Video streaming is widely recognized as the next Internet killer application. It was not one of the Internet's original target applications and its protocols (TCP in particular) were tuned mainly for e efficient bulk file transfer. As a result, a significant effort has focused on the development of UDP-based special protocols for streaming multimedia on the Internet. Recently, there has been a shift in video streaming from UDP to TCP, and specifically to HTTP. HTTP streaming provides a very attractive platform for video distribution on the Internet mainly because it can utilize all the current Internet infrastructure. In this thesis we make the argument that the marriage between HTTP streaming and the current Internet infrastructure can create many problems and inefficiencies. In order to solve these issues, we provide a set of techniques and protocols that can help both the network and end-hosts to make better decisions to improve video streaming quality. The thesis makes the following contributions: - We conduct a characterization study of popular commercial streaming services on mobile platforms. Our study shows that streaming services make different design decisions when implementing video players on different mobile platforms. We show that this can lead to several inefficiencies and undesirable behaviors specially when several clients compete for bandwidth in a shared bottleneck link. - Fairness between traffic flows has been preserved on the Internet through the use of TCP. However, due to the dynamics of adaptive video players and the lack of standard client adaptation techniques, fairness between multiple competing video flows is still an open issue of research. Our work extends the definition of standard bitrate fairness to utility fairness where utility is the Quality of Experience (QoE) of a video stream. We define QoE max-min fairness for a set of adaptive video flows competing for bandwidth in a network and we develop an algorithm that computes the set of bitrates that should be assigned to each stream to achieve fairness. We design and implement a system that can apply QoE fairness in home networks and evaluate the system on a real home router. - A well known problem that has been associated with TCP traffic is the buffer bloat problem. We use an experimental setup to show that adaptive video flows can cause buffer bloat which can significantly harm time sensitive applications sharing the same bottleneck link with video traffic. In addition, we develop a technique that can be used by video players to mitigate this problem. We implement our technique in a real video player and evaluate it on our testbed. - With the increasing popularity of video streaming on the Internet, the amounts of traffic on the peering links between video streaming providers and Internet Service Providers (ISPs) have become the source of many disputes. Hybrid CDN/P2P streaming systems can be used to reduce the amounts of traffic on the peering links by leveraging users upload bandwidth to redistribute some of the load to other peers. We develop an analysis for hybrid CDN/P2P systems that broadcast live adaptive video streams. The analysis helps the CDN to make better decisions to optimize video quality for its users.

Au cours de ces dernières décennies, les réseaux de télécommunications mobiles ont évolué de la 1G à la 4G. La 4G permet la coexistence de différents réseaux d'accès. Ainsi, les utilisateurs ont la capacité de se connecter à un réseau hétérogène, constitué de plusieurs réseaux d'accès. Toutefois, la sélection du réseau approprié n'est pas une tâche facile pour les utilisateurs mobiles puisque les conditions de chaque réseau d'accès changent rapidement. Par ailleurs, en termes d'usage, le streaming vidéo devient le service principal de transfert de données sur les réseaux mobiles, ce qui amène les fournisseurs de contenu et les opérateurs de réseau à coopérer pour garantir la qualité de la diffusion. Dans ce contexte, la thèse propose la conception d'une approche novatrice pour la prise de décision optimale de sélection de réseau et une architecture améliorant les performances des services de streaming adaptatif dans un réseau hétérogène. En premier lieu, nous introduisons un modèle analytique décrivant la procédure de sélection de réseau en ne considérant déjà qu'une seule classe de trafic. Nous concevons ensuite une stratégie de sélection basée sur des fondements de la théorie du contrôle optimal linéaire. Des simulations sous MATLAB sont effectuées pour valider l'efficacité du mécanisme proposé. Sur ce même principe, nous étendons ce modèle avec un modèle analytique général décrivant les procédures de sélection de réseau dans des environnements de réseaux hétérogènes avec de multiples classes de trafic. Le modèle proposé est ensuite utilisé pour dériver un mécanisme adaptatif basé sur la théorie du contrôle, qui permet non seulement d'aider à piloter dynamiquement le trafic vers l'accès réseau le plus approprié mais aussi de bloquer dynamiquement le trafic résiduel lorsque le réseau est congestionné en ajustant les probabilités d'accès optimales. Nous discutons aussi les avantages d'une intégration transparente du mécanisme proposé avec l'ANDSF, solution fonctionnelle normalisée pour la sélection de réseau. Un prototype est également implémenté dans ns-3. En second lieu, nous nous concentrons sur l'amélioration des performances de DASH pour les utilisateurs mobiles dans un environnement de réseau d'accès 4G uniquement. Nous