Mobile MPLS-TP - Support the mobility of terminal devices

MPLS architecture for transport networks play the significant role in the development of next generation networks, in particular with regard to the guarantee of continuity of communications "end-to-end" through a variety of heterogeneous segments of the telecommunications network. The article presents the concept of Mobile MPLS-TP with the use of OAM channels to support the mobility of users and optimize "Handoff" procedure in a hierarchical network topology

Ethernet - a survey on its fields of application

During the last decades, Ethernet progressively became the most widely used local area networking (LAN) technology. Apart from LAN installations, Ethernet became also attractive for many other fields of application, ranging from industry to avionics, telecommunication, and multimedia. The expanded application of this technology is mainly due to its significant assets like reduced cost, backward-compatibility, flexibility, and expandability. However, this new trend raises some problems concerning the services of the protocol and the requirements for each application. Therefore, specific adaptations prove essential to integrate this communication technology in each field of application. Our primary objective is to show how Ethernet has been enhanced to comply with the specific requirements of several application fields, particularly in transport, embedded and multimedia contexts. The paper first describes the common Ethernet LAN technology and highlights its main features. It reviews the most important specific Ethernet versions with respect to each application field’s requirements. Finally, we compare these different fields of application and we particularly focus on the fundamental concepts and the quality of service capabilities of each proposal

IP/MPLS and MPLS/TP teleprotection latencies over high voltage power lines

Power utilities dependent on communication networks to deliver critical power services continue to increase. These time-critical networks have evolved to use packet-based technologies such as Internet Protocol Multi-Protocol Label Switching (IP/MPLS) and Multi-Protocol Label Switching Transport Protocol (MPLS/TP). Both packet-based technologies are efficient traffic routing protocols for critical applications like teleprotection with challenging low propagation and asymmetrical latency requirements. This paper presents the findings of IP/MPLS and MPLS/TP hitless teleprotection applications over high voltage power lines. The performance of both technologies is compared based on specific network parameters using test equipment. The major results highlighted include base case tests of propagation and symmetrical latencies following latency injections, event response, bit error, path switching, Quality of Service (QoS), and IEC 61850 proof of concept test. While the result demonstrates that IP/MPLS and MPLS/TP - if configured properly - can meet the strictest requirements of teleprotection latencies over high voltage power lines, their performance varied across the hitless technology test metrics. These findings are not only relevant for unravelling deployment decisions between both packet-based technologies in the energy sector but are also useful for the long-term infrastructural planning of power utilities

Teleprotection signalling over an IP/MPLS network

Protection of electricity networks have developed to incorporate communications, referred to as protection signalling. Due to the evolution of the electricity supply system, there are many developments pending within the scope of protection signalling and protection engineering in general. This project investigates the use of current and emerging communications technologies (i.e. packetised networks) being applied and incorporated into current protection signalling schemes and technologies. The purpose of the project is to provide a more cost-effective solution to protection schemes running obsolescent hardware. While the medium-term goal of the industry is to move entirely to IEC 61850 communications, legacy teleprotection relays using non-IP communications will still exist for many years to come. For companies to be ready for an IEC 61850 rollout a fully deployed IP/MPLS network will be necessary and it can be seen that various companies worldwide are readying themselves in this way. However, in the short-term for these companies, this means maintaining their existing TDM network (which runs current teleprotection schemes) and IP/MPLS network. This is a costly business outcome that can be minimised with the migration of services from and decommissioning of TDM networks. Network channel testing was the primary testing focus of the project. The testing proved that teleprotection traffic with correct QoS markings assured the system met latency and stability requirements. Furthermore, MPLS resiliency features (secondary LSPs & Fast-reroute) were tested and proved automatic path failover was possible under fault conditions at sub-30ms speeds

