Achieving Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) in Next-Generation Cellular Networks with Programmable Data Planes

Recent advancements in wireless technologies towards the next-generation cellular networks have brought a new era that made it possible to apply cellular technology on traditionally-wired networks with tighter requirements, such as industrial networks. The next-generation cellular technologies (e.g., 5G and Beyond) introduce the concept of ultra-reliable low-latency communications (URLLC). This thesis presents a Software-Defined Networking (SDN) architecture with programmable data planes for the next-generation cellular networks to achieve URLLC. Our design deploys programmable switches between the cellular core and Radio Access Networks (RAN) to monitor and modify data traffic at the line speed. We introduce the concept of \textit{intra-cellular optimization}, a relaxation in cellular networks to allow pre-authorized in-network devices to communicate without being required to signal the core network. We also present a control structure, Unified Control Plane (UCP), containing a novel Ethernet Layer control protocol and an adapted version of link-state routing information distribution among the programmable switches. Our implementation uses P4 with an 5G implementation (Open5Gs) and a UE/RAN simulator. We implement a Python simulator to evaluate the performance of our system on multi-switch topologies by simulating the switch behavior. Our evaluation indicates latency reduction up to 2x with \textit{intra-cellular optimization} compared to the conventional architecture. We show that our design has a ten-millisecond level of control latency, and achieves fine-grained network security and monitoring.Comment: M.Sc. Thesis, Bogazici University, 202

Recent Advances in Machine Learning for Network Automation in the O-RAN

© 2023 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY), https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/The evolution of network technologies has witnessed a paradigm shift toward open and intelligent networks, with the Open Radio Access Network (O-RAN) architecture emerging as a promising solution. O-RAN introduces disaggregation and virtualization, enabling network operators to deploy multi-vendor and interoperable solutions. However, managing and automating the complex O-RAN ecosystem presents numerous challenges. To address this, machine learning (ML) techniques have gained considerable attention in recent years, offering promising avenues for network automation in O-RAN. This paper presents a comprehensive survey of the current research efforts on network automation using ML in O-RAN. We begin by providing an overview of the O-RAN architecture and its key components, highlighting the need for automation. Subsequently, we delve into O-RAN support for ML techniques. The survey then explores challenges in network automation using ML within the O-RAN environment, followed by the existing research studies discussing application of ML algorithms and frameworks for network automation in O-RAN. The survey further discusses the research opportunities by identifying important aspects where ML techniques can benefit.Peer reviewe

Efficient solutions to the placement and chaining problem of User Plane Functions in 5G Networks

This study attempts to solve the placement and chaining problem of 5G User Plane Functions (UPFs) in a Multi-access Edge Computing (MEC) ecosystem. The problem is formalized as a multi-objective Integer Linear Programming (ILP) model targeted at optimizing provisioning costs and quality of service. Our model takes into account several aspects of the system such as UPF-specific considerations, the Service Function Chain (SFC) requests topology (single and multiple branches), Virtual Network Function (VNF) order constraints, service demands, and physical network capacities. Since the formulated problem is NP-hard, two heuristic solutions are devised to enhance solution efficiency. Specifically, an algorithm called Priority and Cautious-UPF Placement and Chaining (PC-UPC) and a simulated annealing (SA) meta-heuristic are proposed. Through extensive simulation experiments, we evaluated the performance of the proposed solutions. The results revealed that our solutions outperformed the baselines (i.e., two greedy-based heuristics and a variant of the classical SA) and that we had obtained nearly optimal solutions with significant reductions in running time. Moreover, the PC-UPC algorithm can effectively avoid SFC rejections and improve provisioning costs by considering session requirements, current network conditions, and the effects of VNF mapping decisions. Additionally, the proposed SA approach incorporates several mechanisms (e.g., variable Markov chain length and restart–stop) that allow the improvement of not only the quality of the solutions but also their computation time.Postprint (published version

A unified service-based capability exposure framework for closed-loop network automation