introduisons une nouvelle architecture basée sur l'utilisation de serveurs distribués en périphérie de réseau suivant le standard MEC. Le mécanisme d'adaptation proposé, fonctionnant en tant que service MEC, peut modifier les fichiers de manifeste en temps réel, en réponse à la congestion du réseau et à la demande dynamique de flux de streaming. Ces modifications conduisent ainsi les clients à sélectionner des représentations vidéo de débit / qualité plus appropriées. Nous avons développé une plateforme de test virtualisée pour l'expérimentation de notre proposition. Les résultats ainsi obtenus démontrent ses avantages en terme de QoE comparés aux approches d'adaptation traditionnelles, purement pilotées par les clients, car notre approche améliore non seulement le MOS mais aussi l'équité face à la congestion. Enfin, nous étendons l'architecture proposée basée sur MEC pour supporter le service de streaming adaptatif DASH dans un réseau hétérogène multi-accès afin de maximiser la QoE et l'équité des utilisateurs mobiles. Dans ce scénario, notre mécanisme doit aider les utilisateurs à sélectionner la qualité vidéo et le réseau et nous le formulons comme un problème d'optimisation. Ce problème d'optimisation peut être résolu par l'outil IBM CPLEX, mais cela prend du temps et ne peut être envisagé à grande échelle. Par conséquent, nous introduisons une heuristique pour aborder la solution optimale avec moins de complexité. Ensuite, nous mettons en œuvre une expérimentation sur notre plateforme de tests. Le résultat démontre que, par rapport à l'outil IBM CPLEX, notre algorithme permet d'obtenir des performances similaires sur la QoE globale et l'équité, avec un gain de temps significatif. / Telecommunication network has evolved from 1G to 4G in the past decades. One of the typical characteristics of the 4G network is the coexistence of heterogeneous radio access technologies, which offers end-users the capability to connect them and to switch between them with their mobile devices of the new generation. However, selecting the right network is not an easy task for mobile users since access network condition changes rapidly. Moreover, video streaming is becoming the major data service over the mobile network where content providers and network operators should cooperate to guarantee the quality of video delivery. In order to cope with this context, the thesis concerns the design of a novel approach for making an optimal network selection decision and architecture for improving the performance of adaptive streaming in the context of a heterogeneous network. Firstly, we introduce an analytical model (i.e. linear discrete-time system) to describe the network selection procedure considering one traffic class. Then, we consider the design of a selection strategy based on foundations from linear optimal control theory, with the objective to maximize network resource utilization while meeting the constraints of the supported services. Computer simulations with MATLAB are carried out to validate the efficiency of the proposed mechanism. Based on the same principal we extend this model with a general analytical model describing the network selection procedures in heterogeneous network environments with multiple traffic classes. The proposed model was, then, used to derive a scalable mechanism based on control theory, which allows not only to assist in steering dynamically the traffic to the most appropriate network access but also helps in blocking the residual traffic dynamically when the network is congested by adjusting dynamically the access probabilities. We discuss the advantages of a seamless integration with the ANDSF. A prototype is also implemented into ns-3. Simulation results sort out that the proposed scheme prevents the network congestion and demonstrates the effectiveness of the controller design, which can maximize the network resources allocation by converging the network workload to the targeted network occupancy. Thereafter, we focus on enhancing the performance of DASH in a mobile network environment for the users which has one access network. We introduce a novel architecture based on MEC. The proposed adaptation mechanism, running as an MEC service, can modify the manifest files in real time, responding to network congestion and dynamic demand, thus driving clients towards selecting more appropriate quality/bitrate video representations. We have developed a virtualized testbed to run the experiment with our proposed scheme. The simulation results demonstrate its QoE benefits compared to traditional, purely client-driven, bitrate adaptation approaches since our scheme notably improves both on the achieved MOS and on fairness in the face of congestion. Finally, we extend the proposed the MEC-based architecture to support the DASH service in a multi-access heterogeneous network in order to maximize the QoE and fairness of mobile users. In this scenario, our scheme should help users select both video quality and access network and we formulate it as an optimization problem. This optimization problem can be solved by IBM CPLEX tool. However, this tool is time-consuming and not scalable. Therefore, we introduce a heuristic algorithm to make a sub-optimal solution with less complexity. Then we implement a testbed to conduct the experiment and the result demonstrates that our proposed algorithm notably can achieve similar performance on overall achieved QoE and fairness with much more time-saving compared to the IBM CPLEX tool.