Next generation control of transport networks

It is widely understood by telecom operators and industry analysts that bandwidth demand is increasing dramatically, year on year, with typical growth figures of 50% for Internet-based traffic [5]. This trend means that the consumers will have both a wide variety of devices attaching to their networks and a range of high bandwidth service requirements. The corresponding impact is the effect on the traffic engineered network (often referred to as the “transport network”) to ensure that the current rate of growth of network traffic is supported and meets predicted future demands. As traffic demands increase and newer services continuously arise, novel network elements are needed to provide more flexibility, scalability, resilience, and adaptability to today’s transport network. The transport network provides transparent traffic engineered communication of user, application, and device traffic between attached clients (software and hardware) and establishing and maintaining point-to-point or point-to-multipoint connections. The research documented in this thesis was based on three initial research questions posed while performing research at British Telecom research labs and investigating control of transport networks of future transport networks: 1. How can we meet Internet bandwidth growth yet minimise network costs? 2. Which enabling network technologies might be leveraged to control network layers and functions cooperatively, instead of separated network layer and technology control? 3. Is it possible to utilise both centralised and distributed control mechanisms for automation and traffic optimisation? This thesis aims to provide the classification, motivation, invention, and evolution of a next generation control framework for transport networks, and special consideration of delivering broadcast video traffic to UK subscribers. The document outlines pertinent telecoms technology and current art, how requirements I gathered, and research I conducted, and by which the transport control framework functional components are identified and selected, and by which method the architecture was implemented and applied to key research projects requiring next generation control capabilities, both at British Telecom and the wider research community. Finally, in the closing chapters, the thesis outlines the next steps for ongoing research and development of the transport network framework and key areas for further study

WDM/TDM PON bidirectional networks single-fiber/wavelength RSOA-based ONUs layer 1/2 optimization

This Thesis proposes the design and the optimization of a hybrid WDM/TDM PON at the L1 (PHY) and L2 (MAC) layers, in terms of minimum deployment cost and enhanced performance for Greenfield NGPON. The particular case of RSOA-based ONUs and ODN using a single-fibre/single-wavelength is deeply analysed. In this WDM/TDM PON relevant parameters are optimized. Special attention has been given at the main noise impairment in this type of networks: the Rayleigh Backscattering effect, which cannot be prevented. To understand its behaviour and mitigate its effects, a novel mathematical model for the Rayleigh Backscattering in burst mode transmission is presented for the first time, and it has been used to optimize the WDM/TDM RSOA based PON. Also, a cost-effective, simple design SCM WDM/TDM PON with rSOA-based ONU, was optimized and implemented. This prototype was successfully tested showing high performance, robustness, versatility and reliability. So, the system is able to give coverage up to 1280 users at 2.5 Gb/s / 1.25 Gb/s downstream/upstream, over 20 Km, and being compatible with the GPON ITU-T recommendation. This precedent has enabled the SARDANA network to extend the design, architecture and capabilities of a WDM/TDM PON for a long reach metro-access network (100 km). A proposal for an agile Transmission Convergence sub-layer is presented as another relevant contribution of this work. It is based on the optimization of the standards GPON and XG-PON (for compatibility), but applied to a long reach metro-access TDM/WDM PON rSOA-based network with higher client count. Finally, a proposal of physical implementation for the SARDANA layer 2 and possible configurations for SARDANA internetworking, with the metro network and core transport network, are presented

Integrated IT and SDN Orchestration of multi-domain multi-layer transport networks