The ongoing quest for the tight integration of network operation and the network service provisioning initiated with the introduction of 5G often clashes with the capacity of current network architectures to provide means for such integration. Owing to the traditional design of mobile networks, which barely required a tight interaction, network elements offer capabilities for their continuous optimization just within their domain (eg, access, or core), allowing for a "silo-style" automation that falls short when aiming at closed-loop automation that embraces all the actors involved in the network, from network functions up to the service-provider network functions. To this end, in this article, we make the case for the network-wide capability exposure framework for closed-loop automation by (i) defining the different entities that shall expose capabilities, and (ii) discussing why the state of the art solutions are not enough to support this vision. Our proposed architecture, which relies on registration and discovery, and exposure functions, allows for enhanced use cases that are currently not possible with state of the art solution. We prove the feasibility of our solution by implementing it in a real-world testbed, employing Artificial Intelligence algorithms to close the loop for the management of the radio access network.Part of this work was performed in the context of the H2020 5G-MoNArch project (grant agreement no. 761445). The work of Marco Gramaglia has been partially funded by the H2020 5G-TOURS project (grant agreement no. 856950), and by the Spanish Ministry of Economic Affairs and Digital Transformation and the European Union-NextGenerationEU through the UNICO 5G I+D projects 6G-CLARION-NFD, 6G-CLARION-OR, 6G-CLARION-SI, and 6G-CLARION-O

Dynamic Scheduling and Optimal Reconfiguration of UPF Placement in 5G Networks

Multi-access Edge Computing (MEC) is a key technology in the road to 5G and beyond networks. Significant reductions in both latency and backhaul traffic can be achieved by placing server applications, and network functions at the network edge. However, this implies new challenges for their dynamic placement and management. In this paper, we tackle the problem of dynamic placement reconfiguration of 5G User Plane Functions (UPFs) in a MEC ecosystem to adapt to changes in user locations while ensuring QoS and network operator expenditures reduction. In this vein, an Integer Linear Programming (ILP) solution is proposed to determine the optimal UPF placement configuration (e.g., number of UPFs and user-UPF mapping) by considering several cost components along with service requirements. Moreover, a scheduling technique based on Optimal Stopping Theory (OST) is presented to decide the optimal reconfiguration time according to instantaneous values of latency violations and established QoS thresholds. Extensive simulation results demonstrate their effectiveness, achieving significant improvements in metrics such as number of re-computation events, reconfiguration costs, and number of latency violations over time

