5G-crosshaul: an SDN/NFV integrated fronthaul/backhaul transport network architecture

This article proposes an innovative architecture design for a 5G transport solution (dubbed 5G-Crosshaul) targeting the integration of existing and new fronthaul and backhaul technologies and interfaces. At the heart of the proposed design lie an SDN/NFV-based management and orchestration entity (XCI), and an Ethernet-based packet forwarding entity (XFE) supporting various fronthaul and backhaul traffic QoS profiles. The XCI lever-ages widespread architectural frameworks for NFV (ETSI NFV) and SDN (Open Daylight and ONOS). It opens the 5G transport network as a service for innovative network applications on top (e.g., multi-tenancy, resource management), provisioning the required network and IT resources in a flexible, cost-effective, and abstract manner. The proposed design supports the concept of network slicing pushed by the industry for realizing a truly flexible, sharable, and cost-effective future 5G system.This work has been funded by the EU H2020 project “5G- Crosshaul: The 5G Integrated Fronthaul/Backhaul” (Grant no. 671598)

Integrating Fronthaul and Backhaul Networks: Transport Challenges and Feasibility Results

In Press / En PrensaIn addition to CPRI, new functional splits have been defined in 5G creating diverse fronthaul transport bandwidth and latency requirements. These fronthaul requirements shall be fulfilled simultaneously together with the backhaul requirements by an integrated fronthaul and backhaul transport solution. In this paper, we analyze the technical challenges to achieve an integrated transport solution in 5G and propose specific solutions to address these challenges. These solutions have been implemented and verified with commercially available equipment. Our results confirm that an integrated fronthaul and backhaul transport dubbed Crosshaul can meet all the requirements of 5G fronthaul and backhaul in a cost-efficient manner.Special thanks to the 5G-Crosshaul and 5G-TRANSFORMER team, in particular to Jaime Jose Garcia Reinoso, Chenguang Lu, Daniel Cederholm and Jakub Kocur who helped during the experimentation. This work has been partially funded by the EU H2020 project "5G-TRANSFORMER: 5G Mobile Transport Platform for Verticals" (grant no. 761536)

View on 5G Architecture: Version 2.0

The 5G Architecture Working Group as part of the 5GPPP Initiative is looking at capturing novel trends and key technological enablers for the realization of the 5G architecture. It also targets at presenting in a harmonized way the architectural concepts developed in various projects and initiatives (not limited to 5GPPP projects only) so as to provide a consolidated view on the technical directions for the architecture design in the 5G era. The first version of the white paper was released in July 2016, which captured novel trends and key technological enablers for the realization of the 5G architecture vision along with harmonized architectural concepts from 5GPPP Phase 1 projects and initiatives. Capitalizing on the architectural vision and framework set by the first version of the white paper, this Version 2.0 of the white paper presents the latest findings and analyses with a particular focus on the concept evaluations, and accordingly it presents the consolidated overall architecture design

WizHaul: On the Centralization Degree of Cloud RAN Next Generation Fronthaul

Cloud Radio Access Network (C-RAN) will become a main building block for 5G. However, the stringent requirements of current fronthaul solutions hinder its large-scale deployment. In order to introduce C-RAN widely in 5G, the next generation fronthaul \agsrev{interface} (NGFI) will be based on a cost-efficient packet-based network with higher path diversity. In addition, NGFI shall support a flexible functional split of the RAN to adapt the amount of centralization to the capabilities of the transport network. In this paper we question the ability of standard techniques to route NGFI traffic while maximizing the centralization degree---the goal of C-RAN. We propose two solutions jointly addressing both challenges: (i) a nearly-optimal backtracking scheme, and (ii) a low-complex greedy approach. We first validate the feasibility of our approach in an experimental proof-of-concept, and then evaluate both algorithms via simulations in large-scale (real and synthetic) topologies. Our results show that state-of-the-art techniques fail at maximizing the centralization degree and that the achievable C-RAN centralization highly depends on the underlying topology structure.This work has received funding from the European Unions Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 671598 (5G-Crosshaul project) and 761536 (5G-Transformer project)

