Analyse de Performance des Services de Vidéo Streaming Adaptatif dans les Réseaux Mobiles

Performance Analysis of HTTP Adaptive Video Streaming Services in Mobile Networks

• Auteur / Autrice : Zakaria Ye
• Direction : Rachid El-Azouzi, Tania Jiménez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 02/05/2017
• Etablissement(s) : Avignon en cotutelle avec Institut national des postes et télécommunications (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 536 « Sciences et agrosciences » (Avignon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire informatique d'Avignon
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Urvoy-Keller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachid El-Azouzi, Tania Jiménez, Guillaume Urvoy-Keller, Olivier Brun, Gerardo Rubino, Tijani Chahed, Francesco De Pellegrini, Salaheddine El Ayoubi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Brun, Gerardo Rubino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Modélisation des données (informatique)

Réseaux d'ordinateurs

Serveurs Web

Qualité

Streaming (télécommunications)

Mots clés libres

Streaming Vidéo

Streaming Adaptatif

Qualité d’Expérience

Backward-Shifted Coding

Scalable Video Coding

Caching

Video Streaming

Adaptive Streaming

Quality of Experience

Backward-Shifted Coding

Scalable Video Coding

Caching

Résumé

Le trafic vidéo a subi une augmentation fulgurante sur Internet ces dernières années. Pour pallier à cette importante demande de contenu vidéo, la technologie du streaming adaptatif sur HTTP est utilisée. Elle est devenue par ailleurs très populaire car elle a été adoptée par les différents acteurs du domaine de la vidéo streaming. C’est une technologie moins couteuse qui permet aux fournisseurs de contenu, la réutilisation des serveurs web et des caches déjà déployés. En plus, elle est exempt de tout blocage car elle traverse facilement les pare-feux et les translations d’adresses sur Internet. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle méthode de vidéo streaming adaptatif appelé “Backward-Shifted Coding (BSC)”. Il se veut être une solution complémentaire au standard DASH, le streaming adaptatif et dynamique utilisant le protocole HTTP. Nous allons d’abord décrire ce qu’est la technologie BSC qui se base sur le codec (encodeur décodeur) à multi couches SVC, un algorithme de compression extensible ou évolutif. Nous détaillons aussi l’implémentation de BSC dans un environnement DASH. Ensuite,nous réalisons une évaluation analytique de BSC en utilisant des résultats standards de la théorie des files d’attente. Les résultats de cette analyse mathématique montrent que le protocole BSC permet de réduire considérablement le risque d’interruption de la vidéo pendant la lecture, ce dernier étant très pénalisant pour les utilisateurs. Ces résultats vont nous permettre de concevoir des algorithmes d’adaptation de qualité à la bande passante en vue d’améliorer l’expérience utilisateur. Ces algorithmes permettent d’améliorer la qualité de la vidéo même étant dans un environnement où le débit utilisateur est très instable.La dernière étape de la thèse consiste à la conception de stratégies de caching pour optimiser la transmission de contenu vidéo utilisant le codec SVC. En effet, dans le réseau, des serveurs de cache sont déployés dans le but de rapprocher le contenu vidéo auprès des utilisateurs pour réduire les délais de transmission et améliorer la qualité de la vidéo. Nous utilisons la programmation linéaire pour obtenir la solution optimale de caching afin de le comparer avec nos algorithmes proposés. Nous montrons que ces algorithmes augmentent la performance du système tout en permettant de décharger les liens de transmission du réseau cœur.

Due to the growth of video traffic over the Internet in recent years, HTTP AdaptiveStreaming (HAS) solution becomes the most popular streaming technology because ithas been succesfully adopted by the different actors in Internet video ecosystem. Itallows the service providers to use traditional stateless web servers and mobile edgecaches for streaming videos. Further, it allows users to access media content frombehind Firewalls and NATs.In this thesis we focus on the design of a novel video streaming delivery solutioncalled Backward-Shifted Coding (BSC), a complementary solution to Dynamic AdaptiveStreaming over HTTP (DASH), the standard version of HAS. We first describe theBackward-Shifted Coding scheme architecture based on the multi-layer Scalable VideoCoding (SVC). We also discuss the implementation of BSC protocol in DASH environment.Then, we perform the analytical evaluation of the Backward-Sihifted Codingusing results from queueing theory. The analytical results show that BSC considerablydecreases the video playback interruption which is the worst event that users can experienceduring the video session. Therefore, we design bitrate adaptation algorithms inorder to enhance the Quality of Experience (QoE) of the users in DASH/BSC system.The results of the proposed adaptation algorithms show that the flexibility of BSC allowsus to improve both the video quality and the variations of the quality during thestreaming session.Finally, we propose new caching policies to be used with video contents encodedusing SVC. Indeed, in DASH/BSC system, cache servers are deployed to make contentsclosed to the users in order to reduce network latency and improve user-perceived experience.We use Linear Programming to obtain optimal static cache composition tocompare with the results of our proposed algorithms. We show that these algorithmsincrease the system overall hit ratio and offload the backhaul links by decreasing thefetched content from the origin web servers.