Apprentissage Automatique pour la Gestion des Ressources Réseau

Machine Learning for Network Resource Management

• Auteur / Autrice : Nesrine Ben Hassine
• Direction : Dominique Barth, Pascale Minet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Données et algorithmes pour une ville intelligente et durable (Versailles ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Joffroy Beauquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Danny De Vleeschauwer, Dana Marinca
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Maillé, Marcelo Dias De Amorim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Données -- Transmission

Théorie de la prévision

Apprentissage automatique

Mots clés libres

Prédiction

Gestion des ressources réseau

Apprentissage automatique

Apprentissage statistique

Apprentissage en-ligne

Caching

Prediction

Network resource management

Machine Learning

Statistical learning

On-line learning

Caching

Résumé

Une exploitation intelligente des données qui circulent sur les réseaux pourrait entraîner une amélioration de la qualité d'expérience (QoE) des utilisateurs. Les techniques d'apprentissage automatique offrent des fonctionnalités multiples, ce qui permet d’optimiser l'utilisation des ressources réseau.Dans cette thèse, deux contextes d’application sont étudiés : les réseaux de capteurs sans fil (WSNs) et les réseaux de contenus (CDNs). Dans les WSNs, il s’agit de prédire la qualité des liens sans fil afin d’améliorer la qualité des routes et donc d’augmenter le taux de remise des paquets ce qui améliore la qualité de service offerte à l’utilisateur. Dans les CDNs, il s’agit de prédire la popularité des contenus vidéo afin de mettre en cache les contenus les plus populaires, au plus près des utilisateurs qui les demandent. Ceci contribue à réduire la latence pour satisfaire les requêtes des utilisateurs.Dans ce travail, nous avons orchestré des techniques d’apprentissage issues de deux domaines différents, à savoir les statistiques et le Machine Learning. Chaque technique est représentée par un expert dont les paramètres sont réglés suite à une analyse hors-ligne. Chaque expert est chargé de prédire la prochaine valeur de la métrique. Vu la variété des experts retenus et comme aucun d’entre eux ne domine toujours tous les autres, un deuxième niveau d’expertise est nécessaire pour fournir la meilleure prédiction. Ce deuxième niveau est représenté par un expert particulier, appelé forecaster. Le forecaster est chargé de fournir des prédictions à partir des prédictions fournies par un sous ensemble des meilleurs experts.Plusieurs méthodes d’identification de ce sous ensemble sont étudiées. Elles dépendent de la fonction de perte utilisée pour évaluer les prédictions des experts et du nombre k, représentant les k meilleurs experts. Les tâches d’apprentissage et de prédiction sont effectuées en-ligne sur des data sets réels issus d’un WSN déployé à Stanford et de YouTube pour le CDN. La méthodologie adoptée dans cette thèse s’applique à la prédiction de la prochaine valeur d’une série temporelle.Plus précisément, nous montrons comment dans le contexte WSN, la qualité des liens peut être évaluée par le Link Quality Indicator (LQI) et comment les experts Single Exponential Smoothing (SES) et Average Moving Window (AMW) peuvent prédire la prochaine valeur de LQI. Ces experts réagissent rapidement aux changements des valeurs LQI que ce soit lors d’une brusque baisse de la qualité du lien ou au contraire lors d’une forte augmentation de la qualité. Nous proposons deux forecasters, Exponential Weighted Average (EWA) et Best Expert (BE), et fournissons la combinaison Expert-Forecaster permettant de fournir la meilleure prédiction.Dans le contexte des CDNs, nous évaluons la popularité de chaque contenu vidéo par le nombre journalier de requêtes. Nous utilisons à la fois des experts statistiques (ARMA) et des experts issus du Machine Learning (DES, régression polynômiale). Nous introduisons également des forecasters qui diffèrent par rapport à l’horizon des observations utilisées pour la prédiction, la fonction de perte et le nombre d’experts utilisés. Ces prédictions permettent de décider quels contenus seront placés dans les caches proches des utilisateurs. L’efficacité de la technique de caching basée sur la prédiction de la popularité est évaluée en termes de hit ratio et d’update ratio. Nous mettons en évidence les apports de cette technique de caching par rapport à un algorithme de caching classique, Least Frequently Used (LFU).Cette thèse se termine par des recommandations concernant l’utilisation des techniques d’apprentissage en ligne et hors-ligne pour les réseaux (WSN, CDN). Au niveau des perspectives, nous proposons différentes applications où l’utilisation de ces techniques permettrait d’améliorer la qualité d’expérience des utilisateurs mobiles ou des utilisateurs des réseaux IoT.

An intelligent exploitation of data carried on telecom networks could lead to a very significant improvement in the quality of experience (QoE) for the users. Machine Learning techniques offer multiple operating, which can help optimize the utilization of network resources.In this thesis, two contexts of application of the learning techniques are studied: Wireless Sensor Networks (WSNs) and Content Delivery Networks (CDNs). In WSNs, the question is how to predict the quality of the wireless links in order to improve the quality of the routes and thus increase the packet delivery rate, which enhances the quality of service offered to the user. In CDNs, it is a matter of predicting the popularity of videos in order to cache the most popular ones as close as possible to the users who request them, thereby reducing latency to fulfill user requests.In this work, we have drawn upon learning techniques from two different domains, namely statistics and Machine Learning. Each learning technique is represented by an expert whose parameters are tuned after an off-line analysis. Each expert is responsible for predicting the next metric value (i.e. popularity for videos in CDNs, quality of the wireless link for WSNs). The accuracy of the prediction is evaluated by a loss function, which must be minimized. Given the variety of experts selected, and since none of them always takes precedence over all the others, a second level of expertise is needed to provide the best prediction (the one that is the closest to the real value and thus minimizes a loss function). This second level is represented by a special expert, called a forecaster. The forecaster provides predictions based on values predicted by a subset of the best experts.Several methods are studied to identify this subset of best experts. They are based on the loss functions used to evaluate the experts' predictions and the value k, representing the k best experts. The learning and prediction tasks are performed on-line on real data sets from a real WSN deployed at Stanford, and from YouTube for the CDN. The methodology adopted in this thesis is applied to predicting the next value in a series of values.More precisely, we show how the quality of the links can be evaluated by the Link Quality Indicator (LQI) in the WSN context and how the Single Exponential Smoothing (SES) and Average Moving Window (AMW) experts can predict the next LQI value. These experts react quickly to changes in LQI values, whether it be a sudden drop in the quality of the link or a sharp increase in quality. We propose two forecasters, Exponential Weighted Average (EWA) and Best Expert (BE), as well as the Expert-Forecaster combination to provide better predictions.In the context of CDNs, we evaluate the popularity of each video by the number of requests for this video per day. We use both statistical experts (ARMA) and experts from the Machine Learning domain (e.g. DES, polynomial regression). These experts are evaluated according to different loss functions. We also introduce forecasters that differ in terms of the observation horizon used for prediction, loss function and number of experts selected for predictions. These predictions help decide which videos will be placed in the caches close to the users. The efficiency of the caching technique based on popularity prediction is evaluated in terms of hit rate and update rate. We highlight the contributions of this caching technique compared to a classical caching algorithm, Least Frequently Used (LFU).This thesis ends with recommendations for the use of online and offline learning techniques for networks (WSN, CDN). As perspectives, we propose different applications where the use of these techniques would improve the quality of experience for mobile users (cellular networks) or users of IoT (Internet of Things) networks, based, for instance, on Time Slotted Channel Hopping (TSCH).