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Dimming cellular networks
We propose a novel technique called dimming to improve the energy efficiency of cellular networks by reducing the capacity, services, and energy consumption of cells without turning off the cells. We define three basic methods to dim the network: coverage, frequency, and service dimming. We construct a multi-time period optimization problem to implement frequency dimming and extend it to implement both frequency and service dimming together. We illustrate the ability of dimming techniques to adapt the capacity and network services in proportion to the dynamic spatial and temporal load resulting in significant energy savings through numerical results for a sample network. ©2010 IEEE
Infrastructure sharing of 5G mobile core networks on an SDN/NFV platform
When looking towards the deployment of 5G network architectures, mobile network operators will continue to face many challenges. The number of customers is approaching maximum market penetration, the number of devices per customer is increasing, and the number of non-human operated devices estimated to approach towards the tens of billions, network operators have a formidable task ahead of them. The proliferation of cloud computing techniques has created a multitude of applications for network services deployments, and at the forefront is the adoption of Software-Defined Networking (SDN) and Network Functions Virtualisation (NFV). Mobile network operators (MNO) have the opportunity to leverage these technologies so that they can enable the delivery of traditional networking functionality in cloud environments. The benefit of this is reductions seen in the capital and operational expenditures of network infrastructure. When going for NFV, how a Virtualised Network Function (VNF) is designed, implemented, and placed over physical infrastructure can play a vital role on the performance metrics achieved by the network function. Not paying careful attention to this aspect could lead to the drastically reduced performance of network functions thus defeating the purpose of going for virtualisation solutions. The success of mobile network operators in the 5G arena will depend heavily on their ability to shift from their old operational models and embrace new technologies, design principles and innovation in both the business and technical aspects of the environment. The primary goal of this thesis is to design, implement and evaluate the viability of data centre and cloud network infrastructure sharing use case. More specifically, the core question addressed by this thesis is how virtualisation of network functions in a shared infrastructure environment can be achieved without adverse performance degradation. 5G should be operational with high penetration beyond the year 2020 with data traffic rates increasing exponentially and the number of connected devices expected to surpass tens of billions. Requirements for 5G mobile networks include higher flexibility, scalability, cost effectiveness and energy efficiency. Towards these goals, Software Defined Networking (SDN) and Network Functions Virtualisation have been adopted in recent proposals for future mobile networks architectures because they are considered critical technologies for 5G. A Shared Infrastructure Management Framework was designed and implemented for this purpose. This framework was further enhanced for performance optimisation of network functions and underlying physical infrastructure. The objective achieved was the identification of requirements for the design and development of an experimental testbed for future 5G mobile networks. This testbed deploys high performance virtualised network functions (VNFs) while catering for the infrastructure sharing use case of multiple network operators. The management and orchestration of the VNFs allow for automation, scalability, fault recovery, and security to be evaluated. The testbed developed is readily re-creatable and based on open-source software
A Survey on 5G Usage Scenarios and Traffic Models
The fifth-generation mobile initiative, 5G, is a
tremendous and collective effort to specify, standardize, design,
manufacture, and deploy the next cellular network generation.
5G networks will support demanding services such as enhanced
Mobile Broadband, Ultra-Reliable and Low Latency Communications and massive Machine-Type Communications, which will
require data rates of tens of Gbps, latencies of few milliseconds
and connection densities of millions of devices per square kilometer. This survey presents the most significant use cases expected
for 5G including their corresponding scenarios and traffic models.