Joint access-backhaul mechanisms in 5G cell-less architectures

Older generations of wireless networks, such as 1G and 2G were deployed using leased line, copper or fibre line as backhaul. Later, in 3G and 4G, microwave wireless links have also worked as backhaul links while the backbone of the network was still wireline-based. However, due to multiple different use cases and deployment scenarios of 5G, solo wireline based backhaul network is not a cost-efficient option for the operators anymore. For cost-efficient and fast deployment, wireless backhaul options are very attractive. As drawbacks, wireless backhaul links have capacity and distance limitations. To take the advantages of both the solutions, i.e., wired and wireless, 5G transport networks are anticipated to be a heterogeneous, complex, and with stringent performance requirements. To address the aforementioned challenges, wireless backhaul options are providing more attractive solutions, and hence, technologies using the same resources (e.g., frequency channels) may be used by both access and backhaul networks. In this scenario, blurring the separation line between access and backhaul networks allows resource sharing and cooperation between both the networks and minimizes the network deployment and maintenance cost significantly. Therefore, in 5G, the access and backhaul networks cannot be seen as separate entities; rather, we seek to integrate them together to ensure the best use of resources. In this thesis, firstly, we investigate the challenges and potential technologies of 5G transport network. Later, to address these challenges, we identify and present different approaches to perform joint access-backhaul mechanism. An initial performance evaluation of access-aware backhaul optimization is presented, where backhaul network is dynamically assigned with the required resources to serve the dynamic requirements of a 5G access network. The evaluation results and discussions manifest the resource efficiency of joint access-backhaul mechanisms. Functional splits in different layers of the access network comes as an intelligent solution to reduce the enormous capacity requirements of the transport network in a centralized radio access network approach, which tends to centralize almost all the functionalities into a central unit, leaving only radio frequency functions at the access points. From the joint access-backhaul mechanism perspective, we propose a novel technique, which takes the benefit of functional splits at physical layer, to design a heterogeneous transport network in an economical budget-limited and capacity-limited scenario. Till today, the limited capacity of the wireless backhaul links remains a challenge, and hence, frequency spectrum becomes scarce, and requires efficient utilization. To address this challenge, a joint spectrum sharing technique to implement joint accessbackhaul mechanism is presented. Evaluation results show that our proposed joint spectrum sharing technique, where spectrum allocation in the backhaul network follows the access network's traffic load, is fair and efficient in terms of spectrum utilization. We also propose a machine learning technique, which analyses data from a real network and estimates access network's traffic pattern, and subsequently, assigns bandwidth in the access network according to the traffic estimations. Presented evaluation results show that a well-trained machine learning model can be very efficient to obtain an efficient utilization of frequency spectrum.Las primeras generaciones de redes móviles, se implementaron utilizando líneas de cobre o fibra para la conexión entre la red de acceso y el núcleo de la red (conexión backhaul). Más tarde, los enlaces inalámbricos también han funcionado como backhaul mientras que la columna vertebral de la red seguía basada en cable. Sin embargo, debido a los múltiples escenarios de implementación de 5G, una red de backhaul basada solamente en cable ya no es una opción rentable para los operadores. Para una implementación rentable y rápida, las opciones de backhaul inalámbrico son muy atractivas. Como inconvenientes, los enlaces backhaul inalámbricos tienen limitaciones de capacidad y distancia. Para aprovechar las ventajas de ambas soluciones, es decir, cableadas e inalámbricas, se prevé que las redes de transporte 5G sean heterogéneas, complejas y con estrictos requisitos de rendimiento. Para abordar los desafíos antes mencionados, las opciones de backhaul inalámbrico brindan soluciones más atractivas y, por lo tanto, las tecnologías que usan los mismos recursos (por ejemplo, canales de frecuencia) pueden usarse tanto en las redes de acceso como en las de backhaul. En este escenario, desdibujar la línea de separación entre las redes de acceso y backhaul permite el intercambio de recursos y la cooperación entre ambas redes, y minimiza significativamente los costes de implementación y mantenimiento de la red. Por lo tanto, en 5G las redes de acceso y backhaul no pueden verse como entidades separadas; más bien consideraremos su integración para asegurar el mejor uso de los recursos. En esta tesis, en primer lugar, investigamos los desafíos y las tecnologías potenciales para la implementación de la red de backhaul 5G. Más tarde, para abordar dichos desafíos, identificamos diferentes enfoques para un mecanismo conjunto de gestión de la red de acceso y backhaul. Se presenta una evaluación de rendimiento inicial para la optimización de backhaul que tiene en cuenta el estado de la red de acceso, donde la red de backhaul se equipa dinámicamente con los recursos necesarios para cumplir con los requisitos de la red de acceso 5G. Los resultados de la evaluación manifiestan la mayor eficiencia de los mecanismos de gestión de recursos que consideran redes de acceso y backhaul conjuntamente. Las divisiones funcionales en diferentes capas de la red de acceso (functional splits) se presentan como una solución inteligente para reducir los enormes requisitos de capacidad de la red de transporte en un enfoque de red de acceso, que tiende a centralizar casi todas las funcionalidades en una unidad central, dejando solo las funciones más relacionadas con la transmisión/recepción de señales en los puntos de acceso. Desde la perspectiva del mecanismo conjunto de red de acceso y backhaul, proponemos una técnica novedosa, que aprovecha las divisiones funcionales en la capa física para diseñar una red de transporte heterogénea con un presupuesto económico y un escenario de capacidad limitada. Hasta el día de hoy, la capacidad limitada de los enlaces inalámbricos sigue siendo un desafío, dado que el espectro de frecuencias es escaso y requiere una utilización eficiente. Para hacer frente a este desafío, se presenta una técnica de gestión de recursos espectrales compartidos entre red de acceso y backhaul. Los resultados de la evaluación muestran que nuestra propuesta, donde la asignación de espectro en la red de backhaul se hace de acuerdo a la carga de tráfico de la red de acceso, es justa y eficiente. También proponemos una técnica de aprendizaje automático, que analiza datos de una red real y estima el patrón de tráfico de la red de acceso para, posteriormente, asignar ancho de banda en la red de acceso de acuerdo con dichas estimaciones. Los resultados de la evaluación presentados muestran que un modelo de aprendizaje automático bien entrenado puede ser una herramienta muy útil a la hora de obtener una utilización eficiente del espectro de frecuencias.Postprint (published version