[ES] La distribución de contenidos multimedia, tanto a través de Internet como de redes gestionadas dedicadas exclusivamente a este fin, está teniendo una mayor cuota del tráfico total y crece cada día, especialmente el servicio de vídeo streaming. Por ello, ha surgido el interés de investigar para mantener y mejorar la Calidad de Servicio (QoS) en redes de acceso y backbone, y ofrecer Calidad de Experiencia (QoE) a los usuarios finales; mediante el ajuste de parámetros, configuraciones, protocolos y algoritmos a los requerimientos de la red en cuanto a la alta demanda de tráfico de vídeo. Lo anterior aprovechando al máximo los recursos de la red, tanto en el núcleo y las redes de acceso, como el ancho de banda y la capacidad total instalada, y al mismo tiempo, proponiendo alternativas de transporte eficientes para el tráfico de vídeo agregado sin incrementar los costos de los servicios; y alternativas para reducir los costos operativos y gastos de mantenimiento de manera eficiente, como por ejemplo la reducción del consumo de energía. En primer lugar, esta tesis aborda el estudio de propuestas de conmutación óptica en redes troncales y la distribución de contenidos multimedia, particularmente la propuesta de Red de Conmutación Óptica de Ráfagas (OBS) desde el punto de vista de la Ingeniería Telemática. Por lo tanto, se estudia la arquitectura, protocolos y algoritmos de estas redes para hacer aportes a la evaluación del tráfico de vídeo y alternativas para ofrecer QoS y QoE para el tráfico multimedia. En este sentido, este trabajo contribuye con propuestas para la evaluación de la calidad mediante simulación utilizando trazas de transmisiones de vídeo reales, y propuestas de algoritmos de scheduling y ensamblaje de ráfagas ópticas para ofrecer QoS y QoE al tráfico de vídeo en las redes OBS. En segundo lugar, se estudian los patrones de tráfico de vídeo a nivel de aplicación y de red para caracterizarlos y realizar estudios de eficiencia energética y ahorro de consumo energético en las tarjetas de red utilizadas por servidores de vídeo en streaming y clientes que implementan el estándar IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (EEE), tanto en redes gestionadas, como IPTV que implementa transmisión de vídeo RTP, como en redes no gestionadas, como Internet, que implementa el estándar Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) para servicios Over The Top (OTT). Para alcanzar este objetivo, se implementan testbeds y se llevan a cabo experimentos para concluir cómo el tráfico de vídeo podría beneficiarse de la eficiencia energética y lograr una reducción a gran escala en el consumo de energía si el estándar EEE se implementa a nivel mundial en las tarjetas Ethernet de los dispositivos involucrados en la distribución de vídeo. El tema integrador que se aborda en esta tesis es la distribución de vídeo digital. Por lo tanto, este trabajo también presenta un estudio sobre la codificación y adaptación de transmisión de vídeo en redes IP, presentando aspectos relacionados con la evaluación de la calidad de vídeo y la evaluación de la calidad de transmisión de la red. Por ello, se proponen e implementan metodologías y bancos de pruebas que involucran la programación y ejecución de simuladores, scripts, algoritmos, software y, en general, frameworks para realizar estudios de transmisiones de vídeo en redes de telecomunicaciones, cubriendo el amplio espectro de las Comunicaciones Multimedia. Este estudio podría ser de utilidad para emprender otros estudios necesarios ante la rápida evolución tanto de la demanda de servicios multimedia como de las propuestas de nuevas técnicas de distribución de contenidos. / [CAT] La distribució de continguts multimèdia, a través d'Internet i a través de xarxes gestionades dedicades exclusivament a aquesta finalitat, està tenint una part més gran del trànsit total i augmenta cada dia, especialment el servei de streaming de vídeo. Per tant, ha sorgit l'interés de la recerca per mantenir i millorar la Qualitat de Servei (QoS) en les xarxes d'accés i troncals, i per oferir Qualitat d'Experiència (QoE) als usuaris finals, ajustant paràmetres, configuracions, protocols i algoritmes als requeriments de la xarxa pel que fa a l'alta demanda de trànsit de vídeo. Aquest últim, aprofitant al màxim els recursos de xarxa al nucli