First, the paper analyzes the characteristics and requirements for
5G communications, considering aspects such as traffic volume,
network deployments, and main performance targets. Secondly,
emphasizing the definition of performance evaluation criteria
for 5G technologies, the paper reviews related proposals from
principal standards development organizations and industry
alliances. Finally, well-defined and significant 5G use cases are
provided. As a result, these guidelines will help and ease the
performance evaluation of current and future 5G innovations, as
well as the dimensioning of 5G future deployments.This work is partially funded by the Spanish Ministry of
Economy and Competitiveness (project TEC2016-76795-C6-4-R)H2020
research and innovation project 5G-CLARITY (Grant No. 871428)Andalusian Knowledge Agency (project A-TIC-241-UGR18)
NFV orchestration in edge and fog scenarios
Mención Internacional en el título de doctorLas infraestructuras de red actuales soportan una
variedad diversa de servicios como video bajo demanda,
video conferencias, redes sociales, sistemas
de educación, o servicios de almacenamiento de
fotografías. Gran parte de la población mundial ha
comenzado a utilizar estos servicios, y los utilizan
diariamente. Proveedores de Cloud y operadores
de infraestructuras de red albergan el tráfico de
red generado por estos servicios, y sus tareas de
gestión no solo implican realizar el enrutamiento
del tráfico, sino también el procesado del tráfico de
servicios de red. Tradicionalmente, el procesado
del tráfico ha sido realizado mediante aplicaciones/
programas desplegados en servidores que estaban
dedicados en exclusiva a tareas concretas
como la inspección de paquetes. Sin embargo, en
los últimos anos los servicios de red se han virtualizado
y esto ha dado lugar al paradigma de
virtualización de funciones de red (Network Function
Virtualization (NFV) siguiendo las siglas en
ingles), en el que las funciones de red de un servicio
se ejecutan en contenedores o máquinas virtuales
desacopladas de la infraestructura hardware. Como
resultado, el procesado de tráfico se ha ido
haciendo más flexible gracias al laxo acople del
software y hardware, y a la posibilidad de compartir
funciones de red típicas, como firewalls, entre
los distintos servicios de red.
NFV facilita la automatización de operaciones
de red, ya que tareas como el escalado, o la migración
son típicamente llevadas a cabo mediante
un conjunto de comandos previamente definidos
por la tecnología de virtualización pertinente, bien
mediante contenedores o máquinas virtuales. De
todos modos, sigue siendo necesario decidir el en rutamiento y procesado del tráfico de cada servicio
de red. En otras palabras, que servidores tienen
que encargarse del procesado del tráfico, y que
enlaces de la red tienen que utilizarse para que las
peticiones de los usuarios lleguen a los servidores
finales, es decir, el conocido como embedding problem.
Bajo el paraguas del paradigma NFV, a este
problema se le conoce en inglés como Virtual Network
Embedding (VNE), y esta tesis utiliza el termino
“NFV orchestration algorithm” para referirse
a los algoritmos que resuelven este problema. El
problema del VNE es NP-hard, lo cual significa
que que es imposible encontrar una solución optima
en un tiempo polinómico, independientemente
del tamaño de la red. Como consecuencia, la comunidad
investigadora y de telecomunicaciones
utilizan heurísticos que encuentran soluciones de
manera más rápida que productos para la resolución
de problemas de optimización.
Tradicionalmente, los “NFV orchestration algorithms”
han intentado minimizar los costes de
despliegue derivados de las soluciones asociadas.
Por ejemplo, estos algoritmos intentan no consumir
el ancho de banda de la red, y usar rutas cortas
para no utilizar tantos recursos. Además, una tendencia
reciente ha llevado a la comunidad investigadora
a utilizar algoritmos que minimizan el
consumo energético de los servicios desplegados,
bien mediante la elección de dispositivos con un
consumo energético más eficiente, o mediante el
apagado de dispositivos de red en desuso. Típicamente,
las restricciones de los problemas de VNE se
han resumido en un conjunto de restricciones asociadas
al uso de recursos y consumo energético, y las
soluciones se diferenciaban por la función objetivo
utilizada. Pero eso era antes de la 5a generación de
redes móviles (5G) se considerase en el problema
de VNE. Con la aparición del 5G, nuevos servicios
de red y casos de uso entraron en escena. Los estándares
hablaban de comunicaciones ultra rápidas
y fiables (Ultra-Reliable and Low Latency Communications
(URLLC) usando las siglas en inglés) con
latencias por debajo de unos pocos milisegundos y
fiabilidades del 99.999%, una banda ancha mejorada
(enhanced Mobile Broadband (eMBB) usando
las siglas en inglés) con notorios incrementos en
el flujo de datos, e incluso la consideración de comunicaciones
masivas entre maquinas (Massive
Machine-Type Communications (mMTC) usando
las siglas en inglés) entre dispositivos IoT. Es más,
paradigmas como edge y fog computing se incorporaron a la tecnología 5G, e introducían la idea
de tener dispositivos de computo más cercanos al
usuario final. Como resultado, el problema del VNE
tenía que incorporar los nuevos requisitos como
restricciones a tener en cuenta, y toda solución
debía satisfacer bajas latencias, alta fiabilidad, y
mayores tasas de transmisión.
