Internet applications are becoming more and more flexible to support diverge user demands and network conditions. This is reflected by technical concepts, which provide new adaptation mechanisms to allow fine grained adjustment of the application quality and the corresponding bandwidth requirements. For the case of video streaming, the scalable video codec H.264/SVC allows the flexible adaptation of frame rate, video resolution and image quality with respect to the available network resources. In order to guarantee a good user-perceived quality (Quality of Experience, QoE) it is necessary to adjust and optimize the video quality accurately. But not only have the applications of the current Internet changed. Within network and transport, new technologies evolved during the last years providing a more flexible and efficient usage of data transport and network resources. One of the most promising technologies is Network Virtualization (NV) which is seen as an enabler to overcome the ossification of the Internet stack. It provides means to simultaneously operate multiple logical networks which allow for example application-specific addressing, naming and routing, or their individual resource management. New transport mechanisms like multipath transmission on the network and transport layer aim at an efficient usage of available transport resources. However, the simultaneous transmission of data via heterogeneous transport paths and communication technologies inevitably introduces packet reordering. Additional mechanisms and buffers are required to restore the correct packet order and thus to prevent a disturbance of the data transport. A proper buffer dimensioning as well as the classification of the impact of varying path characteristics like bandwidth and delay require appropriate evaluation methods. Additionally, for a path selection mechanism real time evaluation mechanisms are needed. A better application-network interaction and the corresponding exchange of information enable an efficient adaptation of the application to the network conditions and vice versa. This PhD thesis analyzes a video streaming architecture utilizing multipath transmission and scalable video coding and develops the following optimization possibilities and results: Analysis and dimensioning methods for multipath transmission, quantification of the adaptation possibilities to the current network conditions with respect to the QoE for H.264/SVC, and evaluation and optimization of a future video streaming architecture, which allows a better interaction of application and network. / Die Applikationen im Internet passen sich immer besser an unterschiedliche Anforderungen der Nutzer und variierende Netzwerkbedingungen an. Neue Mechanismen ermöglichen die zielgerichtete Anpassung der Anwendungsqualität und damit der benötigten Bandbreite. Im Falle von Videostreaming ermöglicht der skalierbare Videocodec H.264/SVC, die flexible Veränderung der Bildwiederholungsrate, der Auflösung des Videos und der Bildqualität an die vorhandenen Ressourcen im Netzwerk. Um eine gute vom Nutzer erfahrene Dienstgüte (Quality of Experience, QoE) zu garantieren, muss die Videoqualität richtig angepasst und optimiert werden. Aber nicht nur die Anwendungen des heutigen Internets haben sich verändert. Gerade in den letzten Jahren entstanden neue Netzwerk- und Transporttechnologien, welche eine flexiblere und effizientere Nutzung der Kommunikationsnetze erlauben. Eine dieser Techniken ist die Virtualisierung von Netzwerken. Sie erlaubt es auf einem gemeinsamen physikalischen Netz verschiedene logische Netze zu betreiben, die zum Beispiel Anwendungs-abhängige Adressierung unterstützen, eigene Namensgebung erlauben oder ein individuelles Ressourcen Management ermöglichen. Neuartige Transportmechanismen wie Mehrpfadübertragung auf Netzwerk- und Transportebene des ISO/OSI Stacks streben eine effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Übertragungsmöglichkeiten an. Doch die simultane Übertragung von Daten über heterogene Kommunikationspfade und –technologien führt unausweichlich zu einer Veränderung der Reihenfolge, in der die Pakete ankommen. Es werden zusätzliche Mechanismen und Puffer benötigt, um die ursprüngliche Paketreihenfolge wieder herzustellen und so einen störenden Einfluss auf den Datentransport zu verhindern. Die richtige Dimensionierung dieser Puffer sowie die Klassifizierung des Einflusses von variierenden Pfadparametern wie Bandbreite und Verzögerungen setzen passende Evaluierungsmethoden voraus. Darüber hinaus werden für die Auswahl von geeigneten Pfaden aus einer Menge vorhandener Pfade echtzeitfähige Bewertungsmechanismen benötigt. Eine bessere Interaktion zwischen Applikationen und Netzwerk und der damit verbundene Informationsaustausch ermöglicht die effiziente Anpassung der Applikationsqualität an das Netzwerk und umgekehrt. Diese Doktorarbeit analysiert eine auf Mehrpfadübertragung und skalierbarer Videokodierung basierende Videostreaming Architektur und erarbeitet die folgenden Optimierungsmöglichkeiten und Auswertungen: Analyse- und Dimensionierungsmethoden für Mehrpfadübertragung, Quantifizierung der Anpassungsmöglichkeiten von SVC an das Netzwerk unter Berücksichtigung der QoE und Evaluierung und Optimierung einer zukünftigen Videostreaming Architektur, welche eine stärkere Interaktion zwischen Applikation und Netzwerk ermöglicht.