i a les xarxes d'accés, com ara l'amplada de banda i la capacitat instal·lada total, i alhora, proposant alternatives de transport eficients per al trànsit agregat de vídeo sense augmentar els costos dels serveis i alternatives per reduir les despeses operatives i de manteniment d'una manera eficient, com ara reduir el consum d'energia. En primer lloc, aquesta tesi tracta l'estudi de les propostes de commutació òptica en xarxes troncals pel que fa a la distribució de continguts multimèdia, especialment l'estudi de la proposta de xarxes de commutació de ràfegues òptiques (OBS) des del punt de vista de l'Enginyeria Telemàtica. Per tant, s'estudia l'arquitectura, els protocols i els algoritmes d'aquestes xarxes per fer contribucions a l'avaluació del trànsit de vídeo i alternatives per oferir QoS i QoE per al trànsit multimèdia. En aquest sentit, aquest treball contribueix amb propostes per a l'avaluació de la qualitat mitjançant la simulació utilitzant traces de transmissions de vídeo reals, i propostes d'algoritmes de programació i muntatge de ràfegues òptiques per oferir QoS i QoE al trànsit de vídeo a les xarxes OBS. En segon lloc, s'estudien els patrons de trànsit de vídeo a nivell d'aplicació i xarxa per caracteritzar-los i realitzar estudis sobre eficiència energètica i estalvi energètic en les targetes de xarxa utilitzades pels servidors i clients de vídeo en streaming que implementen l'IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (EEE) estàndard, tant en xarxes gestionades com IPTV, que implementa la transmissió de vídeo RTP, com en xarxes no gestionades com Internet, que implementa l'estàndard Dynamic Adaptive Streaming sobre HTTP (DASH) per als serveis Over The Top (OTT). Per assolir aquest objectiu, s'implementen bancs de proves i es realitzen experiments per concloure com el trànsit de vídeo podria beneficiar l'eficiència energètica i aconseguir una reducció a gran escala del consum d'energia si s'implementa l'estàndard EEE a les targetes Ethernet dels dispositius implicats en la distribución de vídeo. El tema integrador que s'aborda en aquesta tesi és la distribució de vídeo digital, per tant, aquest treball també presenta un estudi sobre la codificació i adaptació de la transmissió de vídeo a les xarxes IP, presentant aspectes relacionats amb l'avaluació de la qualitat del vídeo i l'avaluació de la qualitat de la transmissió de la xarxa. Per això, es proposen i s'implementen metodologies i bancs de proves que impliquen la programació i execució de simuladors, scripts, algoritmes, programari i, en general, frameworks per a la realització d'estudis de transmissions de vídeo en xarxes de telecomunicacions, abastant l'ampli espectre de les Comunicacions Multimèdia. Aquest estudi podria ser útil per emprendre altres estudis necessaris en la ràpida evolució tant de la demanda de serveis multimèdia com de les noves propostes de tècniques de distribució de continguts. / [EN] Multimedia content distribution, both over the Internet and over managed networks dedicated exclusively for this purpose, is having a greater share of total traffic and it is raising every day, especially the video streaming service. Therefore, research interest has arisen to maintain and improve the Quality of Service (QoS) in access and backbone networks, and to offer Quality of Experience (QoE) to end users, by adjusting parameters, configurations, protocols and algorithms to the network requirements regarding the video traffic high demand. The latter is carried out taking full advantage of the network resources at core and access networks such as bandwidth and total installed capacity, and at the same time, proposing efficient transportation alternatives for the aggregated video traffic without increasing services costs and alternatives to reduce operational and maintenance expenditures in an efficient manner, such as reducing the energy consumption. In the first place, this thesis deals with the study of optical switching proposals in backbone networks regarding multimedia content distribution, particularly studying the Optical Bursts Switching (OBS) Networks proposal from the Telematics Engineering point of view. Therefore, architecture, protocols and algorithms of these networks are studied to make contributions to the video traffic evaluation and alternatives to