Esta tesis estudia el problema des VNE, y propone
algunos heurísticos que lidian con las restricciones
asociadas a servicios 5G en escenarios
edge y fog, es decir, las soluciones propuestas se
encargan de asignar funciones virtuales de red a
servidores, y deciden el enrutamiento del trafico
en las infraestructuras 5G con dispositivos edge y
fog. Para evaluar el rendimiento de las soluciones
propuestas, esta tesis estudia en primer lugar la
generación de grafos que representan redes 5G.
Los mecanismos propuestos para la generación de
grafos sirven para representar distintos escenarios
5G. En particular, escenarios de federación en
los que varios dominios comparten recursos entre
ellos. Los grafos generados también representan
servidores en el edge, así como dispositivos fog con
una batería limitada. Además, estos grafos tienen
en cuenta los requisitos de estándares, y la demanda
que se espera en las redes 5G. La generación de
grafos propuesta sirve para representar escenarios
federación en los que varios dominios comparten
recursos entre ellos, y redes 5G con servidores edge,
así como dispositivos fog estáticos o móviles con
una batería limitada. Los grafos generados para
infraestructuras 5G tienen en cuenta los requisitos
de estándares, y la demanda de red que se espera
en las redes 5G. Además, los grafos son diferentes
en función de la densidad de población, y el área
de estudio, es decir, si es una zona industrial, una
autopista, o una zona urbana.
Tras detallar la generación de grafos que representan
redes 5G, esta tesis propone algoritmos de
orquestación NFV para resolver con el problema
del VNE. Primero, se centra en escenarios federados
en los que los servicios de red se tienen que
asignar no solo a la infraestructura de un dominio,
sino a los recursos compartidos en la federación
de dominios. Dos problemas diferentes han sido estudiados,
uno es el problema del VNE propiamente
dicho sobre una infraestructura federada, y el otro
es la delegación de servicios de red. Es decir, si
un servicio de red se debe desplegar localmente
en un dominio, o en los recursos compartidos por
la federación de dominios; a sabiendas de que el último caso supone el pago de cuotas por parte del
dominio local a cambio del despliegue del servicio
de red. En segundo lugar, esta tesis propone
OKpi, un algoritmo de orquestación NFV para conseguir
la calidad de servicio de las distintas slices
de las redes 5G. Conceptualmente, el slicing consiste
en partir la red de modo que cada servicio
de red sea tratado de modo diferente dependiendo
del trozo al que pertenezca. Por ejemplo, una
slice de eHealth reservara los recursos de red necesarios
para conseguir bajas latencias en servicios
como operaciones quirúrgicas realizadas de manera
remota. Cada trozo (slice) está destinado a
unos servicios específicos con unos requisitos muy
concretos, como alta fiabilidad, restricciones de
localización, o latencias de un milisegundo. OKpi
es un algoritmo de orquestación NFV que consigue
satisfacer los requisitos de servicios de red en los
distintos trozos, o slices de la red. Tras presentar
OKpi, la tesis resuelve el problema del VNE en redes
5G con dispositivos fog estáticos y móviles. El
algoritmo de orquestación NFV presentado tiene
en cuenta las limitaciones de recursos de computo
de los dispositivos fog, además de los problemas
de falta de cobertura derivados de la movilidad de
los dispositivos.
Para concluir, esta tesis estudia el escalado
de servicios vehiculares Vehicle-to-Network (V2N),
que requieren de bajas latencias para servicios como
la prevención de choques, avisos de posibles
riesgos, y conducción remota. Para estos servicios,
los atascos y congestiones en la carretera pueden
causar el incumplimiento de los requisitos de latencia.
