Popularity-based video caching techniques for cache-enabled networks: a survey

The proliferation of the mobile Internet and connected devices, which offer a variety of services at different levels of performance is a major challenge for the fifth generation of wireless networks and beyond. Innovative solutions are needed to leverage recent advances in machine storage/memory, context awareness, and edge computing. Cache-enabled networks and techniques such as edge caching are envisioned to reduce content delivery times and traffic congestion in wireless networks. Only a few contents are popular, accounting for the majority of viewers, so caching them reduces the latency and download time. However, given the dynamic nature of user behavior, the integration of popularity prediction into caching is of paramount importance to better network utilization and user satisfaction. In this paper, we first present an overview of caching in wireless networks and then provide a detailed comparison of traditional and popularity-based caching. We discuss the attributes of videos and the evaluation criteria of caching policies. We summarize some of the recent work on proactive caching, focusing on prediction strategies. Finally, we provide insight into the potential opportunities and challenges as well as some open research problems enable the realization of efficient deployment of popularity-based caching as part of the next-generation mobile networks

Otimização de distribuição de conteúdos multimédia utilizando software-defined networking

The general use of Internet access and user equipments, such as smartphones, tablets and personal computers, is creating a new wave of video content consumption. In the past two decades, the Television broadcasting industry went through several evolutions and changes, evolving from analog to digital distribution, standard definition to high definition TV-channels, form the IPTV method of distribution to the latest set of technologies in content distribution, OTT. The IPTV technology introduced features that changed the passive role of the client to an active one, revolutionizing the way users consume TV content. Thus, the clients’ habits started to shape the services offered, leading to an anywhere and anytime offer of video content. OTT video delivery is a reflection of those habits, meeting the users’ desire, introducing several benefits discussed in this work over the previous technologies. However, the OTT type of delivery poses several challenges in terms of scalability and threatens the Telecommunications Operators business model, because OTT companies use the Telcos infrastructure for free. Consequently, Telecommunications Operators must prepare their infrastructure for future demand while offering new services to stay competitive. This dissertation aims to contribute with insights on what infrastructure changes a Telecommunications Operator must perform with a proposed bandwidth forecasting model. The results obtained from the forecast model paved the way to the proposed video content delivery method, which aims to improve users’ perceived Quality-of-Experience while optimizing load balancing decisions. The overall results show an improvement of users’ experience using the proposed method.A generalização do acesso à Internet e equipamentos pessoais como smartphones, tablets e computadores pessoais, está a criar uma nova onda de consumo de conteúdos multimedia. Nas ultimas duas décadas, a indústria de transmissão de Televisão atravessou várias evoluções e alterações, evoluindo da distribuição analógica para a digital, de canais de Televisão de definição padrão para alta definição, do método de distribuição IPTV, até ao último conjunto de tecnologias na distribuição de conteúdos, OTT. A tecnologia IPTV introduziu novas funcionalidades que mudaram o papel passivo do cliente para um papel activo, revolucionando a forma como os utilizadores consumem conteúdos televisivos. Assim, os hábitos dos clientes começaram a moldar os serviços oferecidos, levando à oferta de consumo de conteúdos em qualquer lugar e em qualquer altura. A entrega de vídeo OTT é um reflexo destes hábitos, indo ao encontro dos desejos dos utilizadores, que introduz inúmeras vantagens sobre outras tecnologias discutidas neste trabalho. No entanto, a entrega de conteúdos OTT cria diversos problemas de escalabilidade e ameaça o modelo de negócio das Operadoras de Telecomunicações, porque os fornecedores de serviço OTT usam a infraestrutura das mesmas sem quaisquer custos. Consequentemente, os Operadores de Telecomunicações devem preparar a sua infraestrutura para o consumo futuro ao mesmo tempo que oferecem novos serviços para se manterem competitivos. Esta dissertação visa contribuir com conhecimento sobre quais alterações uma Operadora de Telecomunicações deve executar com o modelo de previsão de largura de banda proposto. Os resultados obtidos abriram caminho para o método de entrega de conteúdos multimedia proposto, que visa ao melhoramento da qualidade de experiência do utilizador ao mesmo tempo que se optimiza o processo de balanceamento de carga. No geral os testes confirmam uma melhoria na qualidade de experiência do utilizador usando o método proposto.Mestrado em Engenharia de Computadores e Telemátic