Distributed Resource Management in Converged Telecommunication Infrastructures

Η πέμπτη γενιά (5G) των ασύρματων και κινητών επικοινωνιών αναμένεται να έχει εκτεταμένο αντίκτυπο σε τομείς πέρα από αυτόν της τεχνολογίας πληροφοριών και επικοινωνιών (Information and Communications Technology - ICT). Το 5G ευθυγραμμίζεται με την 4η βιομηχανική εξέλιξη (4th industrial evolution), θολώνοντας τα όρια μεταξύ της φυσικής, της ψηφιακής και της βιολογικής σφαίρας. Σχεδιάστηκε για να προσφέρει δυνατότητες πολλαπλών υπηρεσιών και χρηστών, εκπληρώνοντας ταυτόχρονα πολλαπλές απαιτήσεις και επιχειρηματικά οικοσυστήματα. Ωστόσο, ορισμένες υπηρεσίες, όπως η επαυξημένη πραγματικότητα (Augmented Reality -AR), το εργοστάσιο του μέλλοντος (Factory of the Future) κ.λπ. θέτουν προκλήσεις για την ανάπτυξη μιας ενιαίας 5G υποδομής με βάση την ενεργειακή και οικονομική αποδοτικότητα. Σε αυτή τη κατεύθυνση, η παρούσα διδακτορική διατριβή υιοθετεί την ιδέα μιας καθολικής πλατφόρμας 5G που ενσωματώνει μια πληθώρα τεχνολογιών δικτύωσης (ασύρματες και ενσύρματες), και στοχεύει στην ανάπτυξη μαθηματικών εργαλείων, αλγορίθμων και πρωτοκόλλων για την ενεργειακή και λειτουργική βελτιστοποίηση αυτής της υποδομής και των υπηρεσιών που παρέχει. Αυτή η υποδομή διασυνδέει υπολογιστικούς, αποθηκευτικούς και δικτυακούς πόρους μέσω του προγραμματιζόμενου υλισμικού (hardware-HW) και της λογισμικοποίησης του δικτύου (network softwarisation). Με αυτό τον τρόπο, επιτρέπει την παροχή οποιασδήποτε υπηρεσίας με την ευέλικτη και αποτελεσματική μίξη και αντιστοίχιση πόρων δικτύου, υπολογισμού και αποθήκευσης. Αρχικά, η μελέτη επικεντρώνεται στις προκλήσεις των δικτύων ραδιοπρόσβασης επόμενης γενιάς (NG-RAN), τα οποία αποτελούνται από πολλαπλές τεχνολογίες δικτύου για τη διασύνδεση ενός ευρέος φάσματος συσκευών με υπολογιστικούς και αποθηκευτικούς πόρους. Η ανάπτυξη μικρών κυψελών (small cells) είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της φασματικής απόδοσης και της ρυθμαπόδοσης και μπορεί να επιτευχθεί είτε μέσω παραδοσιακών κατανεμημένων δικτύων ραδιοπρόσβασης (D-RAN) είτε μέσω δικτύων ραδιοπρόσβασης νέφους (C-RAN). Ενώ το C-RAN προσφέρει μεγάλα οφέλη όσο αφορά την επεξεργασία σήματος και τον συντονισμό σε σχέση με τα D-RAN, απαιτεί υψηλό εύρος ζώνης μετάδοσης και επιβάλλει σοβαρούς περιορισμούς καθυστέρησης στο δίκτυο μεταφοράς. Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, προτείνεται μια νέα αρχιτεκτονική «αποσύνθεσης των πόρων». Σύμφωνα με αυτήν, οι λειτουργιές βασικής επεξεργασίας σήματος (BBU functions) μπορούν να διαχωριστούν και να εκτελεστούν είτε στην ίδια θέση με τη κεραία (RU), είτε απομακρυσμένα σε κάποια μονάδα επεξεργασίας που βρίσκεται κοντά (DU) ή μακριά (CU) από την κεραία. Αυτή η έννοια της «αποσύνθεσης των πόρων» επιτρέπει την πρόσβαση σε κοινόχρηστους πόρους που παρέχονται από κέντρα δεδομένων μικρής ή μεγάλης κλίμακας, χωρίς να απαιτείται ιδιοκτησία των πόρων. Ωστόσο, η προσέγγιση αυτή απαιτεί την ανάπτυξη νέων πλαισίων βελτιστοποίησης για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της ευελιξίας των υποδομών 5G, ώστε να διαχειρίζονται αποτελεσματικά τους διαχωρισμένους πόρους. Καθοριστικό ρόλο σε αυτό αποτελεί η αρχιτεκτονική της Δικτύωσης Καθορισμένης από Λογισμικό (SDN), η οποία στοχεύει να επιτρέψει την προγραμματιζόμενη και δυναμική διαχείριση των πόρων του δικτύου μέσω κεντρικού ελέγχου. Έχοντας υπόψιν τα παραπάνω, στο πρώτο μέρος της διατριβής αναπτύσσεται ένα πλαίσιο βελτιστοποίησης που προσδιορίζει το βέλτιστο λειτουργικό διαχωρισμό μεταξύ των λειτουργιών βασικής επεξεργασίας σήματος, σε συνδυασμό με τη βέλτιστη τοποθέτηση του SDN ελεγκτή, λαμβάνοντας επίσης υπόψη τη σταθερότητα του συνολικού συστήματος και τη μείωση των συνολικών λειτουργικών δαπανών. Η ανάλυση επεκτείνεται περαιτέρω με προηγμένα σχήματα βελτιστοποίησης, με σκοπό την προσέγγιση ενός πιο ρεαλιστικού περιβάλλοντος 5G, όπου η ραγδαία αύξηση της κίνησης συνεπάγεται την ανάγκη για μεγαλύτερες δυνατότητες κλιμάκωσης για τη διαχείριση των χωρικών και χρονικών μεταβολών της, καθώς και τερματικών με διαφορετικές απαιτήσεις ποιότητας. Στη συνέχεια μελετούνται τα δίκτυα πυρήνα του 5G. Στα δίκτυα πυρήνα 5G κάθε λειτουργία είναι λογισμικοποιημένη (softwarized) και απομονωμένη, επιτρέποντας την ανάπτυξη της σε υλικό γενικής χρήσης. Επίσης εισάγεται ένας νέος διαχωρισμό μεταξύ των λειτουργιών του επιπέδου ελέγχου και του επιπέδου δεδομένων (Control and User Plane Seperation – CUPS) με βάση την SDN αρχιτεκτονική. Με τον τρόπο αυτό διαχωρίζεται η δικτυακή κίνηση μεταξύ των διαφορετικών 5G οντοτήτων (επίπεδο ελέγχου) και η δικτυακή κίνηση των χρηστών (επίπεδο χρήστη). Κρίσιμο ρόλο στο χειρισμό σημαντικού μέρους του επιπέδου χρήστη στα συστήματα 5G διαδραματίζει η οντότητα «λειτουργία επιπέδου χρήστη» (User Plane Function – UPF). Το UPF είναι υπεύθυνο για την προώθηση της πραγματικής κίνησης χρηστών με πολύ αυστηρές απαιτήσεις απόδοσης. Ανάλογα με τον τύπο της απαιτούμενης υπηρεσίας και την αρχιτεκτονική του δικτύου ραδιοπρόσβασης, οι κόμβοι UPF μπορούν να βρίσκονται είτε πιο κοντά είτε πιο μακριά από αυτό, ανακατευθύνοντας την κυκλοφορία σε διακομιστές κοντά στην άκρη του δικτύου για μείωση του χρόνου καθυστέρησης ή σε κεντρικές εγκαταστάσεις. Ως εκ τούτου, προκύπτει το ερώτημα της επιλογής των βέλτιστων στοιχείων UPF, καθώς η επιλογή ενός μη διαθέσιμου υπολογιστικού πόρου UPF μπορεί να οδηγήσει σε μπλοκάρισμα και καθυστερήσεις της υπηρεσίας. