Cross-Layer Optimization of Fast Video Delivery in Cache-Enabled Relaying Networks

This paper investigates the cross-layer optimization of fast video delivery and caching for minimization of the overall video delivery time in a two-hop relaying network. The half-duplex relay nodes are equipped with both a cache and a buffer which facilitate joint scheduling of fetching and delivery to exploit the channel diversity for improving the overall delivery performance. The fast delivery control is formulated as a two-stage functional non-convex optimization problem. By exploiting the underlying convex and quasi-convex structures, the problem can be solved exactly and efficiently by the developed algorithm. Simulation results show that significant caching and buffering gains can be achieved with the proposed framework, which translates into a reduction of the overall video delivery time. Besides, a trade-off between caching and buffering gains is unveiled.Comment: 7 pages, 4 figures; accepted for presentation at IEEE Globecom, San Diego, CA, Dec. 201

Consolidating Streams to Improve DASH Cache Utilisation

Existing HTTP caches interact poorly with multiple Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) streams of the same content: time and quality differences prevent a complete representation from being cached, reducing hit-ratios. We propose to consolidate near-simultaneous streams based on time or quality, where the improved cache performance makes this worthwhile. We estimate that there is a sufficient number of near-simultaneous streams for our proposed techniques to improve cache hit-ratios

Consolidating Streams to Improve DASH Cache Utilisation

Existing HTTP caches interact poorly with multiple Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) streams of the same content: time and quality differences prevent a complete representation from being cached, reducing hit-ratios. We propose to consolidate near-simultaneous streams based on time or quality, where the improved cache performance makes this worthwhile. We estimate that there is a sufficient number of near-simultaneous streams for our proposed techniques to improve cache hit-ratios

