality and user-fairness arguments. This work proposes a concrete game theoretical framework that allows the optimal use of traditional protocols by taking into account thesubjective interactions that occur in practical scenarios

Benefits and limits of machine learning for the implicit coordination on SON functions

Bedingt durch die Einführung neuer Netzfunktionen in den Mobilfunknetzen der nächsten Generation, z. B. Slicing oder Mehrantennensysteme, sowie durch die Koexistenz mehrerer Funkzugangstechnologien, werden die Optimierungsaufgaben äußerst komplex und erhöhen die OPEX (OPerational EXpenditures). Um den Nutzern Dienste mit wettbewerbsfähiger Dienstgüte (QoS) zu bieten und gleichzeitig die Betriebskosten niedrig zu halten, wurde von den Standardisierungsgremien das Konzept des selbstorganisierenden Netzes (SON) eingeführt, um das Netzmanagement um eine Automatisierungsebene zu erweitern. Es wurden dafür mehrere SON-Funktionen (SFs) vorgeschlagen, um einen bestimmten Netzbereich, wie Abdeckung oder Kapazität, zu optimieren. Bei dem konventionellen Entwurf der SFs wurde jede Funktion als Regler mit geschlossenem Regelkreis konzipiert, der ein lokales Ziel durch die Einstellung bestimmter Netzwerkparameter optimiert. Die Beziehung zwischen mehreren SFs wurde dabei jedoch bis zu einem gewissen Grad vernachlässigt. Daher treten viele widersprüchliche Szenarien auf, wenn mehrere SFs in einem mobilen Netzwerk instanziiert werden. Solche widersprüchlichen Funktionen in den Netzen verschlechtern die QoS der Benutzer und beeinträchtigen die Signalisierungsressourcen im Netz. Es wird daher erwartet, dass eine existierende Koordinierungsschicht (die auch eine Entität im Netz sein könnte) die Konflikte zwischen SFs lösen kann. Da diese Funktionen jedoch eng miteinander verknüpft sind, ist es schwierig, ihre Interaktionen und Abhängigkeiten in einer abgeschlossenen Form zu modellieren. Daher wird maschinelles Lernen vorgeschlagen, um eine gemeinsame Optimierung eines globalen Leistungsindikators (Key Performance Indicator, KPI) so voranzubringen, dass die komplizierten Beziehungen zwischen den Funktionen verborgen bleiben. Wir nennen diesen Ansatz: implizite Koordination. Im ersten Teil dieser Arbeit schlagen wir eine zentralisierte, implizite und auf maschinellem Lernen basierende Koordination vor und wenden sie auf die Koordination zweier etablierter SFs an: Mobility Robustness Optimization (MRO) und Mobility Load Balancing (MLB). Anschließend gestalten wir die Lösung dateneffizienter (d. h. wir erreichen die gleiche Modellleistung mit weniger Trainingsdaten), indem wir eine geschlossene Modellierung einbetten, um einen Teil des optimalen Parametersatzes zu finden. Wir nennen dies einen "hybriden Ansatz". Mit dem hybriden Ansatz untersuchen wir den Konflikt zwischen MLB und Coverage and Capacity Optimization (CCO) Funktionen. Dann wenden wir ihn auf die Koordinierung zwischen MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) und Energy Savings (ES) Funktionen an. Schließlich stellen wir eine Möglichkeit vor, MRO formal in den hybriden Ansatz einzubeziehen, und zeigen, wie der Rahmen erweitert werden kann, um anspruchsvolle Netzwerkszenarien wie Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) abzudecken.Due to the introduction of new network functionalities in next-generation mobile networks, e.g., slicing or multi-antenna systems, as well as the coexistence of multiple radio access technologies, the optimization tasks become extremely complex, increasing the OPEX (OPerational EXpenditures). In order to provide services to the users with competitive Quality of Service (QoS) while keeping low operational costs, the Self-Organizing Network (SON) concept was introduced by the standardization bodies to add an automation layer to the network management. Thus, multiple SON functions (SFs) were proposed to optimize a specific network domain, like coverage or capacity. The conventional design of SFs conceived each function as a closed-loop controller optimizing a local objective by tuning specific network parameters. However, the relationship among multiple SFs was neglected to some extent. Therefore, many conflicting scenarios appear when multiple SFs are instantiated in a mobile network. Having conflicting functions in the networks deteriorates the users’ QoS and affects the signaling resources in the network. Thus, it is expected to have a coordination layer (which could also be an entity in the network), conciliating the conflicts between SFs. Nevertheless, due to interleaved linkage among those functions, it is complex to model their interactions and dependencies in a closed form. Thus, machine learning is proposed to drive a joint optimization of a global Key Performance Indicator (KPI), hiding the intricate relationships between functions. We call this approach: implicit coordination. In the first part of this thesis, we propose a centralized, fully-implicit coordination approach based on machine learning (ML), and apply it to the coordination of two well-established SFs: Mobility Robustness Optimization (MRO) and Mobility Load Balancing (MLB). We find that this approach can be applied as long as the coordination problem is decomposed into three functional planes: controllable, environmental, and utility planes. However, the fully-implicit coordination comes at a high cost: it requires a large amount of data to train the ML models. To improve the data efficiency of our approach (i.e., achieving good model performance with less training data), we propose a hybrid approach, which mixes ML with closed-form models. With the hybrid approach, we study the conflict between MLB and Coverage and Capacity Optimization (CCO) functions. Then, we apply it to the coordination among MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC), and Energy Savings (ES) functions. With the hybrid approach, we find in one shot, part of the parameter set in an optimal manner, which makes it suitable for dynamic scenarios in which fast response is expected from a centralized coordinator. Finally, we present a manner to formally include MRO in the hybrid approach and show how the framework can be extended to cover challenging network scenarios like Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC)