Esquemas de asignación de recursos para servicios de video en redes heterogéneas 5G

Abstract

RESUMEN: Los servicios de Video bajo Demanda (VoD) representan la principal fuente de tráfico en las redes actuales y se espera que esta demanda se incremente en los próximos años. Para hacer frente a la distribución de esta gran cantidad de información, en trabajos previos se ha propuesto complementar a soluciones de tipo cliente-servidor, como las Redes de Distribución de Contenido (CDN), con redes Peer to Peer (P2P) debido a las propiedades de escalabilidad de estas últimas. Sin embargo, hasta donde se tiene conocimiento, los análisis ya propuestos no consideran integralmente a los factores que intervienen en el desempeño de este tipo de sistemas. Considerando lo anterior, en esta tesis se proponen múltiples modelos fluidos que evalúan a los servicios de VoD en términos de características propias del servicio (tamaño, tasa de codificación y popularidad de un video), de la red (ancho de banda de peers y de servidores) y del comportamiento de los usuarios (tiempo de permanencia en el sistema, nivel de cooperatividad, frecuencia de funciones de interacción). A pesar de la gran cantidad de factores considerados, estos modelos son relativamente simples de entender y proveen de soluciones matemáticas en forma cerrada. Estas características no comprometen su precisión, como se comprueba al comparar sus resultados con aquellos obtenidos a través de las cadenas de Markov correspondientes. La solución de estos modelos fluidos permite proponer en esta tesis guías de diseño para determinar los valores de los parámetros de la red que garantizan la satisfacción de objetivos predefinidos de Calidad de Experiencia (QoE). Además, dicha solución posibilita la evaluación de parámetros de costo de la red, como el ancho de banda requerido en cada enlace o provisto por cada fuente de recursos (CDN o P2P). La flexibilidad de los modelos fluidos incluso posibilita la evaluación de diferentes esquemas de asignación de recursos. Con base en ello, en esta tesis se propone un nuevo esquema, al que se le denomina Distribución por Ventanas Priorizadas (DVP). De acuerdo a los resultados numéricos obtenidos, este esquema reduce los requerimientos de ancho de banda de servidores y la dependencia de recursos de usuarios que ya finalizaron la descarga. Con base en las aportaciones ya mencionadas, se considera que esta tesis contribuye significativamente a la comprensión y el diseño de sistemas híbridos P2P/CDN y se concluye que estos sistemas pueden ser una tecnología clave para la distribución de servicios de VoD en las próximas generaciones de redes de telecomunicaciones.

ABSTRACT: Video on Demand (VoD) services represent the largest source of traffic in nowadays networks; furthermore, it is expected that in the forthcoming years this demand will be even larger. In order to face the distribution of this huge amount of information, previous works have proposed integrating traditional client-server solutions (e. g., Content Delivery Networks - CDN) and Peer-to-Peer (P2P) networks, given the scalability properties of the latter one. However, to the best of our knowledge, the analyses in those works do not integrally consider the multiple factors that affect the performance of these systems. On that basis, in this thesis we propose a series of fluid models to evaluate VoD services in terms of features of the service (video size, codification rate and popularity), the network (servers and \peers available bandwidth) and users' behavior (sojourn time, interaction-events rate, cooperativeness level). Despite the multiple considered factors, these models are very tractable and provide us with closed mathematical expressions. These advantages do not compromise the model’s accuracy, as evidenced when it is compared with the corresponding Markov chain evaluations. By solving these fluids models, we are able to develop some design guides to determine the network parameters values that satisfy a set of preset QoE targets. In addition, this solution allows us evaluating cost-network parameters such as required bandwidth in each link or bandwidth provided by each source (CDN or P2P network). The proposed fluid models are flexible enough to evaluate different resource allocation schemes; therefore, we propose a novel scheme, which is called Prioritized-Windows Distribution (PWD). Our results show that this scheme reduces the upload bandwidth from servers as well as the dependence on resources from users that have finished downloading. Based on the above, we conclude that this thesis significantly contributes to the understanding and design of hybrid P2P/CDN systems; moreover, we conclude that these systems can be a key technology to distribute VoD services in the next generation of telecommunications networks.