Por tanto, es necesario anticiparse a esas
circunstancias usando técnicas de series temporales
que permiten saber el tráfico inminente en los
siguientes minutos u horas, para así poder escalar
el servicio V2N adecuadamente.Current network infrastructures handle a diverse
range of network services such as video
on demand services, video-conferences, social
networks, educational systems, or photo
storage services. These services have been
embraced by a significant amount of the
world population, and are used on a daily basis.
Cloud providers and Network operators’
infrastructures accommodate the traffic rates
that the aforementioned services generate, and
their management tasks do not only involve
the traffic steering, but also the processing of
the network services’ traffic. Traditionally,
the traffic processing has been assessed via
applications/programs deployed on servers
that were exclusively dedicated to a specific
task as packet inspection. However, in recent
years network services have stated to be
virtualized and this has led to the Network
Function Virtualization (Network Function
Virtualization (NFV)) paradigm, in which the
network functions of a service run on containers
or virtual machines that are decoupled
from the hardware infrastructure. As a result,
the traffic processing has become more flexible
because of the loose coupling between
software and hardware, and the possibility
of sharing common network functions, as
firewalls, across multiple network services.
NFV eases the automation of network operations,
since scaling and migrations tasks
are typically performed by a set of commands
predefined by the virtualization technology,
either containers or virtual machines. However,
it is still necessary to decide the traffic steering and processing of every network
service. In other words, which servers will
hold the traffic processing, and which are the
network links to be traversed so the users’ requests
reach the final servers, i.e., the network
embedding problem. Under the umbrella of
NFV, this problem is known as Virtual Network
Embedding (VNE), and this thesis refers
as “NFV orchestration algorithms” to those
algorithms solving such a problem. The VNE
problem is a NP-hard, meaning that it is impossible
to find optimal solutions in polynomial
time, no matter the network size. As a
consequence, the research and telecommunications
community rely on heuristics that find
solutions quicker than a commodity optimization
solver.
Traditionally, NFV orchestration algorithms
have tried to minimize the deployment
costs derived from their solutions. For example,
they try to not exhaust the network
bandwidth, and use short paths to use less
network resources. Additionally, a recent
tendency led the research community towards
algorithms that minimize the energy consumption
of the deployed services, either
by selecting more energy efficient devices
or by turning off those network devices that
remained unused. VNE problem constraints
were typically summarized in a set of resources/energy constraints, and the solutions
differed on which objectives functions were
aimed for. But that was before 5th generation
of mobile networks (5G) were considered
in the VNE problem. With the appearance
of 5G, new network services and use cases
started to emerge. The standards talked about
Ultra Reliable Low Latency Communication
(Ultra-Reliable and Low Latency Communications
(URLLC)) with latencies below few
milliseconds and 99.999% reliability, an enhanced
mobile broadband (enhanced Mobile
Broadband (eMBB)) with significant data
rate increases, and even the consideration
of massive machine-type communications
(Massive Machine-Type Communications
(mMTC)) among Internet of Things (IoT) devices.
Moreover, paradigms such as edge and
fog computing blended with the 5G technology
to introduce the idea of having computing
devices closer to the end users. As a result, the VNE problem had to incorporate the new
requirements as constraints to be taken into
account, and every solution should either
satisfy low latencies, high reliability, or larger
data rates.
This thesis studies the VNE problem, and
proposes some heuristics tackling the constraints
related to 5G services in Edge and
fog scenarios, that is, the proposed solutions
assess the assignment of Virtual Network
Functions to resources, and the traffic steering
across 5G infrastructures that have Edge and
Fog devices. To evaluate the performance
of the proposed solutions, the thesis studies
first the generation of graphs that represent
5G networks. The proposed mechanisms to
generate graphs serve to represent diverse 5G
scenarios. In particular federation scenarios
in which several domains share resources
among themselves. The generated graphs
also represent edge servers, so as fog devices
with limited battery capacity. Additionally,
these graphs take into account the standard
requirements, and the expected demand for
5G networks. Moreover, the graphs differ depending
on the density of population, and the
area of study, i.e., whether it is an industrial
area, a highway, or an urban area.