Caching and prefetching for efficient video services in mobile networks

Cellular networks have witnessed phenomenal traffic growth recently fueled by new high speed broadband cellular access technologies. This growth is in large part driven by the emergence of the HTTP Adaptive Streaming (HAS) as a new video delivery method. In HAS, several qualities of the same videos are made available in the network so that clients can choose the quality that best fits their bandwidth capacity. This strongly impacts the viewing pattern of the clients, their switching behavior between video qualities, and thus beyond on content delivery systems.Our first contribution consists in providing an analysis of a real HAS dataset collected in France and provided by the largest French mobile operator. Firstly, we analyze and model the viewing patterns of VoD and live streaming HAS sessions and we propose a new cache replacement strategy, named WA-LRU. WA-LRU leverages the time locality of video segments within the HAS content. We show that WA-LRU improves the cache hit-ratio mostly at the loading phase while it reduces significantly the processing overhead at the cache.In our second contribution, we analyze and model the adaptation logic between the video qualities based on empirical observations. We show that high switching behaviors lead to sub optimal caching performance, since several versions of the same content compete to be cached. In this context we investigate the benefits of a Cache Friendly HAS system (CF-DASH) which aims at improving the caching efficiency in mobile networks and to sustain the quality of experience of mobile clients. We evaluate CF-dash based on trace-driven simulations and test-bed experiments. Our validation results are promising. Simulations on real HAS traffic show that we achieve a significant gain in hit-ratio that ranges from 15% up to 50%.In the second part of this thesis, we investigate the mobile video prefetching opportunities. Online media services are reshaping the way video content is watched. People with similar interests tend to request same content. This provides enormous potential to predict which content users are interested in. Besides, mobile devices are commonly used to watch videos which popularity is largely driven by their social success. We design a system, named "Central Predictor System (CPsys)", which aims at predicting and prefetching relevant content for each mobile client. To fine tune our prefetching system, we rely on a large dataset collected from a large mobile carrier in Europe. The rationale of our prefetching strategy is first to form a graph and build implicit or explicit ties between similar users. On top of this graph, we propose the Most Popular and Most Recent (MPMR) policy to predict relevant videos for each user. We show that CPSys can achieve high performance as regards prediction correctness and network utilization efficiency. We further show that CPSys outperforms other prefetching schemes from the state of the art. At the end, we provide a proof-of-concept implementation of our prefetching system.Les réseaux cellulaires ont connu une croissance phénoménale du trafic alimentée par les nouvelles technologies d’accès cellulaire à large bande. Cette croissance est tirée en grande partie par le trafic HTTP adaptatif streaming (HAS) comme une nouvelle technique de diffu- sion de contenus audiovisuel. Le principe du HAS est de rendre disponible plusieurs qualités de la même vidéo en ligne et que les clients choisissent la meilleure qualité qui correspond à leur bande passante. Chaque niveau d’encodage est segmenté en des petits vidéos qu’on appelle segments ou chunks et dont la durée varie entre 2 à 10 secondes. L’émergence du HAS a introduit des nouvelles contraintes sur les systèmes de livraison des contenus vidéo en particulier sur les systèmes de cache. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’étude de cet impact et à proposer des algorithmes et des solutions qui optimisent les fonctionnalités de ces systèmes. D’autre part, la consommation des contenus est fortement impactée par les nouvelles technologies du Web2.0 tel que l’émergence des réseaux sociaux. Dans cette thèse, nous exploitons les réseaux sociaux afin de proposer un service de préchargement des contenus VoD sur terminaux mobiles. Notre solution permet l’amélioration de la QoE des utilisateurs et permet de bien gérer les ressources réseaux mobile.Nous listons nos contributions comme suit :Notre première contribution consiste à mener une analyse détaillée des données sur un trafic HAS réel collecté en France et fournie par le plus grand opérateur de téléphonie mobile du pays. Tout d’abord, nous analysons et modélisons le comportement des clients qui demandent des contenus catch-up et live. Nous constatons que le nombre de requêtes par segment suit deux types de distribution : La loi log-normal pour modéliser les 40 premiers