Enhanced connectivity in wireless mobile programmable networks

Mención Interancional en el título de doctorThe architecture of current operator infrastructures is being challenged by the non-stop growing demand of data hungry services appearing every day. While currently deployed operator networks have been able to cope with traffic demands so far, the architectures for the 5th generation of mobile networks (5G) are expected to support unprecedented traffic loads while decreasing costs associated with the network deployment and operations. Indeed, the forthcoming set of 5G standards will bring programmability and flexibility to levels never seen before. This has required introducing changes in the architecture of mobile networks, enabling different features such as the split of control and data planes, as required to support rapid programming of heterogeneous data planes. Network softwarisation is hence seen as a key enabler to cope with such network evolution, as it permits controlling all networking functions through (re)programming, thus providing higher flexibility to meet heterogeneous requirements while keeping deployment and operational costs low. A great diversity in terms of traffic patterns, multi-tenancy, heterogeneous and stringent traffic requirements is therefore expected in 5G networks. Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualisation (NFV) have emerged as a basic tool-set for operators to manage their infrastructure with increased flexibility and reduced costs. As a result, new 5G services can now be envisioned and quickly programmed and provisioned in response to user and market necessities, imposing a paradigm shift in the services design. However, such flexibility requires the 5G transport network to undergo a profound transformation, evolving from a static connectivity substrate into a service-oriented infrastructure capable of accommodating the various 5G services, including Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC). Moreover, to achieve the desired flexibility and cost reduction, one promising approach is to leverage virtualisation technologies to dynamically host contents, services, and applications closer to the users so as to offload the core network and reduce the communication delay. This thesis tackles the above challengeswhicharedetailedinthefollowing. A common characteristic of the 5G servicesistheubiquityandthealmostpermanent connection that is required from the mobile network. This really imposes a challenge in thesignallingproceduresprovidedtogettrack of the users and to guarantee session continuity. The mobility management mechanisms will hence play a central role in the 5G networks because of the always-on connectivity demand. Distributed Mobility Management (DMM) helps going towards this direction, by flattening the network, hence improving its scalability,andenablinglocalaccesstotheInternet and other communication services, like mobile-edge clouds. Simultaneously, SDN opens up the possibility of running a multitude of intelligent and advanced applications for network optimisation purposes in a centralised network controller. The combination of DMM architectural principles with SDN management appears as a powerful tool for operators to cope with the management and data burden expected in 5G networks. To meet the future mobile user demand at a reduced cost, operators are also looking at solutions such as C-RAN and different functional splits to decrease the cost of deploying and maintaining cell sites. The increasing stress on mobile radio access performance in a context of declining revenues for operators is hence requiring the evolution of backhaul and fronthaul transport networks, which currently work decoupled. The heterogeneity of the nodes and transmisión technologies inter-connecting the fronthaul and backhaul segments makes the network quite complex, costly and inefficient to manage flexibly and dynamically. Indeed, the use of heterogeneous technologies forces operators to manage two physically separated networks, one for backhaul and one forfronthaul. In order to meet 5G requirements in a costeffective manner, a unified 5G transport network that unifies the data, control, and management planes is hence required. Such an integrated fronthaul/backhaul transport network, denoted as crosshaul, will hence carry both fronthaul and backhaul traffic operating over heterogeneous data plane technologies, which are software-controlled so as to adapt to the fluctuating capacity demand of the 5G air interfaces. Moreover, 5G transport networks will need to accommodate a wide spectrum of services on top of the same physical infrastructure. To that end, network slicing is seen as a suitable