After detailing the generation of graphs
representing the 5G networks, this thesis proposes
several NFV orchestration algorithms
to tackle the VNE problem. First, it focuses
on federation scenarios in which network services
should be assigned not only to a single
domain infrastructure, but also to the shared
resources of the federation of domains. Two
different problems are studied, one being the
VNE itself over a federated infrastructure, and
the other the delegation of network services.
That is, whether a network service should be
deployed in a local domain, or in the pool
of resources of the federation domain; knowing
that the latter charges the local domain
for hosting the network service. Second, the
thesis proposes OKpi, a NFV orchestration
algorithm to meet 5G network slices quality
of service. Conceptually, network slicing consists
in splitting the network so network services
are treated differently based on the slice
they belong to. For example, an eHealth network
slice will allocate the network resources necessary to meet low latencies for network
services such as remote surgery. Each network
slice is devoted to specific services with
very concrete requirements, as high reliability,
location constraints, or 1ms latencies. OKpi is
a NFV orchestration algorithm that meets the
network service requirements among different
slices. It is based on a multi-constrained
shortest path heuristic, and its solutions satisfy
latency, reliability, and location constraints.
After presenting OKpi, the thesis tackles the
VNE problem in 5G networks with static/moving
fog devices. The presented NFV orchestration
algorithm takes into account the limited
computing resources of fog devices, as well
as the out-of-coverage problems derived from
the devices’ mobility.
To conclude, this thesis studies the scaling
of Vehicle-to-Network (V2N) services, which
require low latencies for network services as
collision avoidance, hazard warning, and remote
driving. For these services, the presence
of traffic jams, or high vehicular traffic congestion
lead to the violation of latency requirements.
Hence, it is necessary to anticipate to
such circumstances by using time-series techniques
that allow to derive the incoming vehicular
traffic flow in the next minutes or hours,
so as to scale the V2N service accordingly.The 5G Exchange (5GEx) project (2015-2018) was an EU-funded project (H2020-ICT-2014-2 grant agreement 671636).
The 5G-TRANSFORMER project (2017-2019) is an EU-funded project (H2020-ICT-2016-2 grant agreement 761536).
The 5G-CORAL project (2017-2019) is an EU-Taiwan project (H2020-ICT-2016-2 grant agreement 761586).Programa de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Ioannis Stavrakakis.- Secretario: Pablo Serrano Yáñez-Mingot.- Vocal: Paul Horatiu Patra
Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems
[ES] La quinta generación de comunicaciones móviles, 5G, promete ser una revolución tecnológica que vaya más allá de multiplicar la velocidad de transmisión de datos de sus predecesoras. Pretende soportar una gran cantidad de dispositivos y alcanzar latencias muy cercanas a 1 milisegundo. Para satisfacer estos ambiciosos requisitos, se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras. Una de ellas es el uso de las bandas de ondas milimétricas (mmW) en las cuales hay una gran cantidad de espectro disponible.
Para predecir las características del canal radio y evaluar las prestaciones de la 5G de forma fiable en las bandas mmW se requieren modelos de canal complejos. Concretamente, los modelos de propagación más precisos son los basados en trazado de rayos, pero su alto costo computacional los hacen inviables para la caracterización del canal radio en escenarios complejos. Por otro lado, en los últimos años, la tecnología de videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para modelar la propagación de la luz en escenarios superrealistas. Dada la cercanía espectral entre el espectro visible y las ondas mmW, la presente Tesis ha estudiado la aplicación de las herramientas de modelado de propagación de la luz de los motores de juego para el modelado del canal radio en mmW.
Esta Tesis propone un modelo de estimación de las pérdidas de propagación en mmW llamado "Modelo de Intensidad de Luz'' (LIM). Usando este modelo, basado en los procesos de iluminación realizados por los motores de juego, los transmisores de señal se sustituyen por focos de luz y la intensidad lumínica recibida en un punto se traduce a potencia de señal en milimétricas a través de una función polinómica sencilla.