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος, προτείνουμε ένα μοντέλο ειδικά σχεδιασμένο για δυναμική επιλογή βέλτιστων στοιχείων UPF με στόχο την ελαχιστοποίηση της συνολικής καθυστέρησης της υπηρεσίας. Αναπτύσσουμε συναρτήσεις κόστους για το μοντέλο χρησιμοποιώντας εργαστηριακές μετρήσεις που ελήφθησαν από μια πλατφόρμα 5G ανοιχτού κώδικα που φιλοξενείται σε περιβάλλον νέφους οπτικού κέντρου δεδομένων. Με το προτεινόμενο μοντέλο, μπορούμε να επιλέξουμε δυναμικά το καταλληλότερο στοιχείο UPF για τη χρήση υπολογιστικών πόρων, μειώνοντας τη καθυστέρηση εξυπηρέτησης. Επεκτείνοντας την έννοια αποσύνθεσης των δικτυακών πόρων, η ανάλυση εστιάζει στα συστήματα 6G, τα οποία αναμένεται να υποστηρίξουν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών μέσω μιας κοινής υποδομής που διευκολύνεται από τον τεμαχισμό δικτύου (network slicing). Τα συστήματα 6G προβλέπεται να λειτουργούν με αποκεντρωμένο τρόπο, που επιτρέπει στις εφαρμογές να παρεμβαίνουν άμεσα στις διαδικασίες ελέγχου για την πιο αποτελεσματική διασφάλιση της ποιότητας εμπειρίας (Quality of Experience – QoE) των τελικών χρηστών. Αυτό πραγματοποιείται μέσω της χρήσης της οντότητας «λειτουργία εφαρμογής» (Application Function – AF), η οποία διαχειρίζεται την εφαρμογή που εκτελείται στο τερματικό χρήστη (User Equipment – UE) και στο διακομιστή (Application Server - AS) που υποστηρίζει την υπηρεσία. Το AF διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην παροχή υπηρεσιών υψηλού QoE, καθώς ενημερώνεται από την εφαρμογή και μπορεί να επηρεάσει τις αποφάσεις δρομολόγησης της κυκλοφορίας. Ωστόσο, η ανεξέλεγκτη λειτουργία του AF μπορεί να οδηγήσει σε αστάθεια στο σύστημα. Για την αντιμετώπιση αυτού του ζητήματος σχεδιάζουμε, εφαρμόζουμε και αξιολογούμε θεωρητικά και πειραματικά ένα πλήρως κατανεμημένο πλαίσιο λήψης αποφάσεων για την εκχώρηση ροών (flow assignment) στα συστήματα 6G. Το πλαίσιο αυτό αποδεικνύεται ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, συγκλίνει σε ένα σταθερό σημείο που παρέχει τη βέλτιστη ισορροπία μεταξύ QoE και αποδοτικότητας κόστους. Οι συναρτήσεις κόστους που χρησιμοποιούνται ενσωματώνουν τόσο το κόστος δικτύου όσο και το υπολογιστικό κόστος, τα οποία προκύπτουν ρεαλιστικά μέσω μιας λεπτομερούς διαδικασίας που διεξάγεται σε μια λειτουργική 5G πλατφόρμα. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει τη μοντελοποίηση της απόδοσης του συστήματος και των απαιτήσεων σε διαφορετικά σενάρια λειτουργίας, τα οποία μπορούν να βοηθήσουν στη βελτιστοποιημένη διαχείριση του κύκλου ζωής των παρεχόμενων υπηρεσιών. Τέλος, η μελέτη επικεντρώνεται στην πραγματική ανάπτυξη μιας υποδομής 5G που υποστηρίζει τον τεμαχισμό του δικτύου κατά παραγγελία από πολλαπλούς χρήστες. Ο τεμαχισμός του δικτύου επιτρέπει τον διαχωρισμό της φυσικής υποδομής δικτύου σε πολλαπλές λογικές υποδομές που μπορούν να υποστηρίξουν διαφορετικές κατηγορίες υπηρεσιών. Ένα τμήμα δικτύου (slice) έχει τους δικούς του αποκλειστικούς πόρους από το δίκτυο πρόσβασης, μεταφοράς, και πυρήνα, καθώς και στοιχεία από διάφορους τομείς κάτω από τους ίδιους ή διαφορετικούς διαχειριστές. Η κοινή χρήση της υποκείμενης φυσικής υποδομής από τα τμήματα δικτύου περιλαμβάνει την ανάπτυξη κατάλληλων διεπαφών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την σύνδεση των διαφορετικών δικτυακών στοιχείων, καθώς και τη δημιουργία κατάλληλων περιγραφών (descriptors) για την εικονοποίηση των 5G λειτουργιών (Εικονικές Δικτυακές Λειτουργίες 5G - 5G Virtual Network Functions – VNFs). Η συλλογή και ο κατάλληλος συνδυασμός πολλαπλών VNF δίνει μια 5G υπηρεσία δικτύου (Network Service - NS) από άκρη σε άκρη (End to End - E2E). Μέσω μιας πλατφόρμας διαχείρισης και ενορχήστρωσης (Management and Orchestration Platform - MANO), μπορούμε να συνδυάσουμε αυτές τις υπηρεσίες δικτύου για να δημιουργήσουμε και να διαχειριστούμε ένα 5G τμήμα δικτύου. Για να επιτευχθεί αυτό, στη μελέτη αυτή χρησιμοποιείται ένας ενορχηστρωτής που ονομάζεται Open Source MANO (OSM), ο οποίος είναι συμβατός με το πρότυπο της Εικονικοποίησης