Not long ago streaming video over the Internet included only short clips of low quality video. Now the possibilities seem endless as professional productions are made available in high definition. This explosion of growth is the result of several factors, such as increasing network performance, advancements in video encoding technology, improvements to video streaming techniques, and a growing number of devices capable of handling video. However, despite the improvements to Internet video streaming this paradigm is still evolving. HTTP adaptive streaming involves encoding a video at multiple quality levels then dividing those quality levels into small chunks. The player can then determine which quality level to retrieve the next chunk from in order to optimize video playback when considering the underlying network conditions. This thesis first presents an experimental framework that allows for adaptive streaming players to be analyzed and evaluated. Evaluation is beneficial because there are several concerns with the adaptive video streaming ecosystem such as achieving a high video playback quality while also ensuring stable playback quality. The primary contribution of this thesis is the evaluation of prefetching by a proxy server as a means to improve streaming performance. This work considers an implementation of a proxy server that is functional with the extremely popular Netflix streaming service, and it is evaluated using two Netflix players. The results show its potential to improve video streaming performance in several scenarios. It effectively increases the buffer capacity of the player as chunks can be prefetched in advance of the player's request then stored on the proxy to be quickly delivered once requested. This allows for degradation in network conditions to be hidden from the player while the proxy serves prefetched data, preventing a reduction to the video quality as a result of an overreaction by the player. Further, the proxy can reduce the impact of the bottleneck in the network, achieving higher throughput by utilizing parallel connections to the server.

Being able to interact with video streams can be both fun, educational and provide help during disaster situations. However, to achieve the best user experience the interaction must be seamless. This thesis presents the design and implementation of an interface for a media player that allows for users to view multiple video streams of the same event from different geographical positions and angles. The thesis first describes the system design and methods used to implement this kind of media player and explains how to achieve a seemingly good and, to a higher extent, enjoyable video streaming experience. Second, an algorithm is developed for placing each video stream object on the interface's geographic-based map automatically. These objects are placed to ensure the relative positions of the objects compared to the real world. The end result of this project is a proof-of-concept media player which enables a user to see an overview over a geographical streaming area. Presented with the relative location of each stream to the point of interest the player allows the user to click on that stream and switch to viewing the recordings from that point of view. While the resulting player is not yet seamless, the result of this project shows the command-and-control center as initially envisioned. Implementing seamless, uninterrupted, switching between the video streams is outside the scope of this thesis. However, as demonstrated and argued in the thesis, the work done here and the developed software code will allow for easy integration of more advanced prefetching algorithms in future and parallel works.

Le trafic vidéo s’est considérablement accru et est prévu de doubler pour représenter 82% du trafic Internet d’ici 2021. Une telle croissance surcharge les fournisseurs de services Internet (ISP), nuisant à la Qualité d’Expérience (QoE) perçue par les utilisateurs. Cette thèse vise à améliorer la QoE des utilisateurs de streaming vidéo sans hypothèse de changement d’infrastructure physique des opérateurs. Pour cela, nous combinons les technologies de caching réseau, de streaming HTTP adaptatif (HAS), et de transport multipath. Nous explorons d’abord l’interaction entre HAS et caching, pour montrer que les algorithmes d’adaptation de qualité vidéo ont besoin de savoir qu’il y a un cache et ce qui y est stocké, et proposons des algorithmes bénéficiant de cette connaissance. Concluant sur la difficulté d’obtenir la connaissance de l’état du cache, nous étudions ensuite un système de distribution vidéo à large échelle, où les caches sont représentés par un réseau de distribution du contenu (CDN). Un CDN déploie des caches à l’intérieur des réseaux des ISP, et dispose de ses propres serveurs externes. L’originalité du problème vient de l’hypothèse que nous faisons que l’utilisateur est simultanément connecté à 2 ISP. Ceci lui permet d’accéder en multipath aux serveurs externes aux ISP (pouvant ainsi accroître le débit mais chargeant plus les ISP), ou streamer le contenu depuis un cache plus proche mais avec un seul chemin. Ce désaccord entre les objectifs du CDN et de l’ISP conduit à des performances sous-optimales. Nous développons un schéma de collaboration entre ISP et CDN qui permet de nous rapprocher de l’optimal dans certains cas, et discutons l’implémentation pratique. / Video traffic volume grew considerably in recent years and is forecasted to reach 82% of the total Internet traffic by 2021, doubling its net volume as compared to today. Such growth overloads Internet Service Providers' networks (ISPs), which negatively impacts users' Quality of Experience (QoE). This thesis attempts to tackle the problem of improving users' video QoE without relying on network upgrades. For this, we have chosen to combine such technologies as in-network caching, HTTP Adaptive Streaming (HAS), and multipath data transport. We start with exploration of interaction between HAS and caching; we confirm the need of cache-awareness in quality adaptation algorithms and propose such an extension to a state-of-the-art optimisation-based algorithm. Concluding on the difficulty of achieving cache-awareness, we take a step back to study a video delivery system on a large scale, where in-network caches are represented by Content Delivery Networks (CDNs). They deploy caches inside ISPs and dispose of their own outside video servers. As a novelty, we consider users to have a simultaneous connectivity to several ISP networks. This allows video clients either to access outside multipath servers with aggregate bandwidth (which may increase their QoE, but will also bring more traffic into ISP), or stream their content from a closer cache through only single connectivity (bringing less traffic into ISP). This disagreement in ISP and CDN objectives leads to suboptimal system performance. In response to this, we develop a collaboration scheme between two actors, performance of which can approach optimal boundary for certain settings, and discuss its practical implementation.

