Dynamic network resource management and service adaptation in interactive digital broadcasting systems for achieving the maximum possible quality of service

Abstract

This Ph.D. thesis contributes to the optimised exploitation of Interactive Digital Video Broadcasting for Terrestrial (IDVB-T) networks as part of a multimedia service infrastructure for the delivery of on-demand audiovisual content at maximum possible quality and at the same time with optimal utilisation of the available network resources. Towards this, it proposes, designs, implements and evaluates a distributed Network Resource Management and Service Adaptation mechanism where the network resource allocation and service adaptation processes are performed at a local level within each intermediate distribution node (Cell Main Node – CMN).In more detail, and prior to the design of the proposed mechanism, a survey regarding the existing Network Resource Management (NRM) and Service Adaptation (SA) research efforts in IDVB-T networks was carried out. The results showed the existence of mechanisms operating either in centralised or in semi-distributed configurations, prone as such to scalability or single point of failure issues. In contrast, this thesis proposes a distributed operating NRA-SA mechanism that resides in the periphery nodes (CMNs) of the IDVB-T network enabling by design for better scalability and single point of failure tolerance. The evaluation of the proposed mechanism was performed in a real IDVB-T network for both UDP and TCP media streaming services.The validation tests regarding the NRM part of the proposed mechanism revealed its capacity to perform equally well with the existing ones, namely the centralised and semi-distributed NRM mechanisms, but having, by design, better scalability and fault tolerance performance. In the same direction, the performance evaluation of the service adaptation part, showed the ability of the system to provide for a real time accommodation of both UDP and TCP based media services to the available network resources, using transcoding and TCP window management techniques respectively. More specifically, the latter technique when used for adapting HTTP Adaptive Streaming services achieved much lower TCP Round Trip Times (88% less) and zero retransmissions compared with conventional traffic shaping; a result which could, in principle, lead to less TCP rate variations and thus less Quality Profile fluctuations of the HTTP Adaptive Streaming services. Finally, this thesis acknowledging that, despite the use of the most efficient network resource (re)allocation and service adaptation schemes, the scarce resources of the DVB-T link could pose a significant challenge to the system’s (IDVB-T) scalability, when the delivery of popular Internet media services (e.g. YouTube) comes to the foreground, it introduces the parallel use of a Network Load Minimiser (NLM) mechanism. NLM targets specifically HTTP Adaptive Streaming services—it is anticipated that most of the Internet based video services will exploit HTTP Adaptive Streaming, as YouTube already does—and is designed to address the drain of DVB-T link’s available capacity when these services enter the IDVB-T domain. Its experimental evaluation revealed network load decreases that can reach up to 53% (the percentage increases as more users request the same media service). A positive side effect of this mechanism was the elimination of quality unfairness amongst the receiving IDVB-T users since all of them were receiving the media service at the same Quality Profile.