Λειτουργιών Δικτύου (NFV). Αναπτύσσονται descriptors τόσο για τις λειτουργίες του επιπέδου ελέγχου του 5G, όσο και για το επίπεδο χρήστη. Συνδυάζοντας αυτούς τους descriptors, επιτυγχάνεται η δυναμική υλοποίηση πολλαπλών τμημάτων δικτύου πάνω σε μια 5G πλατφόρμα που υποστηρίζει πολλαπλούς χρήστες και φιλοξενείται σε μια υποδομή κέντρου δεδομένων. Χρησιμοποιώντας τα δημιουργημένα VNF, μπορούμε να εκτελέσουμε το δίκτυο πυρήνα με το πάτημα ενός κουμπιού και να παρέχουμε πολλαπλά τμήματα δικτύου με διαφορετικά χαρακτηριστικά.The fifth generation (5G) of wireless and mobile communications is expected to have a far-reaching impact on society and businesses beyond the information and communications technology (ICT) sector. 5G is aligned with the 4th industrial evolution, blurring the lines between the physical, digital, and biological spheres. A common design is necessary to accommodate all service types based on energy and cost efficiency. To address this, this PhD thesis adopts the idea of a universal 5G platform that integrates a variety of networking technologies (wireless and wired), and aims to develop mathematical tools, algorithms and protocols for the energy and operational optimization of this infrastructure and the services it provides. This infrastructure interconnects computing, storage and network components that are placed at different locations, using the concepts of programmable hardware (hardware-HW) and network software (network softwarisation). In this way, it enables the provision of any service by flexibly and efficiently mixing and matching network, computing and storage resources. The thesis targeted four distinct contributions. All proposed contributions are implemented and investigated experimentally in a 5G open-source lab testbed. The first contribution focused on optimal function and resource allocation adopting the innovative 5G RAN architecture, that splits flexibly the baseband processing function chain between Remote, Distributed and Central Units. This enables access to shared resources provided by micro or large-scale remote data centers, without requiring resource ownership. To support this architecture, networks adopt the Software Defined Networking (SDN) approach, where the control plane is decoupled from the data plane and the associated network devices and is centralized in a software-based controller. In this context, the goal of the proposed approach was to develop effective optimization techniques that identify the optimal functional split, along with the optimal location and size of the SDN controllers. The second contribution concentrated on solving the User Plane Function (UPF) selection problem in 5G core networks. According to the SDN paradigm 5G core control plane functions manage the network, while UPFs are responsible for handling users’ data. Depending on the 5G RAN deployment option and the nature of the service, UPF nodes can be placed closer to the network edge, directing traffic to the Multi-access Edge Computing (MEC) servers hence reducing latency, or be placed deeper into the network directing traffic to central cloud facilities. In this context, a framework that selects the optimal UPF nodes to handle user’s traffic minimizing total service delay has been proposed. The third contribution pertained to service provisioning in upcoming telecommunication systems. 6G systems require novel architectural Quality of Experience (QoE) models and resource allocation strategies that can differentiate between data streams originating from the same or multiple User Equipment (UEs), respond to changes in the underlying physical infrastructure, and scale with the number of connected devices. Currently, centralized management and network orchestration (MANO) platforms provide this functionality, but they suffer scalability issues. Therefore, future systems are anticipated to operate in a distributed manner, allowing applications to directly intervene in relevant control processes to ensure the required QoE. The proposed approach focused on developing a flow assignment model that supports applications running on UEs. The final contribution of this thesis focused on the deployment of a 5G infrastructure that supports multi-tenant network slicing on demand. Sharing of the underlying physical infrastructure was achieved through the development of suitable interfaces for integrating different network components and the creation of appropriate descriptors for virtual 5G network functions (VNFs). By collecting and combining multiple VNFs, an end-to-end 5G Network Service (NS) can be obtained. Using a MANO platform, these NSs can be combined to instantiate and manage a 5G network slice