Předložená dizertační práce se zabývá moderními algoritmy pro kódovaní videosekvencí, zejména algoritmem High Efficiency Video Coding, a jeho použítím v prostředí online streamování. Vzhledem k tomu, že chování koncových diváků směřuje ke sledování video obsahu kdykoli a kdekoli, způsob, jakým je obsah doručen k divákovi, se stává stejně důležitým, jakým je samotné kódování. V této práci se zaměřujeme na užití HEVC ve službách založených na HTTP adaptivním streamování, zejména ve službách využívajích DASH. Dále se zabýváme dalšími aspekty, které mají vliv na kvalitu zážitku (Quality of Experience) tak, jak jej vnímá koncový uživatel. Takovými jsou na příklad přítomnost reklamy či další systémové parametry. Abychom mohli sbírat názory uživatelů, pro naše experimenty často používáme crowdsourcing. Z tohoto důvodu je část této práce věnována samotnému crowdsourcingu a tomu, jak jej lze využít pro hodnocení kvality videa.

En los últimos años, el consumo de servicios multimedia ha aumentado y se prevé que esta tendencia continúe en un futuro próximo, convirtiendo el tema de la evaluación de la Calidad de la Experiencia (QoE) en un tema muy importante para valorar el servicio de los proveedores. En este sentido, la optimización de la QoE recibe cada vez más atención ya que las soluciones actuales no han tenido en cuenta, la adaptación, la viabilidad, la rentabi-lidad y la fiabilidad. La presente memoria se centra en la caracterización, diseño, desarrollo y evaluación de diferentes aplicaciones multimedia, con el fin de optimizar la QoE. Por tanto, este trabajo investiga la influencia que la infraestructura de redes, las características de los videos y los terminales de los usuarios, presentan en la QoE de los servicios multimedia actuales en Internet. Esta tesis se basa en la investigación exhaustiva de la evaluación subjetiva y objetiva de QoE en redes heterogéneas. Los desafíos y cuestiones relacionados con el estado de la técnica y se discuten en esta disertación. En la primera fase, diseñamos una metodología de prueba para evaluar la QoE en la transmisión de video en directo y a través de plataformas de video bajo demanda en redes Wi-Fi y celulares. A partir de esta fase inicial, propondremos los problemas a investigar y las preguntas para resolver a lo largo de esta disertación. Nuestra metodología hace uso de métricas subjetivas y objetivas para evaluar la QoE percibida por los usuarios finales. Se realiza un conjunto de experimentos en laboratorio donde nuestra metodología de pruebas es aplicada. Los resultados obtenidos se recopilan y analizan para extraer las relaciones entre la Calidad de servicio (QoS) y QoE. A partir de estos resultados, se propone un mapeo de QoS-QoE que permite predecir la QoE. En la siguiente fase de la investigación, desarrollamos los algoritmos de optimización de QoE basados en la administración del sistema de red para redes Wi-Fi y celulares. Los algoritmos usan los parámetros clave que se tuvieron en cuenta para la evaluación de QoE. El objetivo de estos algorit-mos es proporcionar un sistema de gestión flexible para las redes con el ob-jetivo de lograr un equilibrio controlado entre la maximización de QoE y la eficiencia del uso de los recursos. Por último, se diseña el banco de pruebas del sistema para evaluar el rendimiento de las aplicaciones de servicios multimedia genéricos en los diferentes entornos de prueba. El banco de pruebas del sistema se basa en el enfoque de virtualización; usa los recursos compartidos de un hardware fí-sico para virtualizar todos los componentes. El banco de pruebas virtualiza-do proporciona funciones de red virtualizadas para diferentes escenarios, como Internet (las redes de distribución de contenido - CDNs) y redes inalámbricas. Por lo tanto, se adoptan protocolos livianos y mecanismos ágiles en el sistema, para proporcionar un mejor servicio a los usuarios fina-les. Los resultados de QoE son proporcionados a los proveedores de servi-cios de acuerdo con los parámetros que se definen en el proceso de la eva-luación. Como resultado hemos obtenido un sistema que presenta un servi-cio rentable como una forma factible para la evaluación de la prueba. / In recent years, multimedia services consumption has increased and it is expected that this trend will continue in the near future, becoming the evaluation of Quality of Experience (QoE) as a very important issue for assessing the quality of providers' services. In this sense, the optimization of the QoE is progressively receiving much attention considering that current solutions are not based on the adaptation, feasibility, cost-effectiveness, and reliability. The present dissertation is focused on the characterization, design, development and evaluation of different multimedia applications aimed to optimize the QoE. Therefore, this work investigates the influence that the networks infrastructure, the videos' characteristics and the users' terminals present on QoE of the current Internet multimedia services. The work is based on a comprehensive research of subjective and objective assessments in heterogeneous networks. Challenges and research questions related to the state of the art are discussed in