Quality of experience characterization and provisioning in mobile cellular networks

Abstract

Traditionally, previous generations of mobile cellular networks have been designed with Quality of Service (QoS) criteria in mind, so that they manage to meet specific service requirements. Quality of Experience (QoE) has, however, recently emerged as a concept, disrupting the design of future network generations by giving clear emphasis on the actually achieved user experience. The emergence of the QoE concept has been a result of the inevitable strong transition that the Telecom industry is currently experiencing from system-centric networks to more user-centric solutions and objectives. Mobile network operators, service providers, application developers, as well as other stakeholders involved in the service provisioning chain have been attracted by the opportunities that the integration of the QoE concept could bring to their business; indeed, the provisioned QoE constitutes a determining factor of differentiation among different stakeholders, a tendency which is expected to become even more intense in the years to come. Motivated by this boost towards user-centricity, the objective of the research conducted in this thesis is to explore the challenges and opportunities that arise in modern mobile cellular networks when QoE is considered. Such opportunities concern, first of all, the possibility to comprehend the QoE that a provider achieves when provisioning a service. This can be enabled by the implementation and integration of QoE assessment methods into the real-time operation of a network. Then, the next step is the exploitation of collected QoE-related intelligence in order to re-examine existing network-layer mechanisms (e.g., radio scheduling), or application-layer mechanisms (e.g., video streaming), as well as propose novel cross-layer approaches towards ameliorating the achieved QoE. Moreover, the opportunity emerges to propose novel algorithms that stem from the inherent idiosyncrasies of QoE, such as the non-linear impact of QoS-related parameters on QoE, as a way to further enhance the users’ QoE. In this direction, throughout this thesis, QoE estimation models and metrics are explored and exploited in order to quantify QoE and thus, to improve existing mechanisms of mobile cellular networks. The core of this thesis is the proposal of a QoE provisioning cycle that allows the control, monitoring (i.e., modeling) and management of QoE in a cellular network. Each one of these functions is further analyzed, while emphasis is given on the modeling and management operations. In terms of modeling, QoE assessment methods and QoE-related performance indicators are described and classified. Parametric quality estimation is identified as the most appealing type of QoE estimation in mobile cellular networks, thus, it is thoroughly described for widely used types of services, such as Voice over IP (VoIP) and video streaming. In terms of QoE management, novel QoE-aware mechanisms that demonstrate QoE improvements for the users are proposed, namely: a) a QoE-driven Device-to-Device (D2D) communication management scheme that enhances end-user QoE, b) a “consistent” radio scheduling algorithm that improves the end-user QoE by mitigating throughput fluctuations, and c) a context-aware HTTP Adaptive Streaming (HAS) mechanism that successfully mitigates stallings (i.e., video freezing events) in the context of bandwidth-challenging scenarios. Moreover, a programmable QoE-SDN APP into the Software-Defined Networking (SDN) architecture is introduced, which enables network feedback exposure from mobile network operators to video service providers, revealing QoE benefits for the customers of video providers and bandwidth savings for the network operators. Overall, this thesis promotes the uniting of the domain of QoE with the domain of mobile communications, as well as the collaboration of mutual-interest between mobile network operators (network layer) and service providers (application layer), presenting the high potential from such approaches for all involved stakeholders.

