Caching and prefetching for efficient video services in mobile networks

par Ali Gouta

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Anne-Marie Kermarrec.


  • Résumé

    Les réseaux cellulaires ont connu une croissance phénoménale du trafic alimentée par les nouvelles technologies d'accès cellulaire. Cette croissance est en grande partie tirée par l'émergence du trafic HTTP adaptatif streaming (HAS) comme une nouvelle technologie de diffusion des contenus vidéo. Le principe du HAS est de rendre disponible plusieurs qualités de la même vidéo en ligne et que les clients choisissent la meilleure qualité qui correspond à leur bande passante. Chaque niveau d'encodage est segmenté en des chunks, qui dont la durée varie de 2 à 10 secondes. L'émergence du HAS a introduit des nouvelles contraintes sur les systèmes de livraison des contenus vidéo en particulier sur les systèmes de caches. Dans ce contexte, nous menons une analyse détaillée des données du trafic HAS collecté en France et fournie par le plus grand opérateur de téléphonie mobile du pays. Tout d'abord, nous analysons et modélisons le comportement des clients qui demandent des contenus VoD et live. Ces analyses nous ont permis d'identifier les facteurs qui impactent la performance des systèmes de cache et de proposer un nouveau algorithme de remplacement de contenus qu'on appelle WA-LRU. WA-LRU exploite la localité temporelle des chunks dans le contenu et la connaissance de la charge du trafic dans le réseau afin d'améliorer la performance du cache. Ensuite, nous analysons et modélisons la logique d'adaptation entre les qualités vidéo basés sur des observations empiriques. Nous montrons que le changement fréquent entre les encodages réduit considérablement la performance des systèmes de cache. Dans ce contexte, nous présentons CF-DASH une implémentation libre d'un player DASH qui vise à réduire les changements fréquents entre qualités, assure une bonne QoE des clients et améliore la performance des systèmes de caches. La deuxième partie de la thèse est dédié à la conception, simulation et implémentation d'une solution de préchargement des contenus vidéo sur terminaux mobiles. Nous concevons un système que nous appelons «Central Predictor System (CPsys)" qui prédit le comportement des clients mobiles et leurs consommations des vidéos. Nous évaluons CPSys avec des traces de trafic réel. Enfin, nous développons une preuve de concept de notre solution de préchargement.

  • Titre traduit

    Caching et prefetching pour une livraison plus efficace des contenus vidéo dans les réseaux mobiles


  • Résumé

    Recently, cellular networks have witnessed a phenomenal growth of traffic fueled by new high speed broadband cellular access technologies. This growth is in large part driven by the emergence of the HTTP Adaptive Streaming (HAS) as a new video delivery method. In HAS, several qualities of the same videos are made available in the network so that clients can choose the quality that best fits their bandwidth capacity. This strongly impacts the viewing pattern of the clients, their switching behavior between video qualities, and thus beyond on content delivery systems. In this context, we provide an analysis of a real HAS dataset collected in France and provided by the largest French mobile operator. Firstly, we analyze and model the viewing patterns of VoD and live streaming HAS sessions and we propose a new cache replacement strategy, named WA-LRU. WA-LRU leverages the time locality of video segments within the HAS content. We show that WA-LRU improves the performance of the cache. Second, we analyze and model the adaptation logic between the video qualities based on empirical observations. We show that high switching behaviors lead to sub optimal caching performance, since several versions of the same content compete to be cached. In this context we investigate the benefits of a Cache Friendly HAS system (CF-DASH) which aims at improving the caching efficiency in mobile networks and to sustain the quality of experience of mobile clients. Third, we investigate the mobile video prefetching opportunities. We show that CPSys can achieve high performance as regards prediction correctness and network utilization efficiency. We further show that CPSys outperforms other prefetching schemes from the state of the art. At the end, we provide a proof-of-concept implementation of our prefetching system.


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