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

Network-aware video streaming for future media Internet

272 p

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