Παραδοσιακά, οι προηγούμενες γενεές κινητών κυψελωτών δικτύων έχουν σχεδιαστεί με κριτήρια Ποιότητας Υπηρεσίας, έτσι ώστε να πληρούν συγκεκριμένες απαιτήσεις διαφόρων υπηρεσιών. Η «Ποιότητα Εμπειρίας» έχει, ωστόσο, πρόσφατα εμφανιστεί ως έννοια, επηρεάζοντας το σχεδιασμό των μελλοντικών γενεών των δικτύων, δίνοντας σαφή έμφαση στην πραγματικά επιτευχθείσα εμπειρία του τελικού χρήστη. Η εμφάνιση της έννοιας της Ποιότητας Εμπειρίας οφείλεται στην αναπόφευκτη, ισχυρή μετάβαση που βιώνει η βιομηχανία των Τηλεπικοινωνιών από συστημο-κεντρικά δίκτυα σε πιο χρηστο-κεντρικές λύσεις και στόχους. Οι πάροχοι κινητών δικτύων, οι πάροχοι υπηρεσιών, οι προγραμματιστές εφαρμογών, αλλά και άλλα ενδιαφερόμενα μέλη που εμπλέκονται στην αλυσίδα παροχής υπηρεσιών προσελκύονται από τις ευκαιρίες που μπορεί να προσφέρει η ενσωμάτωση γνώσης Ποιότητας Εμπειρίας στο επιχειρηματικό τους μοντέλο. Πράγματι, η παρεχόμενη Ποιότητα Εμπειρίας αποτελεί έναν καθοριστικό παράγοντα διαφοροποίησης μεταξύ των διαφόρων παικτών, μία τάση που αναμένεται να γίνει ακόμη πιο έντονη τα επόμενα χρόνια. Υποκινούμενη από αυτή την χρηστο-κεντρική τάση, η έρευνα που διεξάγεται σε αυτή τη διατριβή έχει ως στόχο την διερεύνηση των προκλήσεων και των ευκαιριών που προκύπτουν στα σύγχρονα κινητά κυψελωτά δίκτυα όταν λαμβάνεται υπόψιν η έννοια της Ποιότητας Εμπειρίας. Τέτοιες ευκαιρίες αφορούν, καταρχήν, τη δυνατότητα κατανόησης της Ποιότητας Εμπειρίας που επιτυγχάνει ένας πάροχος κατά την προσφορά μίας υπηρεσίας. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την υλοποίηση και ενσωμάτωση μεθόδων αξιολόγησης Ποιότητας Εμπειρίας στην πραγματικού-χρόνου λειτουργία ενός δικτύου. Εν συνεχεία, ακολουθεί η εκμετάλλευση της συλλεγμένης ευφυΐας που σχετίζεται με την Ποιότητα Εμπειρίας, προκειμένου να επανεξεταστούν υφιστάμενοι μηχανισμοί επιπέδου δικτύου (π.χ., χρονο-προγραμματισμός ραδιοπόρων) ή μηχανισμοί επιπέδου εφαρμογής (π.χ., ροή βίντεο), αλλά και να προταθούν καινοτόμες διαστρωματικές προσεγγίσεις προς όφελος της Ποιότητας Εμπειρίας. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα πρότασης νέων αλγορίθμων που προκύπτουν από τα εγγενή χαρακτηριστικά της Ποιότητας Εμπειρίας, όπως η μη γραμμική επίδραση μετρικών Ποιότητας Υπηρεσίας στην Ποιότητα Εμπειρίας, με στόχο την περαιτέρω βελτίωσή της. Σε αυτή την κατεύθυνση, στην παρούσα διατριβή, διερευνώνται και αξιοποιούνται μοντέλα και μετρικές εκτίμησης Ποιότητας Εμπειρίας με στόχο την ποσοτικοποίησή της, έχοντας ως απώτερο στόχο την εισαγωγή βελτιώσεων στους υφιστάμενους μηχανισμούς κινητών κυψελωτών δικτύων. Ο πυρήνας αυτής της διατριβής είναι η πρόταση μίας κυκλικής διεργασίας παροχής Ποιότητας Εμπειρίας που επιτρέπει τον έλεγχο, την παρακολούθηση (ήτοι, τη μοντελοποίηση) και τη διαχείριση της Ποιότητας Εμπειρίας σε ένα κυψελωτό δίκτυο. Κάθε μία από αυτές τις λειτουργίες αναλύεται περαιτέρω, ενώ έμφαση δίνεται στις λειτουργίες μοντελοποίησης και διαχείρισης. Όσον αφορά τη μοντελοποίηση, γίνεται περιγραφή και ταξινόμηση των μεθόδων εκτίμησης και των δεικτών επιδόσεων Ποιότητας Εμπειρίας. Η παραμετρική εκτίμηση της ποιότητας αναδεικνύεται ως η πιο ελκυστική κατηγορία μοντελοποίησης Ποιότητας Εμπειρίας σε κινητά κυψελωτά δίκτυα, οπότε και περιγράφεται διεξοδικά για ευρέως χρησιμοποιούμενους τύπους υπηρεσιών, όπως η συνομιλία (φωνή) μέσω Internet Protocol (IP) και η μετάδοση βίντεο. Όσον αφορά τη διαχείριση Ποιότητας Εμπειρίας, προτείνονται νέοι μηχανισμοί που επιδεικνύουν βελτιώσεις στην εμπειρία των τελικών χρηστών, και συγκεκριμένα: α) ένα σχήμα ελέγχου των επικοινωνιών συσκευής-προς-συσκευή που λαμβάνει υπόψιν την εμπειρία των χρηστών, β) ένας «συνεπής» αλγόριθμος χρονο-προγραμματισμού ραδιοπόρων που βελτιώνει την Ποιότητα Εμπειρίας του χρήστη μετριάζοντας τις διακυμάνσεις της ρυθμαπόδοσης του δικτύου, και γ) ένας μηχανισμός προσαρμοστικής ροής βίντεο με γνώσεις «πλαισίου», ο οποίος επιτυγχάνει την εξάλειψη διακοπών του βίντεο σε συνθήκες χαμηλού εύρους ζώνης. Επιπλέον, προτείνεται μία εφαρμογή Ποιότητας Εμπειρίας βασισμένη στην αρχιτεκτονική Software-Defined Networking (SDN), ονόματι “QoE-SDN APP”, η οποία επιτρέπει την ανάδραση πληροφοριών δικτύου από παρόχους κινητής τηλεφωνίας σε παρόχους υπηρεσιών βίντεο, αναδεικνύοντας πλεονεκτήματα ως προς την Ποιότητα Εμπειρίας για τους πελάτες των παρόχων βίντεο αλλά και ως προς την εξοικονόμηση εύρους ζώνης για τους φορείς εκμετάλλευσης δικτύου. Εν κατακλείδι, η παρούσα διατριβή προωθεί την ενοποίηση του ερευνητικού πεδίου της Ποιότητας Εμπειρίας με τον τομέα των κινητών επικοινωνιών, καθώς και τη συνεργασία αμοιβαίου ενδιαφέροντος μεταξύ των παρόχων δικτύου (επίπεδο δικτύου) με τους παρόχους υπηρεσιών (επίπεδο εφαρμογής), αναδεικνύοντας την δυναμική από τέτοιου είδους προσεγγίσεις για όλους τους εμπλεκόμενους φορείς.