chunks par session de streaming, ensuite on observe une queue qui peut être modélisé par la loi de Pareto. Cette observation suggère que les clients ne consomment pas la totalité du contenu catch-up. On montre par simulation que si le cache implémente des logiques de caching qui ne tiennent pas en compte les caractéristiques des flux HAS, sa performance diminuerait considérablement.Dans ce contexte, nous proposons un nouvel algorithme de remplacement des contenus que nous appelons Workload Aware-LRU (WA-LRU). WA-LRU permet d’améliorer la performance des systèmes de cache en augmentant le Hit-Ratio en particulier pour les premiers segments et en diminuant le temps requis pour la mise à jour de la liste des objets cachés. En fonction de la capacité du cache et de la charge du trafic dans le réseau, WA-LRU estime un seuil sur le rang du segment à cacher. Si le rang du chunk demandé dépasse ce seuil, le chunk ne sera pas caché sinon il sera caché. Comme WA-LRU dépend de la charge du trafic dans le réseau, cela suppose que le seuil choisit par WA-LRU est dynamique sur la journée. WA-LRU est plus agressif pendant les heures chargées (i.e. il cache moins de chunks, ceux qui sont les plus demandés) que pendant les heures creuses où le réseau est moins chargé.Dans notre deuxième contribution, nous étudions plus en détail les facteurs qui poussent les clients HAS à changer de qualité lors d’une session vidéo. Nous modélisons également ce changement de qualité en se basant sur des données empiriques provenant de notre trace de trafic. Au niveau du cache, nous montrons que le changement fréquent de qualité crée une compétition entre les différents profiles d’encodages. Cela réduit les performances du système de cache. Dans ce contexte, nous proposons Cache Friendly-DASH (CF-DASH), une implémentation d’un player HAS compatible avec le standard DASH, qui assure une meilleure stabilité du player. Nous montrons à travers des simulations et des expérimentations que CF- DASH améliore expérience client et permet aussi d’atteindre un gain significatif du hit-ratio qui peut varier entre 15% à 50%.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un système de préchargement de contenus vidéos sur terminaux mobile. La consommation des contenus vidéo en ligne est fortement impactée par les nouvelles technologies du Web2.0 et les réseaux sociaux. Les personnes qui partagent des intérêts similaires ont tendance à demander le même contenu. Cela permet de prédire le comportement des clients et identifier les contenus qui peuvent les intéresser. Par ailleurs, les smartphones et tablettes sont de plus en plus adaptés pour visionner des vidéos et assurer une meilleure qualité d’expérience. Dans cette thèse, nous concevons un système qu’on appelle CPSys (Central Predictor System) permettant d’identifier les vidéos les plus pertinentes pour chaque utilisateur. Pour bien paramétrer notre système de préchargement, nous analysons des traces de trafic de type User Generated Videos (UGC). En particulier, nous analysons la popularité des contenus YouTube et Facebook, ainsi que l’évolution de la popularité des contenus en fonction du temps. Nous observons que 10% des requêtes se font sur une fenêtre de temps d’une heure après avoir mis les vidéos en ligne et 40% des requêtes se font sur une fenêtre de temps de un jour. On présente aussi des analyses sur le comportement des clients. On observe que la consommation des contenus vidéo varie significativement entre les clients mobiles. On distingue 2 types de clients :• les grands consommateurs : Ils forment une minorité mais consomment plusieurs vidéos sur une journée.• lespetitsconsommateurs:Ilsformentlamajoritédesclientsmaisconsommentquelques vidéos par jour voir sur une période plus longue.On s’appuyant sur ces observations, notre système de préchargement adapte le mode de pré- chargement selon le profil utilisateur qui est déduit à partir de l’historique de la consommation de chaque client.Dans un premier temps, CPSys crée un graphe regroupant les utilisateurs qui sont similaires. Le graphe peut être soit explicite (type Facebook) ou implicite qui est construit à la base des techniques de colllaborative filtering dérivés des systèmes de recommandations. Une fois le graphe est créé, nous proposons la politique Most Popular Most Recent (MPMR) qui permet d’inférer quel contenu doit-on précharger pour chaque utilisateur. MPMR trie les vidéos candidats selon la popularité locale du contenu définit comme le nombre de vues effectués par les voisins les plus similaires, ensuite MPMR donne la priorité aux contenus les plus frais. Nous montrons que CPSys peut atteindre des performances élevées par rapport à d’autres techniques présentées dans l’état de l’art. CPSys améliore la qualité de la prédiction et réduit d’une manière significative le trafic réseau.Finalement, nous développons une preuve de concept de notre système de préchargement