The thesis focuses on Quality of Experience (QoE) of HTTP adaptive video streaming (HAS) and traffic management in access networks to improve the QoE of HAS. First, the QoE impact of adaptation parameters and time on layer was investigated with subjective crowdsourcing studies. The results were used to compute a QoE-optimal adaptation strategy for given video and network conditions. This allows video service providers to develop and benchmark improved adaptation logics for HAS. Furthermore, the thesis investigated concepts to monitor video QoE on application and network layer, which can be used by network providers in the QoE-aware traffic management cycle. Moreover, an analytic and simulative performance evaluation of QoE-aware traffic management on a bottleneck link was conducted. Finally, the thesis investigated socially-aware traffic management for HAS via Wi-Fi offloading of mobile HAS flows. A model for the distribution of public Wi-Fi hotspots and a platform for socially-aware traffic management on private home routers was presented. A simulative performance evaluation investigated the impact of Wi-Fi offloading on the QoE and energy consumption of mobile HAS. / Die Doktorarbeit beschäftigt sich mit Quality of Experience (QoE) – der subjektiv empfundenen Dienstgüte – von adaptivem HTTP Videostreaming (HAS) und mit Verkehrsmanagement, das in Zugangsnetzwerken eingesetzt werden kann, um die QoE des adaptiven Videostreamings zu verbessern. Zuerst wurde der Einfluss von Adaptionsparameters und der Zeit pro Qualitätsstufe auf die QoE von adaptivem Videostreaming mittels subjektiver Crowdsourcingstudien untersucht. Die Ergebnisse wurden benutzt, um die QoE-optimale Adaptionsstrategie für gegebene Videos und Netzwerkbedingungen zu berechnen. Dies ermöglicht Dienstanbietern von Videostreaming verbesserte Adaptionsstrategien für adaptives Videostreaming zu entwerfen und zu benchmarken. Weiterhin untersuchte die Arbeit Konzepte zum Überwachen von QoE von Videostreaming in der Applikation und im Netzwerk, die von Netzwerkbetreibern im Kreislauf des QoE-bewussten Verkehrsmanagements eingesetzt werden können. Außerdem wurde eine analytische und simulative Leistungsbewertung von QoE-bewusstem Verkehrsmanagement auf einer Engpassverbindung durchgeführt. Schließlich untersuchte diese Arbeit sozialbewusstes Verkehrsmanagement für adaptives Videostreaming mittels WLAN Offloading, also dem Auslagern von mobilen Videoflüssen über WLAN Netzwerke. Es wurde ein Modell für die Verteilung von öffentlichen WLAN Zugangspunkte und eine Plattform für sozialbewusstes Verkehrsmanagement auf privaten, häuslichen WLAN Routern vorgestellt. Abschließend untersuchte eine simulative Leistungsbewertung den Einfluss von WLAN Offloading auf die QoE und den Energieverbrauch von mobilem adaptivem Videostreaming.