Una de las ventajas de usar los motores de juego es su gran capacidad y la facilidad que tiene el usuario para crear escenarios superrealistas que representen fielmente la geometría de escenarios donde se quiera evaluar el canal radio. De esta forma se pueden obtener estimaciones precisas de las pérdidas de propagación. La estimación de las pérdidas de propagación con LIM ha sido comparada con campañas de medida en las bandas de 28 GHz y 73 GHz y con otros modelos de propagación. Como resultado, el error de estimación de LIM es menor que los modelos estocásticos actuales y es comparable con el modelo de trazado de rayos. Y, además, el coste computacional de LIM comparado con el trazado de rayos es 130 veces menor, lo que posibilita el uso de LIM en escenarios altamente complejos para la estimación del canal radio en tiempo real.
Los motores de juego permiten caracterizar de forma diferente la interacción de los materiales con la luz configurando el mapa de normales de sus superficies y sus funciones de dispersión y reflexión. En esta Tesis se ha determinado la caracterización de varios materiales que mejor se ajusta a medidas de laboratorio realizadas en un escenario controlado en la banda de 28 GHz. El modelo de LIM empleando materiales con esta caracterización óptima reduce más de un 50\% su error de estimación con respecto a la aplicación de LIM con los materiales por defecto, mientras que su coste computacional sigue siendo 26 veces menor que el modelo de trazado de rayos.
Finalmente, se ha desarrollado sobre un motor de juego una primera versión de plataforma para la emulación de los sistemas 5G que es el punto de partida para un emulador completo de 5G. Esta plataforma no sólo contiene el modelo de LIM sino que incluye varios casos de uso de la 5G en entornos superrealistas. La plataforma, que se basa en el concepto de "Serious Game Engineering", rompe las limitaciones de los simuladores de redes móviles en cuanto a las capacidades de visualización e interacción del usuario con los componentes de la red en tiempo real.[CA] La cinquena generació de comunicacions mòbils, 5G, promet ser una revolució tecnològica que vaja més enllà de multiplicar la velocitat de transmissió de dades de les seues predecessores. Pretén suportar una gran quantitat de dispositius i aconseguir latències molt pròximes a 1 mil·lisegon. Per a satisfer aquests ambiciosos requisits, s'han investigat noves tecnologies habilitadores. Una d'elles és l'ús de les bandes d'ones mil·limètriques (mmW) en les quals hi ha una gran quantitat d'espectre disponible.
Per a predir les característiques del canal ràdio i avaluar les prestacions de la 5G de forma fiable en les bandes mmW es requereixen models de canal complexos. Concretament, els models de propagació més precisos són els basats en traçat de rajos, però el seu alt cost computacional els fan inviables per a la caracterització del canal ràdio en escenaris complexos. D'altra banda, en els últims anys, la tecnologia de videojocs ha desenvolupat potents eines per a modelar la propagació de la llum en escenaris superrealistes. Donada la proximitat espectral entre l'espectre visible i les ones mmW, la present Tesi ha estudiat l'aplicació de les eines de modelatge de propagació de la llum dels motors de joc per al modelatge del canal radie en mmW.
Aquesta Tesi proposa un model d'estimació de les pèrdues de propagació en mmW anomenat "Model d'Intensitat de Llum'' (LIM). Usant aquest model, basat en els processos d'il·luminació realitzats pels motors de joc, els transmissors de senyal se substitueixen per focus de llum i la intensitat lumínica rebuda en un punt es tradueix a potència de senyal en mil·limètriques a través d'una funció polinòmica senzilla.
Una dels avantatges d'usar els motors de joc és la seua gran capacitat i la facilitat que té l'usuari per a crear escenaris superrealistes que representen fidelment la geometria d'escenaris on es vulga avaluar el canal ràdio. D'aquesta forma es poden obtindre estimacions precises de les pèrdues de propagació. L'estimació de les pèrdues de propagació amb LIM ha sigut comparada amb campanyes de mesura en les bandes de 28~GHz i 73~GHz i amb altres models de propagació. Com a resultat, l'error d'estimació de LIM és menor que els models estocàstics actuals i és comparable amb el model de traçat de rajos. I, a més, el cost computacional de LIM comparat amb el traçat de rajos és 130 vegades menor, la qual cosa possibilita l'ús de LIM en escenaris altament complexos per a l'estimació del canal ràdio en temps real.