Caching and prefetching for efficient video services in mobile networks

Cellular networks have witnessed phenomenal traffic growth recently fueled by new high speed broadband cellular access technologies. This growth is in large part driven by the emergence of the HTTP Adaptive Streaming (HAS) as a new video delivery method. In HAS, several qualities of the same videos are made available in the network so that clients can choose the quality that best fits their bandwidth capacity. This strongly impacts the viewing pattern of the clients, their switching behavior between video qualities, and thus beyond on content delivery systems.Our first contribution consists in providing an analysis of a real HAS dataset collected in France and provided by the largest French mobile operator. Firstly, we analyze and model the viewing patterns of VoD and live streaming HAS sessions and we propose a new cache replacement strategy, named WA-LRU. WA-LRU leverages the time locality of video segments within the HAS content. We show that WA-LRU improves the cache hit-ratio mostly at the loading phase while it reduces significantly the processing overhead at the cache.In our second contribution, we analyze and model the adaptation logic between the video qualities based on empirical observations. We show that high switching behaviors lead to sub optimal caching performance, since several versions of the same content compete to be cached. In this context we investigate the benefits of a Cache Friendly HAS system (CF-DASH) which aims at improving the caching efficiency in mobile networks and to sustain the quality of experience of mobile clients. We evaluate CF-dash based on trace-driven simulations and test-bed experiments. Our validation results are promising. Simulations on real HAS traffic show that we achieve a significant gain in hit-ratio that ranges from 15% up to 50%.In the second part of this thesis, we investigate the mobile video prefetching opportunities. Online media services are reshaping the way video content is watched. People with similar interests tend to request same content. This provides enormous potential to predict which content users are interested in. Besides, mobile devices are commonly used to watch videos which popularity is largely driven by their social success. We design a system, named "Central Predictor System (CPsys)", which aims at predicting and prefetching relevant content for each mobile client. To fine tune our prefetching system, we rely on a large dataset collected from a large mobile carrier in Europe. The rationale of our prefetching strategy is first to form a graph and build implicit or explicit ties between similar users. On top of this graph, we propose the Most Popular and Most Recent (MPMR) policy to predict relevant videos for each user. We show that CPSys can achieve high performance as regards prediction correctness and network utilization efficiency. We further show that CPSys outperforms other prefetching schemes from the state of the art. At the end, we provide a proof-of-concept implementation of our prefetching system.Les réseaux cellulaires ont connu une croissance phénoménale du trafic alimentée par les nouvelles technologies d’accès cellulaire à large bande. Cette croissance est tirée en grande partie par le trafic HTTP adaptatif streaming (HAS) comme une nouvelle technique de diffu- sion de contenus audiovisuel. Le principe du HAS est de rendre disponible plusieurs qualités de la même vidéo en ligne et que les clients choisissent la meilleure qualité qui correspond à leur bande passante. Chaque niveau d’encodage est segmenté en des petits vidéos qu’on appelle segments ou chunks et dont la durée varie entre 2 à 10 secondes. L’émergence du HAS a introduit des nouvelles contraintes sur les systèmes de livraison des contenus vidéo en particulier sur les systèmes de cache. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’étude de cet impact et à proposer des algorithmes et des solutions qui optimisent les fonctionnalités de ces systèmes. D’autre part, la consommation des contenus est fortement impactée par les nouvelles technologies du Web2.0 tel que l’émergence des réseaux sociaux. Dans cette thèse, nous exploitons les réseaux sociaux afin de proposer un service de préchargement des contenus VoD sur terminaux mobiles. Notre solution permet l’amélioration de la QoE des utilisateurs et permet de bien gérer les ressources réseaux mobile.Nous listons nos contributions comme suit :Notre première contribution consiste à mener une analyse détaillée des données sur un trafic HAS réel collecté en France et fournie par le plus grand opérateur de téléphonie mobile du pays. Tout d’abord, nous analysons et modélisons le comportement des clients qui demandent des contenus catch-up et live. Nous constatons que le nombre de requêtes par segment suit deux types de distribution : La loi log-normal pour modéliser les 40 premiers chunks