Telecom operators networks' management and control remains partitioned by technology, equipment supplier and networking layer. In some segments, the network operations are highly costly due to the need of the individual, and even manual, configuration of the network equipment by highly specialized personnel. In multi-vendor networks, expensive and never ending integration processes between Network Management Systems (NMSs) and the rest of systems (OSSs, BSSs) is a common situation, due to lack of adoption of standard interfaces in the management systems of the different equipment suppliers. Moreover, the increasing impact of the new traffic flows introduced by the deployment of massive Data Centers (DCs) is also imposing new challenges that traditional networking is not ready to overcome. The Fifth Generation of Mobile Technology (5G) is also introducing stringent network requirements such as the need of connecting to the network billions of new devices in IoT paradigm, new ultra-low latency applications (i.e., remote surgery) and vehicular communications. All these new services, together with enhanced broadband network access, are supposed to be delivered over the same network infrastructure. In this PhD Thesis, an holistic view of Network and Cloud Computing resources, based on the recent innovations introduced by Software Defined Networking (SDN), is proposed as the solution for designing an end-to-end multi-layer, multi-technology and multi-domain cloud and transport network management architecture, capable to offer end-to-end services from the DC networks to customers access networks and the virtualization of network resources, allowing new ways of slicing the network resources for the forthcoming 5G deployments. The first contribution of this PhD Thesis deals with the design and validation of SDN based network orchestration architectures capable to improve the current solutions for the management and control of multi-layer, multi-domain backbone transport networks. These problems have been assessed and progressively solved by different control and management architectures which has been designed and evaluated in real evaluation environments. One of the major findings of this work has been the need of developed a common information model for transport network's management, capable to describe the resources and services of multilayer networks. In this line, the Control Orchestration Protocol (COP) has been proposed as a first contriution towards an standard management interface based on the main principles driven by SDN. Furthermore, this PhD Thesis introduces a novel architecture capable to coordinate the management of IT computing resources together with inter- and intra-DC networks. The provisioning and migration of virtual machines together with the dynamic reconfiguration of the network has been successfully demonstrated in a feasible timescale. Moreover, a resource optimization engine is introduced in the architecture to introduce optimization algorithms capable to solve allocation problems such the optimal deployment of Virtual Machine Graphs over different DCs locations minimizing the inter-DC network resources allocation. A baseline blocking probability results over different network loads are also presented. The third major contribution is the result of the previous two. With a converged cloud and network infrastructure controlled and operated jointly, the holistic view of the network allows the on-demand provisioning of network slices consisting of dedicated network and cloud resources over a distributed DC infrastructure interconnected by an optical transport network. The last chapters of this thesis discuss the management and orchestration of 5G slices based over the control and management components designed in the previous chapters. The design of one of the first network slicing architectures and the deployment of a 5G network slice in a real Testbed, is one of the major contributions of this PhD Thesis.La gestión y el control de las redes de los operadores de red (Telcos), todavía hoy, está segmentado por tecnología, por proveedor de equipamiento y por capa de red. En algunos segmentos (por ejemplo en IP) la operación de la red es tremendamente costosa, ya que en muchos casos aún se requiere con guración individual, e incluso