offer QoS and QoE for multimedia traffic. In this sense, this work contributes with proposals for the evaluation of quality through simulation using traces of real video transmissions, and optical burst assembly and scheduling algorithms proposals to offer QoS and QoE to video traffic in the OBS networks. Secondly, video traffic patterns at the application and network level are studied to characterize them and carry out studies on energy efficiency and energy consumption savings in the network cards used by streaming video servers and clients that implement the IEEE 802.3az Energy Efficient Ethernet (EEE) standard, both in managed networks, such as IPTV that implements RTP video streaming, and unmanaged networks, such as Internet which implements Dynamic Adaptive Streaming over HTTP (DASH) standard for Over The Top (OTT) services. To reach this goal, testbeds are implemented, and experiments are carried out to conclude how video traffic could benefit from the energy efficiency and achieve a large-scale reduction in energy consumption if the EEE standard is implemented word wide in the Ethernet cards of devices involved in video distribution. The integrating subject that is addressed in this thesis is the distribution of digital video. Therefore, this work also presents a study on the IP networks video transmission encoding and adaptation, presenting aspects regard the video quality evaluation and the network transmission quality assessment. Therefore, methodologies and testbeds are proposed and implemented that involves programming and execution of simulators, scripts, algorithms, software and, in general, frameworks to carry out studies for video transmissions in telecommunications networks, covering the broad spectrum of Multimedia Communications. This study could be useful to undertake other necessary studies in the rapid evolution of both, multimedia services demand and new content distribution techniques proposals. / Vargas Hernández, TR. (2023). A Contribution to Video Streaming Quality and Energy Efficiency in Optical and Ethernet Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192760

[ES] Esta tesis presenta diversas propuestas encaminadas a mejorar la transmisión de vídeo a través del estándar DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Este trabajo de investigación estudia el protocolo de transmisión DASH y sus características. A la vez, plantea la codificación con calidad constante y bitrate variable como modo de codificación del contenido de vídeo más indicado para la transmisión de contenido bajo demanda mediante el estándar DASH. Derivado de la propuesta de utilización del modo de codificación de calidad constante, cobra mayor importancia el papel que juegan los algoritmos de adaptación en la experiencia de los usuarios al consumir el contenido multimedia. En este sentido, esta tesis presenta un algoritmo de adaptación denominado Look Ahead el cual, sin modificar el estándar, permite utilizar la información de los tamaños de los segmentos de vídeo incluida en los contenedores multimedia para evitar tomar decisiones de adaptación que desemboquen en paradas no deseadas en la reproducción de contenido multimedia. Con el objetivo de evaluar las posibles mejoras del algoritmo de adaptación presentado, se proponen tres modelos de evaluación objetiva de la QoE. Los modelos propuestos permiten predecir de forma sencilla la QoE que tendrían los usuarios de forma objetiva, utilizando parámetros conocidos como el bitrate medio, el PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) y el valor de VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion). Todos ellos aplicados a cada segmento. Finalmente, se estudia el comportamiento de DASH en entornos Wi-Fi con alta densidad de usuarios. En este contexto, se producen un número elevado de paradas en la reproducción por una mala estimación de la tasa de transferencia disponible debida al patrón ON/OFF de descarga de DASH y a la variabilidad del acceso al medio de Wi-Fi. Para paliar esta situación, se propone un servicio de coordinación basado en la tecnología SAND (MPEG's Server and Network Assisted DASH) que proporciona una estimación de la tasa de transferencia basada en la información del estado de los players de los clientes. / [CA] Aquesta tesi presenta diverses propostes encaminades a