candidate for providing the necessary Quality of Service (QoS). Traffic differentiation is usually enforced at the border of the network in order to ensure a proper forwarding of the traffic according to its class through the backbone. With network slicing, the traffic may now traverse many slice edges where the traffic policy needs to be enforced, discriminated and ensured, according to the service and tenants needs. However, the very basic nature that makes this efficient management and operation possible in a flexible way – the logical centralisation – poses important challenges due to the lack of proper monitoring tools, suited for SDN-based architectures. In order to take timely and right decisions while operating a network, centralised intelligence applications need to be fed with a continuous stream of up-to-date network statistics. However, this is not feasible with current SDN solutions due to scalability and accuracy issues. Therefore, an adaptive telemetry system is required so as to support the diversity of 5G services and their stringent traffic requirements. The path towards 5G wireless networks alsopresentsacleartrendofcarryingoutcomputations close to end users. Indeed, pushing contents, applications, and network functios closer to end users is necessary to cope with thehugedatavolumeandlowlatencyrequired in future 5G networks. Edge and fog frameworks have emerged recently to address this challenge. Whilst the edge framework was more infrastructure-focused and more mobile operator-oriented, the fog was more pervasive and included any node (stationary or mobile), including terminal devices. By further utilising pervasive computational resources in proximity to users, edge and fog can be merged to construct a computing platform, which can also be used as a common stage for multiple radio access technologies (RATs) to share their information, hence opening a new dimension of multi-RAT integration.La arquitectura de las infraestructuras actuales de los operadores está siendo desafiada por la demanda creciente e incesante de servicios con un elevado consumo de datos que aparecen todos los días. Mientras que las redes de operadores implementadas actualmente han sido capaces de lidiar con las demandas de tráfico hasta ahora, se espera que las arquitecturas de la quinta generación de redes móviles (5G) soporten cargas de tráfico sin precedentes a la vez que disminuyen los costes asociados a la implementación y operaciones de la red. De hecho, el próximo conjunto de estándares 5G traerá la programabilidad y flexibilidad a niveles nunca antes vistos. Esto ha requerido la introducción de cambios en la arquitectura de las redes móviles, lo que permite diferentes funciones, como la división de los planos de control y de datos, según sea necesario para soportar una programación rápida de planos de datos heterogéneos. La softwarisación de red se considera una herramienta clave para hacer frente a dicha evolución de red, ya que proporciona la capacidad de controlar todas las funciones de red mediante (re)programación, proporcionando así una mayor flexibilidad para cumplir requisitos heterogéneos mientras se mantienen bajos los costes operativos y de implementación. Por lo tanto, se espera una gran diversidad en términos de patrones de tráfico, multi-tenancy, requisitos de tráfico heterogéneos y estrictos en las redes 5G. Software Defined Networking (SDN) y Network Function Virtualisation (NFV) se han convertido en un conjunto de herramientas básicas para que los operadores administren su infraestructura con mayor flexibilidad y menores costes. Como resultado, los nuevos servicios 5G ahora pueden planificarse, programarse y aprovisionarse rápidamente en respuesta a las necesidades de los usuarios y del mercado, imponiendo un cambio de paradigma en el diseño de los servicios. Sin embargo, dicha flexibilidad requiere que la red de transporte 5G experimente una transformación profunda, que evoluciona de un sustrato de conectividad estática a una infraestructura orientada a servicios capaz de acomodar los diversos servicios 5G, incluso Ultra-Reliable and Low Latency Communications (URLLC). Además, para lograr la flexibilidad y la reducción de costes deseadas, un enfoque prometedores aprovechar las tecnologías de virtualización para alojar dinámicamente los contenidos, servicios y aplicaciones más cerca de los usuarios para descargar la red central y reducir la latencia. Esta tesis aborda los desafíos anteriores que se detallan a continuación. Una característica común de los servicios 5G es la ubicuidad y la conexión casi permanente que se requiere para la red móvil. Esto impone un desafío en los procedimientos de señalización proporcionados para hacer