Els motors de joc permeten caracteritzar de forma diferent la interacció dels materials amb la llum configurant el mapa de normals de les seues superfícies i les seues funcions de dispersió i reflexió. En aquesta Tesi s'ha determinat la caracterització de diversos materials que s'ajusta millor a mesures de laboratori realitzades en un escenari controlat en la banda de 28 GHz. El model de LIM emprant materials amb aquesta caracterització òptima redueix més d'un 50 % el seu error d'estimació respecte a l'aplicació de LIM amb els materials per defecte, mentre que el seu cost computacional continua sent 26 vegades menor que el model de traçat de rajos.
Finalment, s'ha desenvolupat sobre un motor de joc una primera versió de plataforma per a l'emulació dels sistemes 5G que és el punt de partida per a un emulador complet de 5G. Aquesta plataforma no solament conté el model de LIM sinó que inclou diversos casos d'ús de la 5G en entorns superrealistes. La plataforma, que es basa en el concepte de "Serious Game Engineering", trenca les limitacions dels simuladors de xarxes mòbils quant a les capacitats de visualització i interacció de l'usuari amb els components de la xarxa en temps real.[EN] The fifth generation of mobile communications, 5G, promises to be a technological revolution that goes beyond multiplying the data transmission speed of its predecessors. It aims to support a large number of devices and reach latencies very close to 1 millisecond. To meet these ambitious requirements, new enabling technologies have been researched. One of these is the use of millimetre-wave bands (mmW) in which a large amount of spectrum is available.
Complex channel models are required to predict radio channel characteristics and reliably evaluate 5G performance in the mmW bands. Specifically, the most accurate propagation models are those based on ray tracing, but their high computational cost makes them unfeasible for radio channel characterization in complex scenarios. On the other hand, in recent years, video game technology has developed powerful tools to model the propagation of light in super realistic scenarios. Given the spectral closeness between the visible spectrum and the mmW waves, the present Thesis has studied the application of light propagation modeling tools from game engines for radio channel modeling in mmW.
This Thesis proposes a model for estimating propagation losses in mmW called "Light Intensity Model'' (LIM). Using this model, based on the lighting processes performed by the game engines, the signal transmitters are replaced by light sources and the light intensity received at a point is translated into signal strength in mmW through a simple polynomial function.
One of the advantages of using the game engines is their great capacity and the ease with which the user can create super realistic scenarios that faithfully represent the geometry of scenarios where the radio channel is to be evaluated. In this way, accurate estimates of propagation losses can be obtained. The estimation of propagation losses with LIM has been compared with measurement campaigns in the 28 GHz and 73 GHz bands and with other propagation models. As a result, the LIM estimation error is smaller than the current stochastic models and is comparable with the ray tracing model. In addition, the computational cost of LIM compared to ray tracing is 130 times lower, allowing the use of LIM in highly complex scenarios for real-time radio channel estimation.
The game engines allow to characterize in a different way the interaction of the materials with the light configuring the normal map of their surfaces and their scattering and reflection functions. In this Thesis it has been determined the characterization of several materials that best fits to laboratory measurements made in a controlled scenario in the 28 GHz band. The LIM model using materials with this optimal characterization reduces by more than 50% its estimation error with respect to the application of LIM with default materials, while its computational cost remains 26 times lower than the ray tracing model.
Finally, a first version of a platform for the emulation of 5G systems has been developed on a game engine, which is the starting point for a complete 5G emulator. This platform not only contains the LIM model but also includes several 5G use cases in super realistic environments. The platform, which is based on the concept of "`Serious Game Engineering", breaks the limitations of mobile network simulators in terms of visualization capabilities and user interaction with network components in real time.Inca Sánchez, SA. (2019). Serious Game Engineering and Lighting Models for the Realistic Emulation of 5G Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/132695TESI
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