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

Monitoring of Traffic Anomalies using Microscopic Traffic Variables in Vehicular Transportation Networks

This thesis proposes methodologies to monitor traffic anomalies using microscopic traffic variables measured by equipped vehicles sharing information with one another and/or localized road-side infrastructure. The proposed methodologies can identify not only traffic anomalies that lead to traffic incidents, but also small transient deviations that are usually difficult to detect. Firstly, the thesis addresses the issue of anomaly detection where novel supervised and unsupervised algorithms are proposed. The unsupervised algorithm uses the change in variability of microscopic traffic variables to detect traffic anomalies, which is also shown to outperform previous algorithms monitoring ideally placed loop detectors. The supervised algorithm can identify anomalies under different traffic regimes with 100% detection rate and low false alarm rate when applied to real-world data, which presents a signi cant improvement over the unsupervised algorithm. It is also shown that the proposed algorithms can detect anomalies even when the microscopic traffic variables are aggregated and missing. Secondly, three classification algorithms are proposed, which can be integrated with the previously proposed detection algorithms. The first algorithm identifies a lane-blocking, which is a well-known type of anomaly that often leads to traffic incidents, and is shown to outperform existing algorithms. The second algorithm identifies real-world cases of transient anomalies as well as incident precursors by assessing spatial-temporal changes of microscopic traffic variables. The third algorithm addresses the problem of misclassifications under different traffic regimes by employing a certainty-based decision function, and it is shown to successfully classify all anomaly cases in the real-world data set. Finally, the study is extended to the inference of traffic anomalies at a location where traffic variables could not be measured directly. The key contributions of the proposed algorithm are the ability to infer both normal and anomalous traffic conditions at a target location by assessing only microscopic traffic variables from adjacent locations, and the ability to estimate lane-level traffic flow, time occupancy and inter-arrival time. Based on real-world data, it is shown that the proposed algorithm outperforms a Kalman filter-based approach

New Signal Priority Strategies to Improve Public Transit Operations

Rapid urbanization is causing severe congestion on road transport networks around the world. Improving service and attracting more travellers could be part of the solution. In urban areas, improving public transportation efficiency and reliability can reduce traffic congestion and improve transportation system performance. By facilitating public buses' movement through traffic signal-controlled intersections, a Transit Signal Priority (TSP) strategy can contribute to the reduction of queuing time at intersections. In the last decade, studies have focused on TSP systems to help public transportation organizations attract more travellers. However, the traditional TSP also has a significant downside; it is detrimental to non-prioritized movements and other transport modes. This research proposes new TSP strategies that account for the number of passengers on board as well as the real-time adherence of buses to their present schedules. Two methods have been proposed. First, buses are prioritized based on their load and their adherence to their schedules, while in the second method, the person delay at an intersection is optimized. The optimization approach in the first method uses a specific priority for public transit, while additional parameters are considered in the second method, like residual queue and arrival rate at the intersection. One of this research's main contributions is providing insight into the benefits of these new TSP methods along a corridor and on an isolated signalized intersection. The proposed methods need real-time information on transit operations, traffic signals status and vehicular flows. The lack of readily available infrastructure to provide all these data is compensated by using a traffic simulator, VISSIM, for an isolated intersection and an arterial corridor. The study area simulation results indicated that the new TSP methods performed better than the conventional TSP. For the investigated study area, it was shown that the second method performed better in an isolated signalized intersection, while the first method reduced traffic and environmental indices when used for an arterial corridor. Future research can investigate the effects of the proposed methodology on the urban network by using macrosimulation to see the effects of the proposed TSP on the network. Also, considering conflicting TSP requests in these methodologies could be another area for further research