Building the bridges between QoS and QoE for network control mechanisms

This last decade has known an explosion of the wireless access connectivity, mostly dominated by Wireless Local Area Networks (WLAN), 3GPP-based cellular networks (3G and 4G), and to a lesser extent by Digital Video Broadcast (DVB) networks. Combined with the emergence of smartphones and tablet PCs, wireless connectivity has changed the users' way to connect to the Internet, where we clearly observe that most of the connection to video platforms (e.g., Youtube, video on demand and IPTV) and social network applications are originated from wireless as well as mobile networks. However, massive accesses to these applications from wireless networks introduce several issues related to the increasing traffic, and the real-time property of some of these applications, which require a guarantee of Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE). These issues give rise to several challenges: (i) the need for network operators to have efficient mechanisms and protocols to avoid congestion and to support QoS; (ii) the need for content providers to consider the user context, in terms of bandwidth, user terminal, resolution, etc.), when creating and encoding an audio/video content. In order to address the challenges described above, the novelty of our contributions are in proposing dynamic and adaptive mechanisms to control network functionalities. The adaptive approaches are useful to tackle issues related to: (i) the network dynamics and changes in terms of congestion and contention level; (ii) the wireless channel dynamics and changes in terms of signal quality; (iii) the application dynamics and changes in terms of generated traffic; (iv) the users experience dynamics and changes in terms of QoE degradation/enhancement. Generally speaking, the conducted research work considers the network (or an application in the network) and the network functionality to control as a closed loop system. The objective is to modify (control) the system inputs (e.g., accept or reject a new flow in the network, increase the sleep duration for a wireless station, control congestion, etc.) and monitor the system outputs (e.g., delays, QoE, Queue size, etc.) in order to use these outputs for the next decision epoch of the controlled network mechanism. Our contributions are classified according to the type of monitored variable (system output) used by the network control mechanism. The first class of our research work pertains to QoS/Network centric (e.g. delays, the network load, the queue size of a node, delays, data rate) information, while the second class is based on human centric information by monitoring users' QoE.Cette dernière décennie a connu une prolifération des réseaux d'accès sans fil, dominée par les réseaux locaux sans fil (ou Wireless Local Area Network - WLAN), les réseaux cellulaires 3GPP de troisième (3G) et quatrième génération (4G) et en moindre mesure les réseaux Digital Video Broadcast (DVB) pour la télévision numérique. Conjugué à l'apparition des téléphones intelligents (Smartphone) et des tablettes, les réseaux sans fil ont changé la façon dont les utilisateurs consomment les applications Internet, où on constate que l'accès aux plateformes vidéo (Youtube, vidéo à la demande, Télé sur IP) et aux réseaux sociaux à partir des réseaux sans fil et mobiles a explosé. L'accès massif à ces applications par le biais des réseaux sans fil introduit de nouveaux verrous, liés principalement à l'augmentation du trafic et l'aspect temps réel de certaines applications, où un certain niveau de Qualité de Service (QdS)/Qualité d'Expérience (QdE) doit être assuré. Par conséquent, un certain nombre de défis se posent : (i) aux opérateurs des réseaux sans fil et mobiles, pour lesquels il est nécessaire d'avoir des nouveaux mécanismes et protocoles réseaux pour éviter la congestion et garantir la QdS/QdE aux utilisateurs ; (ii) aux fournisseurs de contenus (service provider) qui doivent s'adapter au contexte de l'utilisateur (bande passante, terminal utilisé, résolution, etc.) lors de la création de contenus audiovisuels (audio et vidéo). Afin d'adresser les problématiques citées dans la section précédente, l'originalité de nos contributions se situe dans la proposition de protocoles et mécanismes de contrôle de réseau dits dynamiques ou adaptatifs. L'approche dynamique permet de s'adapter : (i) aux changements de l'état du réseau (niveau de charge/contention) ; (ii) aux changements de l'état du canal sans fil (dégradation/amélioration du canal physique) ; (iii) à l'augmentation ou la réduction du trafic d'une application ; (iv) à la dégradation de la qualité de service/expérience de l'utilisateur. De ce fait, nos travaux ont généralement considéré le réseau (ou l'application réseau) ainsi que la fonction ou le mécanisme à contrôler comme un système en boucle fermée, dont le but est de modifier (contrôler) l'état d'entrée (accepter ou refuser un nouveau flux, augmenter la durée de mise en veille d'une station, maitriser la congestion, etc.) du système et mesurer les paramètres en sortie (délais, QdE) pour les prendre en compte lors des prochaines décisions du mécanisme de contrôle. Ces mesures se font soit au niveau du réseau, terminal ou application. Nos contributions sont classées suivant la nature de la mesure utilisée. Une partie de nos travaux utilise des mesures centrées QdS/réseau (tel que l'intensité du trafic, la taille de la file d'attente, débit de la station, délai applicatif), et l'autre partie est centrée sur l'utilisateur (ou human-centric) à travers la mesure de la qualité d'expérience perçue par l'utilisateur