par session de streaming, ensuite on observe une queue qui peut être modélisé par la loi de Pareto. Cette observation suggère que les clients ne consomment pas la totalité du contenu catch-up. On montre par simulation que si le cache implémente des logiques de caching qui ne tiennent pas en compte les caractéristiques des flux HAS, sa performance diminuerait considérablement.Dans ce contexte, nous proposons un nouvel algorithme de remplacement des contenus que nous appelons Workload Aware-LRU (WA-LRU). WA-LRU permet d’améliorer la performance des systèmes de cache en augmentant le Hit-Ratio en particulier pour les premiers segments et en diminuant le temps requis pour la mise à jour de la liste des objets cachés. En fonction de la capacité du cache et de la charge du trafic dans le réseau, WA-LRU estime un seuil sur le rang du segment à cacher. Si le rang du chunk demandé dépasse ce seuil, le chunk ne sera pas caché sinon il sera caché. Comme WA-LRU dépend de la charge du trafic dans le réseau, cela suppose que le seuil choisit par WA-LRU est dynamique sur la journée. WA-LRU est plus agressif pendant les heures chargées (i.e. il cache moins de chunks, ceux qui sont les plus demandés) que pendant les heures creuses où le réseau est moins chargé.Dans notre deuxième contribution, nous étudions plus en détail les facteurs qui poussent les clients HAS à changer de qualité lors d’une session vidéo. Nous modélisons également ce changement de qualité en se basant sur des données empiriques provenant de notre trace de trafic. Au niveau du cache, nous montrons que le changement fréquent de qualité crée une compétition entre les différents profiles d’encodages. Cela réduit les performances du système de cache. Dans ce contexte, nous proposons Cache Friendly-DASH (CF-DASH), une implémentation d’un player HAS compatible avec le standard DASH, qui assure une meilleure stabilité du player. Nous montrons à travers des simulations et des expérimentations que CF- DASH améliore expérience client et permet aussi d’atteindre un gain significatif du hit-ratio qui peut varier entre 15% à 50%.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous proposons un système de préchargement de contenus vidéos sur terminaux mobile. La consommation des contenus vidéo en ligne est fortement impactée par les nouvelles technologies du Web2.0 et les réseaux sociaux. Les personnes qui partagent des intérêts similaires ont tendance à demander le même contenu. Cela permet de prédire le comportement des clients et identifier les contenus qui peuvent les intéresser. Par ailleurs, les smartphones et tablettes sont de plus en plus adaptés pour visionner des vidéos et assurer une meilleure qualité d’expérience. Dans cette thèse, nous concevons un système qu’on appelle CPSys (Central Predictor System) permettant d’identifier les vidéos les plus pertinentes pour chaque utilisateur. Pour bien paramétrer notre système de préchargement, nous analysons des traces de trafic de type User Generated Videos (UGC). En particulier, nous analysons la popularité des contenus YouTube et Facebook, ainsi que l’évolution de la popularité des contenus en fonction du temps. Nous observons que 10% des requêtes se font sur une fenêtre de temps d’une heure après avoir mis les vidéos en ligne et 40% des requêtes se font sur une fenêtre de temps de un jour. On présente aussi des analyses sur le comportement des clients. On observe que la consommation des contenus vidéo varie significativement entre les clients mobiles. On distingue 2 types de clients :• les grands consommateurs : Ils forment une minorité mais consomment plusieurs vidéos sur une journée.• lespetitsconsommateurs:Ilsformentlamajoritédesclientsmaisconsommentquelques vidéos par jour voir sur une période plus longue.On s’appuyant sur ces observations, notre système de préchargement adapte le mode de pré- chargement selon le profil utilisateur qui est déduit à partir de l’historique de la consommation de chaque client.Dans un premier temps, CPSys crée un graphe regroupant les utilisateurs qui sont similaires. Le graphe peut être soit explicite (type Facebook) ou implicite qui est construit à la base des techniques de colllaborative filtering dérivés des systèmes de recommandations. Une fois le graphe est créé, nous proposons la politique Most Popular Most Recent (MPMR) qui permet d’inférer quel contenu doit-on précharger pour chaque utilisateur. MPMR trie les vidéos candidats selon la popularité locale du contenu définit comme le nombre de vues effectués par les voisins les plus similaires, ensuite MPMR donne la priorité aux contenus les plus frais. Nous montrons que CPSys peut atteindre des performances élevées par rapport à d’autres techniques présentées dans l’état de l’art. CPSys améliore la qualité de la prédiction et réduit d’une manière significative le trafic réseau.Finalement, nous développons une preuve de concept de notre système de préchargement