Distribuição de conteúdos over-the-top multimédia em redes sem fios

mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesHoje em dia a Internet é considerada um bem essencial devido ao facto de haver uma constante necessidade de comunicar, mas também de aceder e partilhar conteúdos. Com a crescente utilização da Internet, aliada ao aumento da largura de banda fornecida pelos operadores de telecomunicações, criaram-se assim excelentes condições para o aumento dos serviços multimédia Over-The-Top (OTT), demonstrado pelo o sucesso apresentado pelos os serviços Netflix e Youtube. O serviço OTT engloba a entrega de vídeo e áudio através da Internet sem um controlo direto dos operadores de telecomunicações, apresentando uma proposta atractiva de baixo custo e lucrativa. Embora a entrega OTT seja cativante, esta padece de algumas limitações. Para que a proposta se mantenha em crescimento e com elevados padrões de Qualidade-de-Experiência (QoE) para os consumidores, é necessário investir na arquitetura da rede de distribuição de conteúdos, para que esta seja capaz de se adaptar aos diversos tipos de conteúdo e obter um modelo otimizado com um uso cauteloso dos recursos, tendo como objectivo fornecer serviços OTT com uma boa qualidade para o utilizador, de uma forma eficiente e escalável indo de encontro aos requisitos impostos pelas redes móveis atuais e futuras. Esta dissertação foca-se na distribuição de conteúdos em redes sem fios, através de um modelo de cache distribuída entre os diferentes pontos de acesso, aumentando assim o tamanho da cache e diminuindo o tráfego necessário para os servidores ou caches da camada de agregação acima. Assim, permite-se uma maior escalabilidade e aumento da largura de banda disponível para os servidores de camada de agregação acima. Testou-se o modelo de cache distribuída em três cenários: o consumidor está em casa em que se considera que tem um acesso fixo, o consumidor tem um comportamento móvel entre vários pontos de acesso na rua, e o consumidor está dentro de um comboio em alta velocidade. Testaram-se várias soluções como Redis2, Cachelot e Memcached para servir de cache, bem como se avaliaram vários proxies para ir de encontro ás características necessárias. Mais ainda, na distribuição de conteúdos testaram-se dois algoritmos, nomeadamente o Consistent e o Rendezvouz Hashing. Ainda nesta dissertação utilizou-se uma proposta já existente baseada na previsão de conteúdos (prefetching ), que consiste em colocar o conteúdo nas caches antes de este ser requerido pelos consumidores. No final, verificou-se que o modelo distribuído com a integração com prefecthing melhorou a qualidade de experiência dos consumidores, bem como reduziu a carga nos servidores de camada de agregação acima.Nowadays, the Internet is considered an essential good, due to the fact that there is a need to communicate, but also to access and share information. With the increasing use of the Internet, allied with the increased bandwidth provided by telecommunication operators, it has created conditions for the increase of Over-the-Top (OTT) Multimedia Services, demonstrated by the huge success of Net ix and Youtube. The OTT service encompasses the delivery of video and audio through the Internet without direct control of telecommunication operators, presenting an attractive low-cost and pro table proposal. Although the OTT delivery is captivating, it has some limitations. In order to increase the number of clients and keep the high Quality of Experience (QoE) standards, an enhanced architecture for content distribution network is needed. Thus, the enhanced architecture needs to provide a good quality for the user, in an e cient and scalable way, supporting the requirements imposed by future mobile networks. This dissertation aims to approach the content distribution in wireless networks, through a distributed cache model among the several access points, thus increasing the cache size and decreasing the load on the upstream servers. The proposed architecture was tested in three di erent scenarios: the consumer is at home and it is considered that it has a xed access, the consumer is mobile between several access points in the street, the consumer is in a high speed train. Several solutions were evaluated, such as Redis2, Cachelot and Memcached to serve as caches, along with the evaluation of several proxies server in order to ful ll the required features. Also, it was tested two distributed algorithms, namely the Consistent and Rendezvous Hashing. Moreover, in this dissertation it was integrated a prefetching mechanism, which consists of inserting the content in caches before being requested by the consumers. At the end, it was veri ed that the distributed model with prefetching improved the consumers QoE as well as it reduced the load on the upstream servers