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στη βέλτιστη λειτουργία των αποκεντρωμένων δικτύων επίγειας ψηφιακής διαδραστικής ευρυεκπομπής για την μεταφορά πολυμεσικών υπηρεσιών με την μέγιστη δυνατή ποιότητα υπηρεσίας, λαμβάνοντας υπ’ όψιν τους διαθέσιμους – ανά πάσα στιγμή – διακτυακούς πόρους. Προς την κατεύθυνση αυτή σχεδιάστηκε, υλοποιήθηκε και αξιολογήθηκε ένας μηχανισμός για την δυναμική διαχείριση δικτυακών πόρων και προσαρμογή των πολυμεσικών υπηρεσιών, στον κάθε ενδιάμεσο κόμβο διανομής του δικτύου επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής. Στα πλαίσια αυτά και πρότερα του σχεδιασμού του προτεινόμενου μηχανισμού διεξάχθηκε βιβλιογραφική έρευνα, η οποία έδειξε την ύπαρξη μηχανισμών διαχείρισης δικτυακών πόρων και προσαρμογής υπηρεσιών που λειτουργούσαν ακολουθώντας κεντροποιημένες ή ημικατανεμημένες προσεγγίσεις, οι οποίες όμως αντιμετωπίζουν θέματα κλιμακοθεσιμότητας και αποτυχίας κεντρικού σημείου. Σε αντιδιαστολή, η παρούσα διατριβή προτείνει την υλοποίηση ενός μηχανισμού κατανεμημένης διαχείρισης των δικτυακών πόρων και προσαρμογής των υπηρεσιών, ο οποίος εδρεύει εξολοκλήρου στους περιφερειακούς κόμβους του δικτύου επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής, αντιμετωπίζοντας έτσι «εκ σχεδιασμού» τα προαναφερθέντα θέματα. Η αξιολόγηση του προτεινόμενου μηχανισμού έλαβε χώρα σε ένα πρότυπο δίκτυο διαδραστικής επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής, τόσο για UDP όσο και για TCP πολυμεσικές υπηρεσίες.Τα πειραματικά αποτελέσματα, αναφορικά με τη διαχείριση των δικτυακών πόρων, έδειξαν την ικανότητα της προτεινόμενης λύσης να λειτουργεί εξίσου καλά με τους υπάρχοντες κεντροποιημένους και ημικατανεμημένους μηχανισμούς διαχείρισης δικτυακών πόρων, παρέχοντας όμως, λόγω του κατανεμημένου σχεδιασμού, καλύτερη κλιμακοθεσιμότητα και ανοχή σε λάθη. Στα ίδια πλαίσια, η αξιολόγηση του συστήματος προσαρμογής υπηρεσιών έδειξε την ικανότητα του να προσαρμόζει αποδοτικά τόσο TCP όσο και UDP υπηρεσίες εικόνας/ήχου στους διαθέσιμους δικτυακούς πόρους, χρησιμοποιώντας είτε την τεχνική προσαρμογής του TCP διαφημιζόμενου παραθύρου είτε την τεχνική διακωδικοποίησης. Πιο ειδικά η πρώτη τεχνική όταν χρησιμοποιήθηκε για την προσαρμογή HTTP Adaptive Streaming υπηρεσιών έδωσε 88% μικρότερη αμφίδρομη καθυστέρηση (Round Trip Time-RTT) και μηδενικές TCP επανεκπομπές πακέτων, συγκρινόμενη με τη χρήση συμβατικών τεχνικών μορφοποίησης κίνησης· ένα αποτέλεσμα το οποίο μπορεί να επιφέρει μείωση στον αριθμό αλλά και στο εύρος των διακυμάνσεων του TCP ρυθμού ροής έχοντας έτσι σαν συνέπεια τη μείωση των εναλλαγών μεταξύ των διαφορετικών επιπέδων ποιότητας (Quality Profiles) που εμπεριέχει κάθε HTTP Adaptive Streaming υπηρεσία. Αναγνωρίζοντας ότι παρόλη τη χρήση των μηχανισμών διαχείρισης δικτυακών πόρων και προσαρμογής υπηρεσιών, οι περιορισμένοι δικτυακοί πόροι του καναλιού ευρυεκπομπής (UHF ζεύξη) αποτελούν μια σημαντική πρόκληση στην κλιμακοθεσιμότητα των αποκεντρωμένων δικτύων επίγειας ψηφιακής ευρυεκπομπής—ιδιαίτερα όταν στο προσκήνιο μπαίνει η μεταφορά δημοφιλών διαδικτυακών υπηρεσιών εικόνας και ήχου (π.χ. YouTube video clips)—εισάγεται η χρήση ενός μηχανισμού ελαχιστοποίησης του δικτυακού φόρτου. Ο μηχανισμός αυτός στοχεύει ειδικά στις HTTP Adaptive Streaming υπηρεσίες, καθότι αναμένεται ότι το πλήθος των διαδικτυακών υπηρεσιών εικόνας/ήχου θα χρησιμοποιεί HTTP Adaptive Streaming, όπως το YouTube. Η πειραματική αξιολόγηση του εν λόγω μηχανισμού έδωσε μειώσεις δικτυακού φόρτου που αγγίζουν το 53% (το ποσοστό θα αυξάνει όσο αυξάνει και ο αριθμός των χρηστών που αιτείται παράλληλα την ίδια υπηρεσία). Τέλος, επισημαίνεται μια θετική παρενέργεια του εν λόγω μηχανισμού που είναι η εξάλειψη της άνισης κατανομής ποιότητα υπηρεσίας στους χρήστες, καθώς όλοι τους λαμβάνουν το ίδιο ποιοτικό επίπεδο (Quality Profile) της HTTP Adaptive Streaming υπηρεσίας.