QOE-AWARE CONTENT DISTRIBUTION SYSTEMS FOR ADAPTIVE BITRATE VIDEO STREAMING

A prodigious increase in video streaming content along with a simultaneous rise in end system capabilities has led to the proliferation of adaptive bit rate video streaming users in the Internet. Today, video streaming services range from Video-on-Demand services like traditional IP TV to more recent technologies such as immersive 3D experiences for live sports events. In order to meet the demands of these services, the multimedia and networking research community continues to strive toward efficiently delivering high quality content across the Internet while also trying to minimize content storage and delivery costs. The introduction of flexible and adaptable technologies such as compute and storage clouds, Network Function Virtualization and Software Defined Networking continue to fuel content provider revenue. Today, content providers such as Google and Facebook build their own Software-Defined WANs to efficiently serve millions of users worldwide, while NetFlix partners with ISPs such as ATT (using OpenConnect) and cloud providers such as Amazon EC2 to serve their content and manage the delivery of several petabytes of high-quality video content for millions of subscribers at a global scale, respectively. In recent years, the unprecedented growth of video traffic in the Internet has seen several innovative systems such as Software Defined Networks and Information Centric Networks as well as inventive protocols such as QUIC, in an effort to keep up with the effects of this remarkable growth. While most existing systems continue to sub-optimally satisfy user requirements, future video streaming systems will require optimal management of storage and bandwidth resources that are several orders of magnitude larger than what is implemented today. Moreover, Quality-of-Experience metrics are becoming increasingly fine-grained in order to accurately quantify diverse content and consumer needs. In this dissertation, we design and investigate innovative adaptive bit rate video streaming systems and analyze the implications of recent technologies on traditional streaming approaches using real-world experimentation methods. We provide useful insights for current and future content distribution network administrators to tackle Quality-of-Experience dilemmas and serve high quality video content to several users at a global scale. In order to show how Quality-of-Experience can benefit from core network architectural modifications, we design and evaluate prototypes for video streaming in Information Centric Networks and Software-Defined Networks. We also present a real-world, in-depth analysis of adaptive bitrate video streaming over protocols such as QUIC and MPQUIC to show how end-to-end protocol innovation can contribute to substantial Quality-of-Experience benefits for adaptive bit rate video streaming systems. We investigate a cross-layer approach based on QUIC and observe that application layer-based information can be successfully used to determine transport layer parameters for ABR streaming applications

End-to-end resource management for federated delivery of multimedia services

Recently, the Internet has become a popular platform for the delivery of multimedia content. Currently, multimedia services are either offered by Over-the-top (OTT) providers or by access ISPs over a managed IP network. As OTT providers offer their content across the best-effort Internet, they cannot offer any Quality of Service (QoS) guarantees to their users. On the other hand, users of managed multimedia services are limited to the relatively small selection of content offered by their own ISP. This article presents a framework that combines the advantages of both existing approaches, by dynamically setting up federations between the stakeholders involved in the content delivery process. Specifically, the framework provides an automated mechanism to set up end-to-end federations for QoS-aware delivery of multimedia content across the Internet. QoS contracts are automatically negotiated between the content provider, its customers, and the intermediary network domains. Additionally, a federated resource reservation algorithm is presented, which allows the framework to identify the optimal set of stakeholders and resources to include within a federation. Its goal is to minimize delivery costs for the content provider, while satisfying customer QoS requirements. Moreover, the presented framework allows intermediary storage sites to be included in these federations, supporting on-the-fly deployment of content caches along the delivery paths. The algorithm was thoroughly evaluated in order to validate our approach and assess the merits of including intermediary storage sites. The results clearly show the benefits of our method, with delivery cost reductions of up to 80 % in the evaluated scenario

Enhancing Video Streaming Quality of DASH over Cloud/Edge Integrated Networks

With the advancement of mobile technologies and the popularity of mobile devices, mobile video streaming applications/services have increased considerably in recent years. Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) or MPEG-DASH is one of the most widely used video streaming techniques over the Internet. It adapts video sending bit rate according to available network resources, however, in case of low bandwidth, DASH performs poorly, which will cause video quality degradation and video stalling. Mobile Edge Computing (MEC) or Multi-access Edge Computing, in connection with the backend cloud has been used to reduce latency and overcome some of the video quality degradation problems for mobile video streaming services. However, an end user might be suffering from video quality drop downs when s/he moves out from the coverage of one node to another or when the mobile network condition goes down. To tackle the degradation problems and assure enhanced video streaming quality, a novel follow-me Edge Node Prefetching (ENP) scheme was proposed and developed in the project, by prefetching video segments in advance in the upcoming node used by the end-user. A test bed was set up consisting of a backend cloud (OpenStack), two edge nodes (LXD Containers) and one mobile device, the ENP algorithm was implemented on the cloud server and client sides. Experiments were carried out for the DASH streaming service based on Dash.js from the DASH Industry Forum. Preliminary results show that the ENP scheme can maintain higher video quality and less service migration time when moving from one mobile node to another, when compared to existing approaches, i.e. live migration in Follow-me-Edge and the C-up schemes. The proposed scheme could be useful in smart city applications or providing seamless mobile video streaming services in Cloud/Edge integrated networks.Ibrahim Mohammedamee

