Seamless integration of heterogeneous networks in multicast environments

Nowadays, communication environments are already characterized by a myriad of competing and complementary technologies that aim to provide an ubiquitous connectivity service. Next Generation Networks need to hide this heterogeneity by providing a new abstraction level, while simultaneously be aware of the underlying technologies to deliver richer service experiences to the end-user. Moreover, the increasing interest for group-based multimedia services followed by their ever growing resource demands and network dynamics, has been boosting the research towards more scalable and exible network control approaches. The work developed in this Thesis enables such abstraction and exploits the prevailing heterogeneity in favor of a context-aware network management and adaptation. In this scope, we introduce a novel hierarchical control framework with self-management capabilities that enables the concept of Abstract Multiparty Trees (AMTs) to ease the control of multiparty content distribution throughout heterogeneous networks. A thorough evaluation of the proposed multiparty transport control framework was performed in the scope of this Thesis, assessing its bene ts in terms of network selection, delivery tree recon guration and resource savings. Moreover, we developed an analytical study to highlight the scalability of the AMT concept as well as its exibility in large scale networks and group sizes. To prove the feasibility and easy deployment characteristic of the proposed control framework, we implemented a proof-of-concept demonstrator that comprehends the main control procedures conceptually introduced. Its outcomes highlight a good performance of the multiparty content distribution tree control, including its local and global recon guration. In order to endow the AMT concept with the ability to guarantee the best service experience by the end-user, we integrate in the control framework two additional QoE enhancement approaches. The rst employs the concept of Network Coding to improve the robustness of the multiparty content delivery, aiming at mitigating the impact of possible packet losses in the end-user service perception. The second approach relies on a machine learning scheme to autonomously determine at each node the expected QoE towards a certain destination. This knowledge is then used by di erent QoE-aware network management schemes that, jointly, maximize the overall users' QoE. The performance and scalability of the control procedures developed, aided by the context and QoE-aware mechanisms, show the advantages of the AMT concept and the proposed hierarchical control strategy for the multiparty content distribution with enhanced service experience. Moreover we also prove the feasibility of the solution in a practical environment, and provide future research directions that bene t the evolved control framework and make it commercially feasible.

Atualmente, os ambientes de comunicação caracterizam-se pela diversidade de tecnologias concorrentes e complementares cujo principal objetivo é fornecer conectividade de forma ubíqua. De forma a lidar com esta heterogeneidade, as redes de próxima geração terão de suportar um novo nível de abstração, embora simultaneamente necessitem de estar conscientes das tecnologias presentes de forma a oferecer uma melhor experiência do serviço ao utilizador final. Para além disso, o crescente interesse por comunicações multimédia para grupos de utilizadores e as cada vez maiores exigências em termos de recursos e dinâmica da rede destes serviços, tem motivado a investigação no sentido de desenvolver soluções de controlo da rede mais escaláveis e flexíveis. O trabalho desenvolvido nesta Tese, não só aborda o suporte da camada de abstração, como também explora a heterogeneidade presente em prol de uma gestão e adaptação da rede consciente do seu contexto. Neste âmbito, é introduzida nesta Tese uma nova estrutura hierárquica de controlo com capacidades de auto-gestão que possibilitam o conceito de Abstract Multiparty Trees (AMTs) de forma a facilitar o controlo da distribuição de conteúdos para grupos através de redes heterogéneas. Nesta Tese foi também realizada uma avaliação detalhada da estrutura de controlo de forma a aferir os benefícios do controlo da rede baseado na informação de contexto, no que diz respeito à seleção da rede, reconfiguração da árvore de distribuição, poupança de recursos e operações de gestão. Para além disso, foi também desenvolvido um estudo analítico para destacar a escalabilidade do conceito AMT, bem como da sua flexibilidade perante redes de grande escala e um vasto número de potenciais utilizadores. De forma a provar a viabilidade e fácil aplicação da estrutura de controlo proposta, foi implementado um demonstrador para prova de conceito que inclui os principais procedimentos de controlo introduzidos conceptualmente. Os resultados da avaliação do demonstrador salientam o bom desempenho no controlo da árvore de distribuição de conteúdos, bem como nos processos de reconfiguração local e global da mesma. Com o intuito de dotar o conceito AMT com a capacidade de garantir a melhor experiência de serviço pelo utilizador final, integrou-se na estrutura de controlo proposta dois mecanismos para melhorar a Qualidade de Experiência (QoE). O primeiro baseia-se na utilização do conceito de Codificação de Rede para melhorar a robustez da entrega de conteúdos a grupos, tendo como objetivo eliminar o impacto da possível perda de pacotes na perceção do serviço por parte do utilizador. O segundo mecanismo tira partido do conceito de aprendizagem automática para que, de forma autónoma, seja capaz de determinar em cada nó da rede o valor expectável de QoE para um dado destino. Este conhecimento é depois utilizado por diferentes mecanismos de gestão de rede sensíveis a QoE para de forma conjunta maximizar a percepção do serviço por parte dos utilizadores finais. O desempenho e a escalabilidade dos processos de controlo desenvolvidos, com a ajuda dos mecanismos sensíveis ao contexto e à QoE, demonstram as vantagens do conceito AMT e da estrutura de controlo hierárquica para a distribuição de conteúdos a grupos com uma experiência de serviço melhorada. Para além disso, é também demonstrada a praticabilidade da nossa solução, bem como possíveis linhas de investigação que podem melhorar a estrutura de controlo proposta e fazer dela comercialmente aplicável.

Doutoramento em Engenharia Electrotécnica