Machine Learning-based Orchestration Solutions for Future Slicing-Enabled Mobile Networks

The fifth generation mobile networks (5G) will incorporate novel technologies such as network programmability and virtualization enabled by Software-Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV) paradigms, which have recently attracted major interest from both academic and industrial stakeholders. Building on these concepts, Network Slicing raised as the main driver of a novel business model where mobile operators may open, i.e., “slice”, their infrastructure to new business players and offer independent, isolated and self-contained sets of network functions and physical/virtual resources tailored to specific services requirements. While Network Slicing has the potential to increase the revenue sources of service providers, it involves a number of technical challenges that must be carefully addressed. End-to-end (E2E) network slices encompass time and spectrum resources in the radio access network (RAN), transport resources on the fronthauling/backhauling links, and computing and storage resources at core and edge data centers. Additionally, the vertical service requirements’ heterogeneity (e.g., high throughput, low latency, high reliability) exacerbates the need for novel orchestration solutions able to manage end-to-end network slice resources across different domains, while satisfying stringent service level agreements and specific traffic requirements. An end-to-end network slicing orchestration solution shall i) admit network slice requests such that the overall system revenues are maximized, ii) provide the required resources across different network domains to fulfill the Service Level Agreements (SLAs) iii) dynamically adapt the resource allocation based on the real-time traffic load, endusers’ mobility and instantaneous wireless channel statistics. Certainly, a mobile network represents a fast-changing scenario characterized by complex spatio-temporal relationship connecting end-users’ traffic demand with social activities and economy. Legacy models that aim at providing dynamic resource allocation based on traditional traffic demand forecasting techniques fail to capture these important aspects. To close this gap, machine learning-aided solutions are quickly arising as promising technologies to sustain, in a scalable manner, the set of operations required by the network slicing context. How to implement such resource allocation schemes among slices, while trying to make the most efficient use of the networking resources composing the mobile infrastructure, are key problems underlying the network slicing paradigm, which will be addressed in this thesis