this dissertation. In the first phase of this dissertation, we design a test methodology for assessing QoE of live video streaming and video on demand platforms to be transmitted over Wi-Fi and cellular networks. From this initial step, we will propound the related research issues and questions to solve this dissertation. Our methodology considers the use of subjective and objective metrics to evaluate the QoE perceived by end-users. A set of laboratory experiments is conducted where our proposed methodology is applied. The obtained results are gathered and analyzed to extract the relations between Quality of Service (QoS) and QoE. From the results, we propose a QoS-QoE mapping which allows predicting QoE. In the next phase of the research, we develop QoE-optimization algorithms based on network system management for Wi-Fi and cellular networks. The algorithms use the key parameters that were taken into account for QoE assessment. The goal of these algorithms is to provide a flexible management system for the networks in order to achieve the desirable trade-off between QoE maximization and resource usage efficiency. Lastly, the system testbed is designed in order to evaluate the performance of generic multimedia services applications for the different environments under test. The system testbed is based on virtualization approach; it uses the shared resources of a physical hardware to virtualize all components. The virtualized testbed provides virtualized network functions for the different scenarios such as the Internet (Content Delivery Networks - CDNs) and wireless networks. Therefore, lightweight protocols and agile mechanisms are adopted in the system to provide enhanced service to end-users. The QoE results are reported to the service providers according to the parameters defined in the evaluation process. As a result, we have obtained a cost-effective system, which is considered as a feasible way for test evaluation. / En els últims anys, el consum de serveis multimèdia ha augmentat i es preveu que aquesta tendència continue en un futur pròxim, convertitnt el tema de l'avaluació de la Qualitat d'Experiència (QoE) una tasca molt im-portant per a valorar el servei dels proveïdors. En aquest sentit, l'optimització de la QoE rep cada vegada més atenció degut a que les solucions actuals no tenen en compte, l'adaptació, la viabilitat, el rendiment i la fiabilitat. La present memòria se centra en la caracterització, disseny, desenvolupament i avaluació de diferents aplicacions multimèdia, amb la finalitat d'optimitzar la QoE. Per tant, aquest treball investiga la influència que la infraestructura de les xarxes, les característiques dels videos i els terminals dels usuaris tenen sobre la QoE dels serveis multimèdia actuals d'Iinternet. Aquesta tesi es basa en una recerca exhaustiva de l'avaluació subjectiva i objectiva de QoE en xarxes heterogènies. Els desafiaments i preguntes relacionats amb l'estat de la tècnica es discuteixen en aquesta dissertació. En la primera fase, dissenyem la metodologia de prova per a avaluar la QoE de transmissió de video en directe i de plataformes de video baix demanda en xarxes Wi-Fi i cel·lulars. A partir d'aquest primer pas, proposem els problemes de recerca relacionats i les preguntes a resoldre a través d'a-questa tesi. La nostra metodologia fa ús de mètriques subjectives i objecti-ves per a avaluar la QoE dels usuaris finals. Es realitzen un conjunt d'expe-riments en laboratori on s'aplica la nostra metodología. Els resultats obtin-guts es recopilen i analitzen per a extraure les relacions entre la QoS i la QoE. A partir d'aquests resultats, esproposa un mapatge de QoS-QoE que ens permetrà predir la QoE. En la següent fase de la recerca, desenvolupem els algoritmes d'optimi-tzació de la QoE per a l'administració de xarxes Wi-Fi i cel·lulars. Els algo-ritmes utilitzen els paràmetres clau que es van tenir en compte per a l'ava-luació de QoE. L'objectiu d'aquests algoritmes és proporcionar un sistema de gestió flexible per ales xarxes que permetrá aconseguir un equilibri con-trolat entre la maximització de la QoE i l'us eficient dels recursos. Finalment, el banc de proves del sistema està dissenyat per a avaluar el rendiment de les aplicacions de serveis multimèdia genèrics en els diferents entorns de prova. El banc de proves del sistema es basa en l'enfocament de virtualització; usa els recursos compartits d'un equip físic que virtualitza tots els components. El banc de proves virtualitzat proporciona les funcions de xarxa virtualitzades per a diferents escenaris, com Internet (les xarxes de distribució de continguts - CDNs) i xarxes sense fils. Per tant, s'adopten protocols lleugers i mecanismes àgils en el sistema per a proporcionar un millor servei als usuaris finals. Els resultats de QoE son proporcionats als proveïdors de serveis d'acord amb els paràmetres que es defineixen en el procés de l'avaluació. Com a resultat, hem obtés un sistema que presenta un servei rendible i com a viable per a l'avaluació de la prova. / Abdullah, MT. (2018). Smart Client-Server Protocol and Architecture for Adaptive Multimedia Streaming [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/103324