un seguimiento de los usuarios y garantizar la continuidad de la sesión. Por lo tanto, los mecanismos de gestión de la movilidad desempeñarán un papel central en las redes 5G debido a la demanda de conectividad siempre activa. Distributed Mobility Management (DMM) ayuda a ir en esta dirección, al aplanar la red, lo que mejora su escalabilidad y permite el acceso local a Internet y a otros servicios de comunicaciones, como recursos en “nubes” situadas en el borde de la red móvil. Al mismo tiempo, SDN abre la posibilidad de ejecutar una multitud de aplicaciones inteligentes y avanzadas para optimizar la red en un controlador de red centralizado. La combinación de los principios arquitectónicos DMM con SDN aparece como una poderosa herramienta para que los operadores puedan hacer frente a la carga de administración y datos que se espera en las redes 5G. Para satisfacer la demanda futura de usuarios móviles a un coste reducido, los operadores también están buscando soluciones tales como C-RAN y diferentes divisiones funcionales para disminuir el coste de implementación y mantenimiento de emplazamientos celulares. El creciente estrés en el rendimiento del acceso a la radio móvil en un contexto de menores ingresos para los operadores requiere, por lo tanto, la evolución de las redes de transporte de backhaul y fronthaul, que actualmente funcionan disociadas. La heterogeneidad de los nodos y las tecnologías de transmisión que interconectan los segmentos de fronthaul y backhaul hacen que la red sea bastante compleja, costosa e ineficiente para gestionar de manera flexible y dinámica. De hecho, el uso de tecnologías heterogéneas obliga a los operadores a gestionar dos redes separadas físicamente, una para la red de backhaul y otra para el fronthaul. Para cumplir con los requisitos de 5G de manera rentable, se requiere una red de transporte única 5G que unifique los planos de control, datos y de gestión. Dicha red de transporte fronthaul/backhaul integrada, denominada “crosshaul”, transportará tráfico de fronthaul y backhaul operando sobre tecnologías heterogéneas de plano de datos, que están controladas por software para adaptarse a la demanda de capacidad fluctuante de las interfaces radio 5G. Además, las redes de transporte 5G necesitarán acomodar un amplio espectro de servicios sobre la misma infraestructura física y el network slicing se considera un candidato adecuado para proporcionar la calidad de servicio necesario. La diferenciación del tráfico generalmente se aplica en el borde de la red para garantizar un reenvío adecuado del tráfico según su clase a través de la red troncal. Con el networkslicing, el tráfico ahora puede atravesar muchos fronteras entre “network slices” donde la política de tráfico debe aplicarse, discriminarse y garantizarse, de acuerdo con las necesidades del servicio y de los usuarios. Sin embargo, el principio básico que hace posible esta gestión y operación eficientes de forma flexible – la centralización lógica – plantea importantes desafíos debido a la falta de herramientas de supervisión necesarias para las arquitecturas basadas en SDN. Para tomar decisiones oportunas y correctas mientras se opera una red, las aplicaciones de inteligencia centralizada necesitan alimentarse con un flujo continuo de estadísticas de red actualizadas. Sin embargo, esto no es factible con las soluciones SDN actuales debido a problemas de escalabilidad y falta de precisión. Por lo tanto, se requiere un sistema de telemetría adaptable para respaldar la diversidad de los servicios 5G y sus estrictos requisitos de tráfico. El camino hacia las redes inalámbricas 5G también presenta una tendencia clara de realizar acciones cerca de los usuarios finales. De hecho, acercar los contenidos, las aplicaciones y las funciones de red a los usuarios finales es necesario para hacer frente al enorme volumen de datos y la baja latencia requerida en las futuras redes 5G. Los paradigmas de “edge” y “fog” han surgido recientemente para abordar este desafío. Mientras que el edge está más centrado en la infraestructura y más orientado al operador móvil, el fog es más ubicuo e incluye cualquier nodo (fijo o móvil), incluidos los dispositivos finales. Al utilizar recursos de computación de propósito general en las proximidades de los usuarios, el edge y el fog pueden combinarse para construir una plataforma de computación, que también se puede utilizar para compartir información entre múltiples tecnologías de acceso radio (RAT) y, por lo tanto, abre una nueva dimensión de la integración multi-RAT.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería TelemáticaPresidente: Carla Fabiana Chiasserini.- Secretario: Vincenzo Mancuso.- Vocal: Diego Rafael López Garcí