Entrega de conteúdos multimédia em over-the-top: caso de estudo das gravações automáticas

Doutoramento em Engenharia EletrotécnicaOver-The-Top (OTT) multimedia delivery is a very appealing approach for providing ubiquitous, exible, and globally accessible services capable of low-cost and unrestrained device targeting. In spite of its appeal, the underlying delivery architecture must be carefully planned and optimized to maintain a high Qualityof- Experience (QoE) and rational resource usage, especially when migrating from services running on managed networks with established quality guarantees. To address the lack of holistic research works on OTT multimedia delivery systems, this Thesis focuses on an end-to-end optimization challenge, considering a migration use-case of a popular Catch-up TV service from managed IP Television (IPTV) networks to OTT. A global study is conducted on the importance of Catch-up TV and its impact in today's society, demonstrating the growing popularity of this time-shift service, its relevance in the multimedia landscape, and tness as an OTT migration use-case. Catch-up TV consumption logs are obtained from a Pay-TV operator's live production IPTV service containing over 1 million subscribers to characterize demand and extract insights from service utilization at a scale and scope not yet addressed in the literature. This characterization is used to build demand forecasting models relying on machine learning techniques to enable static and dynamic optimization of OTT multimedia delivery solutions, which are able to produce accurate bandwidth and storage requirements' forecasts, and may be used to achieve considerable power and cost savings whilst maintaining a high QoE. A novel caching algorithm, Most Popularly Used (MPU), is proposed, implemented, and shown to outperform established caching algorithms in both simulation and experimental scenarios. The need for accurate QoE measurements in OTT scenarios supporting HTTP Adaptive Streaming (HAS) motivates the creation of a new QoE model capable of taking into account the impact of key HAS aspects. By addressing the complete content delivery pipeline in the envisioned content-aware OTT Content Delivery Network (CDN), this Thesis demonstrates that signi cant improvements are possible in next-generation multimedia delivery solutions.A entrega de conteúdos multimédia em Over-The-Top (OTT) e uma proposta atractiva para fornecer um serviço flexível e globalmente acessível, capaz de alcançar qualquer dispositivo, com uma promessa de baixos custos. Apesar das suas vantagens, e necessario um planeamento arquitectural detalhado e optimizado para manter níveis elevados de Qualidade de Experiência (QoE), em particular aquando da migração dos serviços suportados em redes geridas com garantias de qualidade pré-estabelecidas. Para colmatar a falta de trabalhos de investigação na área de sistemas de entrega de conteúdos multimédia em OTT, esta Tese foca-se na optimização destas soluções como um todo, partindo do caso de uso de migração de um serviço popular de Gravações Automáticas suportado em redes de Televisão sobre IP (IPTV) geridas, para um cenário de entrega em OTT. Um estudo global para aferir a importância das Gravações Automáticas revela a sua relevância no panorama de serviços multimédia e a sua adequação enquanto caso de uso de migração para cenários OTT. São obtidos registos de consumos de um serviço de produção de Gravações Automáticas, representando mais de 1 milhão de assinantes, para caracterizar e extrair informação de consumos numa escala e âmbito não contemplados ate a data na literatura. Esta caracterização e utilizada para construir modelos de previsão de carga, tirando partido de sistemas de machine learning, que permitem optimizações estáticas e dinâmicas dos sistemas de entrega de conteúdos em OTT através de previsões das necessidades de largura de banda e armazenamento, potenciando ganhos significativos em consumo energético e custos. Um novo mecanismo de caching, Most Popularly Used (MPU), demonstra um desempenho superior as soluções de referencia, quer em cenários de simulação quer experimentais. A necessidade de medição exacta da QoE em streaming adaptativo HTTP motiva a criaçao de um modelo capaz de endereçar aspectos específicos destas tecnologias adaptativas. Ao endereçar a cadeia completa de entrega através de uma arquitectura consciente dos seus conteúdos, esta Tese demonstra que são possíveis melhorias de desempenho muito significativas nas redes de entregas de conteúdos em OTT de próxima geração