manual, de los equipos por parte de personal altamente especializado. En redes con múltiples proveedores, los procesos de integración entre los sistemas de gestión de red (NMS) y el resto de sistemas (p. ej., OSS/BSS) son habitualmente largos y extremadamente costosos debido a la falta de adopción de interfaces estándar por parte de los diferentes proveedores de red. Además, el impacto creciente en las redes de transporte de los nuevos flujos de tráfico introducidos por el despliegue masivo de Data Centers (DC), introduce nuevos desafíos que las arquitecturas de gestión y control de las redes tradicionales no están preparadas para afrontar. La quinta generación de tecnología móvil (5G) introduce nuevos requisitos de red, como la necesidad de conectar a la red billones de dispositivos nuevos (Internet de las cosas - IoT), aplicaciones de ultra baja latencia (p. ej., cirugía a distancia) y las comunicaciones vehiculares. Todos estos servicios, junto con un acceso mejorado a la red de banda ancha, deberán ser proporcionados a través de la misma infraestructura de red. Esta tesis doctoral propone una visión holística de los recursos de red y cloud, basada en los principios introducidos por Software Defined Networking (SDN), como la solución para el diseño de una arquitectura de gestión extremo a extremo (E2E) para escenarios de red multi-capa y multi-dominio, capaz de ofrecer servicios de E2E, desde las redes intra-DC hasta las redes de acceso, y ofrecer ademas virtualización de los recursos de la red, permitiendo nuevas formas de segmentación en las redes de transporte y la infrastructura de cloud, para los próximos despliegues de 5G. La primera contribución de esta tesis consiste en la validación de arquitecturas de orquestración de red, basadas en SDN, para la gestión y control de redes de transporte troncales multi-dominio y multi-capa. Estos problemas (gestion de redes multi-capa y multi-dominio), han sido evaluados de manera incremental, mediante el diseño y la evaluación experimental, en entornos de pruebas reales, de diferentes arquitecturas de control y gestión. Uno de los principales hallazgos de este trabajo ha sido la necesidad de un modelo de información común para las interfaces de gestión entre entidades de control SDN. En esta línea, el Protocolo de Control Orchestration (COP) ha sido propuesto como interfaz de gestión de red estándar para redes SDN de transporte multi-capa. Además, en esta tesis presentamos una arquitectura capaz de coordinar la gestión de los recursos IT y red. La provisión y la migración de máquinas virtuales junto con la reconfiguración dinámica de la red, han sido demostradas con éxito en una escala de tiempo factible. Además, la arquitectura incorpora una plataforma para la ejecución de algoritmos de optimización de recursos capaces de resolver diferentes problemas de asignación, como el despliegue óptimo de Grafos de Máquinas Virtuales (VMG) en diferentes DCs que minimizan la asignación de recursos de red. Esta tesis propone una solución para este problema, que ha sido evaluada en terminos de probabilidad de bloqueo para diferentes cargas de red. La tercera contribución es el resultado de las dos anteriores. La arquitectura integrada de red y cloud presentada permite la creación bajo demanda de "network slices", que consisten en sub-conjuntos de recursos de red y cloud dedicados para diferentes clientes sobre una infraestructura común. El diseño de una de las primeras arquitecturas de "network slicing" y el despliegue de un "slice" de red 5G totalmente operativo en un Testbed real, es una de las principales contribuciones de esta tesis.La gestió i el control de les xarxes dels operadors de telecomunicacions (Telcos), encara avui, està segmentat per tecnologia, per proveïdors d’equipament i per capes de xarxa. En alguns segments (Per exemple en IP) l’operació de la xarxa és tremendament costosa, ja que en molts casos encara es requereix de configuració individual, i fins i tot manual, dels equips per part de personal altament especialitzat. En xarxes amb múltiples proveïdors, els processos d’integració entre els Sistemes de gestió de xarxa (NMS) i la resta de sistemes (per exemple, Sistemes de suport d’operacions - OSS i Sistemes de suport de negocis - BSS) són habitualment interminables i extremadament