In the past two decades, there has been a trend to move from traditional television to Internet-based video services. With video streaming becoming one of the most popular applications in the Internet and the current state of the art in media consumption, quality expectations of consumers are increasing. Low quality videos are no longer considered acceptable in contrast to some years ago due to the increased sizes and resolution of devices. If the high expectations of the users are not met and a video is delivered in poor quality, they often abandon the service. Therefore, Internet Service Providers (ISPs) and video service providers are facing the challenge of providing seamless multimedia delivery in high quality. Currently, during peak hours, video streaming causes almost 58\% of the downstream traffic on the Internet. With higher mobile bandwidth, mobile video streaming has also become commonplace. According to the 2019 Cisco Visual Networking Index, in 2022 79% of mobile traffic will be video traffic and, according to Ericsson, by 2025 video is forecasted to make up 76% of total Internet traffic. Ericsson further predicts that in 2024 over 1.4 billion devices will be subscribed to 5G, which will offer a downlink data rate of 100 Mbit/s in dense urban environments. One of the most important goals of ISPs and video service providers is for their users to have a high Quality of Experience (QoE). The QoE describes the degree of delight or annoyance a user experiences when using a service or application. In video streaming the QoE depends on how seamless a video is played and whether there are stalling events or quality degradations. These characteristics of a transmitted video are described as the application layer Quality of Service (QoS). In general, the QoS is defined as "the totality of characteristics of a telecommunications service that bear on its ability to satisfy stated and implied needs of the user of the service" by the ITU. The network layer QoS describes the performance of the network and is decisive for the application layer QoS. In Internet video, typically a buffer is used to store downloaded video segments to compensate for network fluctuations. If the buffer runs empty, stalling occurs. If the available bandwidth decreases temporarily, the video can still be played out from the buffer without interruption. There are different policies and parameters that determine how large the buffer is, at what buffer level to start the video, and at what buffer level to resume playout after stalling. These have to be finely tuned to achieve the highest QoE for the user. If the bandwidth decreases for a longer time period, a limited buffer will deplete and stalling can not be avoided. An important research question is how to configure the buffer optimally for different users and situations. In this work, we tackle this question using analytic models and measurement studies. With HTTP Adaptive Streaming (HAS), the video players have the capability to adapt the video bit rate at the client side according to the available network capacity. This way the depletion of the video buffer and thus stalling can be avoided. In HAS, the quality in which the video is played and the number of quality switches also has an impact on the QoE. Thus, an important problem is the adaptation of video streaming so that these parameters are optimized. In a shared WiFi multiple video users share a single bottleneck link and compete for bandwidth. In such a scenario, it is important that resources are allocated to users in a way that all can have a similar QoE. In this work, we therefore investigate the possible fairness gain when moving from network fairness towards application-layer QoS fairness. In mobile scenarios, the energy and data consumption of the user device are limited resources and they must be managed besides the QoE. Therefore, it is also necessary, to investigate solutions, that conserve these resources in mobile devices. But how can resources be conserved without sacrificing application layer QoS? As an example for such a solution, this work presents a new probabilistic adaptation algorithm that uses abandonment statistics for ts decision making, aiming at minimizing the resource consumption while maintaining