RAN Functional Split Options for Integrated Terrestrial and Non-Terrestrial 6G Networks

Leveraging non-terrestrial platforms in 6G networks holds immense significance as it opens up opportunities to expand network coverage, enhance connectivity, and support a wide range of innovative applications, including global-scale Internet of Things and ultra-high-definition content delivery. To accomplish the seamless integration between terrestrial and non-terrestrial networks, substantial changes in radio access network (RAN) architecture are required. These changes involve the development of new RAN solutions that can efficiently manage the diverse characteristics of both terrestrial and non-terrestrial components, ensuring smooth handovers, resource allocation, and quality of service across the integrated network ecosystem. Additionally, the establishment of robust interconnection and communication protocols between terrestrial and non-terrestrial elements will be pivotal to utilize the full potential of 6G technology. Additionally, innovative approaches have been introduced to split the functionalities within the RAN into centralized and distributed domains. These novel paradigms are designed to enhance RAN's flexibility while simultaneously lowering the costs associated with infrastructure deployment, all while ensuring that the quality of service for end-users remains unaffected. In this work, we provide an extensive examination of various Non-Terrestrial Networks (NTN) architectures and the necessary adaptations required on the existing 5G RAN architecture to align with the distinct attributes of NTN. Of particular significance, we emphasize the crucial RAN functional split choices essential for the seamless integration of terrestrial and non-terrestrial components within advanced 6G networks