QoE estimation for Adaptive Video Streaming over LTE Networks

Η 4η γενιά (4G) κινητών επικοινωνιών, στην οποία ανήκει το σύστημα Long Term Evolution (LTE), παρέχει ευρυζωνική πρόσβαση σε κινητές συσκευές με ποιότητα και ταχύτητα που αγγίζουν τις ενσύρματες επικοινωνίες. Παρόλ’αυτά, η κινητικότητα εκ φύσεως εισάγει αστοχίες/διακυμάνσεις στην ασύρματη διεπαφή, γενόντας έτσι την ανάγκη για αντίστοιχη προσαρμογή της ροής μετάδοσης των δεδομένων. Η ανάγκη αυτή είναι ακόμη πιο έκδηλη για τις ροές δεδομένων βίντεο, που έχουν και τη μερίδα του λέοντος στην διαδικτυακή κίνηση. Καθώς, λοιπόν, η ροή βίντεο μέσω ΗΤΤΡ έχει γίνει ο κανόνας στη διανομήπεριεχομένου, η εφαρμογή ενός πρωτοκόλλου προσαρμογής βασισμένου στο HTTP είναι αναπόφευκτη. Το DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) επιτρέπει μια ομαλή, αδιάκοπη ροή video εφαρμόζοντας αλγόριθμους προσαρμογής του bitrate στη μεριά του χρήστη αξιοποιώντας πλήρως την υπάρχουσα υποδομή. Έχοντας ως στόχο να τελειοποιήσουν την ποιότητα την οποία προσφέρει στους χρήστες το δίκτυο, οι ερευνητές συνεχώς αναπτύσσουν νέες φόρμουλες για την εκτίμηση της ποιότητας εμπειρίας του τελικού χρήστη, γνωστής υπο τον όρο Quality of Experience (QoE). Η παρούσα πτυχιακή αντιπροσωπεύει την προσπάθεια συγκερασμού των τριών ακόλουθων πυλώνων: της υποκείμενης υποδομής, του ελέγχου της ποιότητας υπηρεσίας με τη χρήση αλγορίθμων προσαρμογής και του επαναπροσδιορισμού του συστήματος με ανάλυση της ποιότητας και ανατροφοδότηση. Ανοίγει τη συζήτηση για τη χρήση προσαρμοζόμενης ροής μετάδοσης πάνω απο δίκτυα LTE και στοχεύει όχι μόνο να προσφέρει μια βαθιά βιβλιογραφική προσέγγιση των επιμέρους, αλλά και να περιγράψει πώς συνδέονται, πώς επικαλύπτονται, ή πώς αλληλεπιδρούν. Περιγράφει τα σημαντικότερα σύγχρονα μοντέλα μέτρησης QoE και πώς αυτά χρησιμεύουν στην αντικειμενική εκτίμηση της ποιότητας. Βασική συνεισφορά της εργασίας, είναι η ανάπτυξη μιάς πλήρης εκτελέσιμης οντότητας (module) για τον προσομοιωτή NS-3 συνδυάζοντας όλες τις έννοιες που αναφέρονται παραπάνω.Ο αναγνώστης μπορεί να βρεί ενα τυπικό παράδειγμα εκτέλεσης της εν λόγω οντότητας, με την συνοδεία μιας βήμα-βήμα εξήγησής του και και κάποιων διαγραμμάτων με αποτελέσματα. Το NS3 module αναπτύχθηκε με την ελπίδα να φανεί χρήσιμο σε κάθε ερευνητή τηλεπικοινωνιών που ασχολείται με θέματα παροχής ποιότητας εμπειρίας και αναζητά ένα εργαλείο προσομειώσεων.The ability to address an increasing need for mobility in work and entertainment has rendered LTE networks critically essential to our everyday environments. The promising 4th Generation (4G) of Long Term Evolution (LTE) provides ubiquitous broadband access to mobile devices matching land communications in speed and quality. However, the nature of mobility introduces a need for adaptivity in multimedia streaming, the largest part of mobile Internet traffic. As HTTP video streaming has become the de facto dominating solution to distribute media content, the implementation of an HTTP-based adaptive streaming protocol is inevitable. Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) allows for smooth, uninterrupted video streaming by implementing bitrate adaptation algorithms on the client side, with complete utilization of the existing network infrastructure. In order to perfect the current quality served by the network, network researchers constantly develop new metrics to assess the end-user’s Quality of Experience. This thesis represents an attempt to join these three pillars of mobile video streaming: the underlying infrastructure, the over-the-top algorithmic quality control, and the follow-up feedback measurement. It opens a discussion about the use of adaptive streaming in LTE networks, and aims to offer not only a deep down bibliographic approach of each individual concept, but also describe where they overlap, how they connect and interact with each other. It depicts the most important contemporary QoE models and metrics, explains their formulas, and outlines their uses as key performance indicators in objective quality estimation. Furthermore, within this work, we provide a complete, expandable NS-3 model combining all the concepts discussed. An HTTP Server-Client model within the LTE network architecture, with implemented adaptive streaming functionality. The tool was developed in the hope of becoming useful to any telecommunications researcher, supporting their research and introducing them to the NS-3 simulator. In the end, we present a typical execution of our example with a step by step explanation, followed by the plotting of some of the results using a C++ script we developed