high QoS. With current protocol developments such as 5G, bandwidths are increasing, latencies are decreasing and networks are becoming more stable, leading to higher QoS. This allows for new real time data intensive applications such as cloud gaming, virtual reality and augmented reality applications to become feasible on mobile devices which pose completely new research questions. The high energy consumption of such applications still remains an issue as the energy capacity of devices is currently not increasing as quickly as the available data rates. In this work we compare the optimal performance of different strategies for adaptive 360-degree video streaming. / In den vergangenen zwei Jahrzehnten gab es einen starken Trend weg vom traditionellen Fernsehen hin zum Videostreaming über das Internet. Dabei macht Videostreaming zurzeit den größten Anteil des gesamten Internetverkehrs aus. Beim Herunterladen eines Internetvideos wird das Video vor dem Ausspielen in einem Puffer beim Client zwischengespeichert, um Netzfluktuationen zu kompensieren. Leert sich der Puffer, so muss das Video stoppen (Stalling), um Daten nachzuladen. Um dies zu verhindern, müssen Pufferstrategien und -Parameter optimal an Nutzerszenarien angepasst sein. Mit diesem Problem beschäftigen wir uns im ersten Kapitel dieser Arbeit unter Anwendung von Wartschlangenmodelle, numerische Simulationen und Messstudien. Zur Bewertung der Güte eines Videostreams nutzen wir ein Modell, das auf subjektiven Studien basiert. Mit HTTP Adaptive Streaming hat der Videoplayer die Fähigkeit, Videosegmente in einer an die Bandbreite angepasster Bitrate und somit auch angepasster Qualität anzufordern. Somit kann die Leerung des Puffers gebremst und Stalling verhindert werden. Allerdings hat neben Stalling auch die Videoqualität und die Anzahl der Qualitätswechsel Auswirkungen auf die Zufriedenheit der Zuschauer. Inwiefern diese Parameter optimiert werden können, untersuchen wir im zweiten Kapitel mit Hilfe von linearen und quadratischen Programmen sowie einem Warteschlangenmodell. Hierbei untersuchen wie auch die Fairness in Netzen mit mehreren Nutzern und 360-Grad Videos. Im dritten Kapitel untersuchen wir Möglichkeiten, Videostreaming ressourcenschonender zu gestalten. Hierzu untersuchen wir in einer Feldstudie die Möglichkeit Caches an WiFi-Hotspots einzusetzen und somit redundanten Verkehr zu reduzieren. Wir untersuchen das Verhalten von mobilen Videonutzern, indem wir eine Nutzerstudie auswerten. Außerdem stellen wir einen neuen Adaptionsalgorithmus vor, der abhängig vom Nutzerverhalten den Datenverbrauch und Stromverbrauch des Videostreams reduziert.

Für Übertragung von Live-Videodaten an mehrere Empfänger gibt es als etablierte Technologien die Übertragung per Multicast an mehrere Empfänger sowie die Unicast-Übertragung an jeden Empfänger von einem Verteilpunkt aus. Nachteilig ist im ersten Fall, dass viele ISPs kein Multicast unterstützen, im zweiten Fall der hohe Bandbreitenbedarf am Verteilpunkt. Die Unterschiede in der verfügbaren Bandbreite von ISP-Zugängen (DSL, ISDN) und Campusnetzwerken (z.B. Studentennetzen) erfordern es, das Videomaterial in mehreren Qualitätsstufen anzubieten. Im Team wurde ein System entworfen und realisiert, das aus einer Quelle effizient verschiedene Qualitätsstufen des Videomaterials erzeugt ("Videoteil") und dieses mittels Peer-To-Peer-Technologie verteilt ("Netzwerkteil"). Diese Arbeit enthält den den Netzwerkteil.

Für Übertragung von Live-Videodaten an mehrere Empfänger gibt es als etablierte Technologien die Übertragung per Multicast an mehrere Empfänger sowie die Unicast-Übertragung an jeden Empfänger von einem Verteilpunkt aus. Nachteilig ist im ersten Fall, dass viele ISPs kein Multicast unterstützen, im zweiten Fall der hohe Bandbreitenbedarf am Verteilpunkt. Die Unterschiede in der verfügbaren Bandbreite von ISP-Zugängen (DSL, ISDN) und Campusnetzwerken (z.B. Studentennetzen) erfordern es, das Videomaterial in mehreren Qualitätsstufen anzubieten. Im Team wurde ein System entworfen und realisiert, das aus einer Quelle effizient verschiedene Qualitätsstufen des Videomaterials erzeugt ("Videoteil") und dieses mittels Peer-To-Peer-Technologie verteilt ("Netzwerkteil"). Diese Arbeit enthält den den Netzwerkteil.