costosos a causa de la falta d’adopció d’interfícies estàndard per part dels diferents proveïdors de xarxa. A més, l’impacte creixent en les xarxes de transport dels nous fluxos de trànsit introduïts pel desplegament massius de Data Centers (DC), introdueix nous desafiaments que les arquitectures de gestió i control de les xarxes tradicionals que no estan llestes per afrontar. Per acabar de descriure el context, la cinquena generació de tecnologia mòbil (5G) també presenta nous requisits de xarxa altament exigents, com la necessitat de connectar a la xarxa milers de milions de dispositius nous, dins el context de l’Internet de les coses (IOT), o les noves aplicacions d’ultra baixa latència (com ara la cirurgia a distància) i les comunicacions vehiculars. Se suposa que tots aquests nous serveis, juntament amb l’accés millorat a la xarxa de banda ampla, es lliuraran a través de la mateixa infraestructura de xarxa. Aquesta tesi doctoral proposa una visió holística dels recursos de xarxa i cloud, basada en els principis introduïts per Software Defined Networking (SDN), com la solució per al disseny de una arquitectura de gestió extrem a extrem per a escenaris de xarxa multi-capa, multi-domini i consistents en múltiples tecnologies de transport. Aquesta arquitectura de gestió i control de xarxes transport i recursos IT, ha de ser capaç d’oferir serveis d’extrem a extrem, des de les xarxes intra-DC fins a les xarxes d’accés dels clients i oferir a més virtualització dels recursos de la xarxa, obrint la porta a noves formes de segmentació a les xarxes de transport i la infrastructura de cloud, pels propers desplegaments de 5G. La primera contribució d’aquesta tesi doctoral consisteix en la validació de diferents arquitectures d’orquestració de xarxa basades en SDN capaces de millorar les solucions existents per a la gestió i control de xarxes de transport troncals multi-domini i multicapa. Aquests problemes (gestió de xarxes multicapa i multi-domini), han estat avaluats de manera incremental, mitjançant el disseny i l’avaluació experimental, en entorns de proves reals, de diferents arquitectures de control i gestió. Un dels principals troballes d’aquest treball ha estat la necessitat de dissenyar un model d’informació comú per a les interfícies de gestió de xarxes, capaç de descriure els recursos i serveis de la xarxes transport multicapa. En aquesta línia, el Protocol de Control Orchestration (COP, en les seves sigles en anglès) ha estat proposat en aquesta Tesi, com una primera contribució cap a una interfície de gestió de xarxa estàndard basada en els principis bàsics de SDN. A més, en aquesta tesi presentem una arquitectura innovadora capaç de coordinar la gestió de els recursos IT juntament amb les xarxes inter i intra-DC. L’aprovisionament i la migració de màquines virtuals juntament amb la reconfiguració dinàmica de la xarxa, ha estat demostrat amb èxit en una escala de temps factible. A més, l’arquitectura incorpora una plataforma per a l’execució d’algorismes d’optimització de recursos, capaços de resoldre diferents problemes d’assignació, com el desplegament òptim de Grafs de Màquines Virtuals (VMG) en diferents ubicacions de DC que minimitzen la assignació de recursos de xarxa entre DC. També es presenta una solució bàsica per a aquest problema, així com els resultats de probabilitat de bloqueig per a diferents càrregues de xarxa. La tercera contribució principal és el resultat dels dos anteriors. Amb una infraestructura de xarxa i cloud convergent, controlada i operada de manera conjunta, la visió holística de la xarxa permet l’aprovisionament sota demanda de "network slices" que consisteixen en subconjunts de recursos d’xarxa i cloud, dedicats per a diferents clients, sobre una infraestructura de Data Centers distribuïda i interconnectada per una xarxa de transport òptica. Els últims capítols d’aquesta tesi tracten sobre la gestió i organització de "network slices" per a xarxes 5G en funció dels components de control i administració dissenyats i desenvolupats en els capítols anteriors. El disseny d’una de les primeres arquitectures de "network slicing" i el desplegament d’un "slice" de xarxa 5G totalment operatiu en un Testbed real, és una de les principals contribucions d’aquesta tesi.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