Life-cycle management and placement of service function chains in MEC-enabled 5G networks

Recent advancements in mobile communication technology have led to the fifth generation of mobile cellular networks (5G), driven by the proliferation in data traffic demand, stringent latency requirements, and the desire for a fully connected world. This transformation calls for novel technology solutions such as Multi-access Edge Computing (MEC) and Network Function Virtualization (NFV) to satisfy service requirements while providing dynamic and instant service deployment. MEC and NFV are two principal and complementary enablers for 5G networks whose co-existence can lead to numerous benefits. Despite the numerous advantages MEC offers, physical resources at the edge are extremely scarce and require efficient utilization. In this doctoral dissertation, we first attempt to optimize resource utilization at the network edge for the scenario of live video streaming. We specifically utilize the real-time Radio Access Network (RAN) information available at the MEC servers to develop a machine learning-based prediction solution and anticipate user requests. Consequently, Integer Linear Programming (ILP) models are used to prefetch/cache video contents from a centralized video server. Regarding the advantages of NFV technology for the deployment of NFs, the second problem that this dissertation address is the proper association of the users to the gNBs along with efficient placement of SFCs on the substrate network. Our primary purpose is to find a proper embedding of the SFC in a hierarchical 5G network. The problem is formulated as a Mixed Integer Linear Programming (MILP) model, having the objective to minimize service provisioning cost, link utilization, and the effect of VNF migration on users' perceived quality of experience. After rigorously analyzing the proposed SFC placement and considering mobile networks' dynamicity, our next goal is to develop an ILP-based model that minimizes the resource provisioning cost by dynamically embed and scale SFCs so that provisioning cost is minimized while user requirements are met

Edge Learning for 6G-enabled Internet of Things: A Comprehensive Survey of Vulnerabilities, Datasets, and Defenses

The ongoing deployment of the fifth generation (5G) wireless networks constantly reveals limitations concerning its original concept as a key driver of Internet of Everything (IoE) applications. These 5G challenges are behind worldwide efforts to enable future networks, such as sixth generation (6G) networks, to efficiently support sophisticated applications ranging from autonomous driving capabilities to the Metaverse. Edge learning is a new and powerful approach to training models across distributed clients while protecting the privacy of their data. This approach is expected to be embedded within future network infrastructures, including 6G, to solve challenging problems such as resource management and behavior prediction. This survey article provides a holistic review of the most recent research focused on edge learning vulnerabilities and defenses for 6G-enabled IoT. We summarize the existing surveys on machine learning for 6G IoT security and machine learning-associated threats in three different learning modes: centralized, federated, and distributed. Then, we provide an overview of enabling emerging technologies for 6G IoT intelligence. Moreover, we provide a holistic survey of existing research on attacks against machine learning and classify threat models into eight categories, including backdoor attacks, adversarial examples, combined attacks, poisoning attacks, Sybil attacks, byzantine attacks, inference attacks, and dropping attacks. In addition, we provide a comprehensive and detailed taxonomy and a side-by-side comparison of the state-of-the-art defense methods against edge learning vulnerabilities. Finally, as new attacks and defense technologies are realized, new research and future overall prospects for 6G-enabled IoT are discussed