Fairness in Network-Friendly Recommendations

As mobile traffic is dominated by content services (e.g., video), which typically use recommendation systems, the paradigm of network-friendly recommendations (NFR) has been proposed recently to boost the network performance by promoting content that can be efficiently delivered (e.g., cached at the edge). NFR increase the network performance, however, at the cost of being unfair towards certain contents when compared to the standard recommendations. This unfairness is a side effect of NFR that has not been studied in literature. Nevertheless, retaining fairness among contents is a key operational requirement for content providers. This paper is the first to study the fairness in NFR, and design fair-NFR. Specifically, we use a set of metrics that capture different notions of fairness, and study the unfairness created by existing NFR schemes. Our analysis reveals that NFR can be significantly unfair. We identify an inherent trade-off between the network gains achieved by NFR and the resulting unfairness, and derive bounds for this trade-off. We show that existing NFR schemes frequently operate far from the bounds, i.e., there is room for improvement. To this end, we formulate the design of Fair-NFR (i.e., NFR with fairness guarantees compared to the baseline recommendations) as a linear optimization problem. Our results show that the Fair-NFR can achieve high network gains (similar to non-fair-NFR) with little unfairness.Comment: IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM), 202

Proactive Mechanisms for Video-on-Demand Content Delivery

Video delivery over the Internet is the dominant source of network load all over the world. Especially VoD streaming services such as YouTube, Netflix, and Amazon Video have propelled the proliferation of VoD in many peoples' everyday life. VoD allows watching video from a large quantity of content at any time and on a multitude of devices, including smart TVs, laptops, and smartphones. Studies show that many people under the age of 32 grew up with VoD services and have never subscribed to a traditional cable TV service. This shift in video consumption behavior is continuing with an ever-growing number of users. satisfy this large demand, VoD service providers usually rely on CDN, which make VoD streaming scalable by operating a geographically distributed network of several hundreds of thousands of servers. Thereby, they deliver content from locations close to the users, which keeps traffic local and enables a fast playback start. CDN experience heavy utilization during the day and are usually reactive to the user demand, which is not optimal as it leads to expensive over-provisioning, to cope with traffic peaks, and overreacting content eviction that decreases the CDN's performance. However, to sustain future VoD streaming projections with hundreds of millions of users, new approaches are required to increase the content delivery efficiency. To this end, this thesis identifies three key research areas that have the potential to address the future demand for VoD content. Our first contribution is the design of vFetch, a privacy-preserving prefetching mechanism for mobile devices. It focuses explicitly on OTT VoD providers such as YouTube. vFetch learns the user interest towards different content channels and uses these insights to prefetch content on a user terminal. To do so, it continually monitors the user behavior and the device's mobile connectivity pattern, to allow for resource-efficient download scheduling. Thereby, vFetch illustrates how personalized prefetching can reduce the mobile data volume and alleviate mobile networks by offloading peak-hour traffic. Our second contribution focuses on proactive in-network caching. To this end, we present the design of the ProCache mechanism that divides the available cache storage concerning separate content categories. Thus, the available storage is allocated to these divisions based on their contribution to the overall cache efficiency. We propose a general work-flow that emphasizes multiple categories of a mixed content workload in addition to a work-flow tailored for music video content, the dominant traffic source on YouTube. Thereby, ProCache shows how content-awareness can contribute to efficient in-network caching. Our third contribution targets the application of multicast for VoD scenarios. Many users request popular VoD content with only small differences in their playback start time which offers a potential for multicast. Therefore, we present the design of the VoDCast mechanism that leverages this potential to multicast parts of popular VoD content. Thereby, VoDCast illustrates how ISP can collaborate with CDN to coordinate on content that should be delivered by ISP-internal multicast