millorar la transmissió de vídeo a través de l'estàndard DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP). Aquest treball de recerca estudia el protocol de transmissió DASH i les seves característiques. Alhora, planteja la codificació amb qualitat constant i bitrate variable com a manera de codificació del contingut de vídeo més indicada per a la transmissió de contingut sota demanda mitjançant l'estàndard DASH. Derivat de la proposta d'utilització de la manera de codificació de qualitat constant, cobra major importància el paper que juguen els algorismes d'adaptació en l'experiència dels usuaris en consumir el contingut. En aquest sentit, aquesta tesi presenta un algoritme d'adaptació denominat Look Ahead el qual, sense modificar l'estàndard, permet utilitzar la informació de les grandàries dels segments de vídeo inclosa en els contenidors multimèdia per a evitar prendre decisions d'adaptació que desemboquin en una parada indesitjada en la reproducció de contingut multimèdia. Amb l'objectiu d'avaluar les possibles millores de l'algoritme d'adaptació presentat, es proposen tres models d'avaluació objectiva de la QoE. Els models proposats permeten predir de manera senzilla la QoE que tindrien els usuaris de manera objectiva, utilitzant paràmetres coneguts com el bitrate mitjà, el PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) i el valor de VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion). Tots ells aplicats a cada segment. Finalment, s'estudia el comportament de DASH en entorns Wi-Fi amb alta densitat d'usuaris. En aquest context es produeixen un nombre elevat de parades en la reproducció per una mala estimació de la taxa de transferència disponible deguda al patró ON/OFF de descàrrega de DASH i a la variabilitat de l'accés al mitjà de Wi-Fi. Per a pal·liar aquesta situació, es proposa un servei de coordinació basat en la tecnologia SAND (MPEG's Server and Network Assisted DASH) que proporciona una estimació de la taxa de transferència basada en la informació de l'estat dels players dels clients. / [EN] This thesis presents several proposals aimed at improving video transmission through the DASH (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP) standard. This research work studies the DASH transmission protocol and its characteristics. At the same time, this work proposes the use of encoding with constant quality and variable bitrate as the most suitable video content encoding mode for on-demand content transmission through the DASH standard. Based on the proposal to use the constant quality encoding mode, the role played by adaptation algorithms in the user experience when consuming multimedia content becomes more important. In this sense, this thesis presents an adaptation algorithm called Look Ahead which, without modifying the standard, allows the use of the information on the sizes of the video segments included in the multimedia containers to avoid making adaptation decisions that lead to undesirable stalls during the playback of multimedia content. In order to evaluate the improvements of the presented adaptation algorithm, three models of objective QoE evaluation are proposed. These models allow to predict in a simple way the QoE that users would have in an objective way, using well-known parameters such as the average bitrate, the PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) and the VMAF (Video Multimethod Assessment Fusion). All of them applied to each segment. Finally, the DASH behavior in Wi-Fi environments with high user density is analyzed. In this context, there could be a high number of stalls in the playback because of a bad estimation of the available transfer rate due to the ON/OFF pattern of DASH download and to the variability of the access to the Wi-Fi environment. To relieve this situation, a coordination service based on SAND (MPEG's Server and Network Assisted DASH) is proposed, which provides an estimation of the transfer rate based on the information of the state of the clients' players. / Belda Ortega, R. (2021). Mejora del streaming de vídeo en DASH con codificación de bitrate variable mediante el algoritmo Look Ahead y mecanismos de coordinación para la reproducción, y propuesta de nuevas métricas para la evaluación de la QoE [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/169467