Performance Enhancement of Content Delivery in Mobile Networks

Abstract

With the recent advances in mobile technology, such as the boom in the usage of smartphones and mobile networks, content demand of mobile users has increased significantly. This exponential increase exposed several limitations on the current mechanisms for content delivery. Namely, the current paradigm for requesting content focuses on resources and not on content as it would be ideal to improve content delivery. Despite the existing efforts to overcome this limitation that greatly affects overall performance and efficiency, there are still open challenges that need to be addressed. The first challenge is how to explore new technologies together with a new content request paradigm, aiming at having deeper integration with existing networks and availability of compute, storage and network resources whenever and wherever they are necessary to handle different amounts of user loads. The second challenge is dealing with the integration of content delivery mechanisms with mobile networks and all its particularities, such as constrained architectures and demanding processing requirements. The third challenge is the usage of multiple radio technologies in a transparent and coordinated manner to improve overall efficiency and performance of mobile networks. The fourth challenge is the extension of content caching to the edge of mobile networks with efficient usage of storage resources and reduced latency for content delivery. The fifth and last challenge is the proper distribution of content among edge caches ensuring adaptability to the mobility of users.

The key contributions of this thesis aim at addressing those challenges, by providing an integrated architecture with a set of strategies, mechanisms and algorithms that tackle the identified problems in detail and span across multiple knowledge domains. A first contribution concerns a cloud-based system for content delivery, which is easily deployable in new locations, integrates with other services and adapts itself to different user loads. Later on, the integration of this system with mobile networks is depicted to bring the enhancements of that system directly to content delivery in mobile networks, and mechanisms to ensure that it is feasible and follows current standards and specifications are described. Afterwards, and considering that multiple network technologies can be used simultaneously, strategies are proposed to efficiently handle load balancing and offloading of content delivery between different radio technologies in mobile networks, ensuring complete transparency for end users and efficient usage of available resources. Next, and because the previous contributions make caching at the edge of mobile networks a reality, caching strategies for the edge of mobile networks are highlighted, focusing on maximizing performance in terms of latency reduction while optimizing storage usage. Finally, content distribution strategies for edge caches based on users' movement and their interests are presented. These aim at improving edge caching by trying to guarantee that content is cached where it yields the greatest benefits for nearby users.

Results gathered from the evaluation of the contributions of this thesis demonstrate that they bring major benefits for content delivery and that performance is greatly enhanced. These improvements are very important from multiple perspectives, as all the involved stakeholders, from mobile users to content providers and mobile operators, may benefit at different levels such as quality of experience, satisfaction and costs.

Com os recentes avanços na tecnologia móvel, tais como o aumento estrondoso da utilização de smartphones e redes móveis, a procura de conteúdos por parte de utilizadores móveis tem aumentado significativamente. Este aumento exponencial expôs várias limitações nos mecanismos actuais para a entrega de conteúdos. Nomeadamente, o actual paradigma para solicitar conteúdos foca-se em recursos e não nos conteúdos como seria ideal para melhorar a entrega de conteúdos. Apesar dos esforços já existentes para ultrapassar esta limitação que afecta de forma substancial e genérica a performance e eficiência, ainda existem desafios em aberto para serem endereçados. O primeiro desafio é como explorar novas tecnologias em conjunto com um novo paradigma para pedido de conteúdos, com o objectivo de ter maior integração com as redes existentes e a disponibilidade de recursos de computação, armazenamento e rede quando e onde forem necessários, para assim acomodar diferentes quantidades de carga de utilizadores. O segundo desafio prende-se com a integração de mecanismos para entrega de conteúdos nas redes móveis e todas as particularidades que isso acarreta, nomeadamente arquitecturas limitadas e requisitos de processamento exigentes. O terceiro desafio é a utilização de múltiplas tecnologias de rádio de forma transparente e coordenada para aumentar de forma global a eficiência e performance das redes móveis. O quarto desafio é a extensão de caches de conteúdos até à orla das redes móveis com vista a uma utilização eficiente de recursos de armazenamento e latências reduzidas na entrega de conteúdos. O quinto e último desafio é a distribuição adequada de conteúdos entre caches na orla das redes móveis, assegurando adaptabilidade à mobilidade dos utilizadores.

As contribuições chave desta tese têm como objectivo endereçar os desafios referidos anteriormente, providenciando uma arquitectura integrada com um conjunto de estratégias, mecanismos e algoritmos que tratam dos problemas identificados em detalhe e abrangem múltiplos domínios do conhecimento. Uma primeira contribuição diz respeito a um sistema baseado na nuvem para entrega de conteúdos, o qual é facilmente implementável em novas localizações, integra com outros serviços e adapta-se a si próprio a diferentes cargas de utilizadores. De seguida, é apresentada a integração deste sistema com redes móveis e são descritos mecanismos para garantir a sua praticabilidade e adequação às normas e padrões existentes, para assim trazer as suas melhorias directamente à entrega de conteúdos em redes móveis. Depois, e considerando que múltiplas tecnologias de rede podem ser utilizadas em simultâneo, são apresentadas estratégias para efectuar balanceamento e transferência de carga entre múltiplas tecnologias de rádio em redes móveis, assegurando total transparência para os utilizadores finais e uma utilização eficiente dos recursos existentes. Mais tarde, e porque as contribuições anteriores tornam a existência de caches na orla das redes móveis uma realidade, estratégias para caching na orla das redes móveis são realçadas, focando-se em maximizar a performance em termos de redução de latência e na optimização da utilização de recursos de armazenamento. Finalmente, estratégias para a distribuição de conteúdos em caches na orla das redes móveis baseadas em movimento e interesses dos utilizadores são apresentadas. Estas visam a melhoria das caches na orla das redes móveis ao tentar garantir que os conteúdos são colocados em caches onde irão trazer os maiores benefícios possíveis para utilizadores na imediação.

Os resultados obtidos da avaliação das contribuições desta tese demonstram que as mesmas trazem benefícios relevantes para a entrega dos conteúdos juntamente com um aumento significativo da performance. Estas melhorias são muito importantes de múltiplas perspectivas, dado que todas as partes interessadas, desde utilizadores móveis até produtores de conteúdos e operadores móveis, podem beneficiar a diferentes níveis tais como qualidade da experiência, satisfação e custos.