Off-line and in-operation optical core networks planning

The ever increasing IP traffic volume has finally brought to light the high inefficiency of current wavelength-routed over rigid-grid optical networks in matching the client layer requirements. Such an issue results in the deployment of large-size, expensive and power-consuming Multiprotocol Label Switching (MPLS) layers to perform the required grooming/aggregation functionality. To deal with this problem, the emerging flexgrid technology, allowing for reduced size frequency grids, is being standardized. Flexgrid optical networks divide the spectrum into frequency slots providing finer granularity than rigid networks based on Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM). To find a feasible allocation, new Routing and Spectrum Allocation (RSA) algorithms for flexgrid optical networks need to be designed and evaluated. Furthermore, due to the flexibility of flexible optical networks, the aggregation functions and statistical multiplexing can be partially located in the optical layer. In addition, given the special characteristics of flexible optical networks, the traditional mechanisms for protection and recovery must be reformulated. Optical transport platforms are designed to facilitate the setting up and tearing down of optical connections (lightpaths). Combining remotely configurable optical cross-connects (OXCs) with a control plane provides the capability of automated lightpath set-up for regular provisioning, and real-time reaction to the failures, being thus able to reduce Operational Expenditures (OPEX). However, to exploit existing capacity, increase dynamicity, and provide automation in future networks, current management architectures, utilizing legacy Network Management Systems (NMS) need to be radically transformed. This thesis is devoted to design optical networks and to devise algorithms to operate them. Network design objective consists of: i. Analyzing the cost implications that a set of frequency slot widths have on the Capital Expenditures (CAPEX) investments required to deploy MPLS-over-flexgrid networks; ii. Studying recovery schemes, where a new recovery scheme specifically designed for flexgrid-based optical networks is proposed. As for network operation, we focus on: i. Studying provisioning, where two provisioning algorithms are proposed: the first one targets at solving the RSA problem in flexgrid networks, whereas the second one studies provisioning considering optical impairments in translucent DWDM networks; ii. Getting back to the recovery problem, we focus on algorithms to cope with restoration in dynamic scenarios. Several algorithms are proposed for both single layer and multilayer networks to be deployed in the centralized Path Computation Element (PCE); iii. One of the main problems in flexgrid networks is spectrum defragmentation. In view of that, we propose an algorithm to reallocate already established optical connections so as to make room for incoming requests. This algorithm is extended with elasticity to deal with time-varying traffic. The above algorithms are firstly implemented and validated by using simulation, and finally experimentally assessed in real test-beds. In view of PCE architectures do not facilitate network reconfiguration, we propose a control and management architecture to allow the network to be dynamically operated; network resources can be made available by reconfiguring and/or re-optimizing the network on demand and in real-time. We call that as in-operation network planning. It shall be mentioned that part of the work reported in this thesis has been done within the framework of several European and National projects, namely STRONGEST (FP7-247674), IDEALIST (FP7-ICT-2011-8), and GEANT (FP7-238875) funded by the European Commission, and ENGINE (TEC2008-02634) and ELASTIC (TEC2011-27310) funded by the Spanish Science Ministry.El volumen creciente del tráfico IP, finalmente, ha puesto de manifiesto la alta ineficiencia de las redes ópticas actuales de grid rígido basadas en WDM en la adecuación a los requisitos de capa de cliente. Dicho problema genera que se deba desplegar una red con capas MPLS de gran tamaño, costosa y de alto consumo energético para poder realizar la funcionalidad de agregación requerida. Para hacer frente a este problema, la tecnología flexgrid emergente, que permite grids con frecuencias de menor tamaño, está siendo estandarizada. Las redes ópticas flexgrid dividen el espectro en slots de frecuencia, lo que proporciona una granularidad más fina en comparación a las redes rígidas basadas en WDM. Para encontrar una asignación factible, nuevos algoritmos de enrutamiento y asignación de espectro (RSA) para redes ópticas flexgrid deben ser diseñados y evaluados. Además, debido a la flexibilidad de las redes ópticas flexibles, las funciones de agregación y de multiplexación estadística pueden ser parcialmente situadas en la capa óptica. Asimismo, dadas las características especiales de las redes ópticas flexibles, los mecanismos tradicionales de protección y recuperación deben reformularse. Las plataformas de transporte ópticas están diseñadas para facilitar la creación y destrucción de conexiones ópticas. La combinación de OXCs configurables remotamente con un plano de control, proporciona la capacidad de crear conexiones automáticamente para el aprovisionamiento habitual, y la reacción en tiempo real a los fallos, para así poder reducir el OPEX. Sin embargo, para aprovechar la capacidad existente, aumentar la dinamicidad y proporcionar automatización a las redes del futuro, las arquitecturas actuales de gestión, que utilizan sistemas legados de NMS, necesitan ser transformadas de manera radical. Esta tesis está dedicada al diseño de redes ópticas y a la creación de algoritmos para operarlas. El objetivo de diseño de red se compone de: 1. El análisis de las implicancias en el costo que tiene un conjunto de slots de frecuencia en el CAPEX necesario para implementar redes MPLS-over-flexgrid; 2. El estudio de esquemas de recuperación, donde se propone un nuevo esquema de recuperación diseñado específicamente para las redes ópticas basadas en flexgrid. En cuanto a la operación de la red: 1. El estudio de aprovisionamiento, donde se proponen dos algoritmos de aprovisionamiento: el primero de ellos tiene como objetivo solucionar el problema de RSA en redes flexgrid, mientras que el segundo estudia aprovisionamiento considerando la degradación óptica en redes WDM translúcidas; 2. Volviendo al problema de la recuperación, nos centramos en algoritmos de restauración para escenarios dinámicos. Se proponen varios algoritmos, tanto para redes mono-capa como multi-capa, que serán desplegados en un PCE centralizado; 3. Uno de los principales problemas en las redes flexgrid es la desfragmentación del espectro. Para ello, se propone un algoritmo para reasignar las conexiones ópticas ya establecidas con el fin de hacer espacio a las entrantes. Este algoritmo se extiende con elasticidad para ser utilizado en escenarios con tráfico variable en el tiempo. Los algoritmos anteriores son primero implementados y validados utilizando simulación, y finalmente son evaluados experimentalmente en testbeds reales. En vista de que las arquitecturas de PCE no facilitan la reconfiguración de la red, proponemos una arquitectura de control y gestión para permitir que la red pueda ser operada de forma dinámica; hacer que los recursos de la red estén disponibles mediante reconfiguración y/o re-optimización de la red bajo demanda y en tiempo real. A eso lo llamamos planificación en operación de la red. El trabajo presentado en esta tesis se ha realizado en el marco de proyectos europeos y nacionales: STRONGEST (FP7-247674), IDEALIST (FP7-2011-8), y GEANT (FP7-238875) financiados por la CE, y ENGINE (TEC2008-02634) y ELASTIC (TEC2011-27310) financiados por el MINEC