End-to-end network service orchestration in heterogeneous domains for next-generation mobile networks

5G marks the beginning of a deep revolution in the mobile network ecosystem, transitioning to a network of services to satisfy the demands of new players, the vertical industries. This revolution implies a redesign of the overall mobile network architecture where complexity, heterogeneity, dynamicity, and flexibility will be the rule. Under such context, automation and programmability are essential to support this vision and overcome current rigid network operation processes. Software Defined Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV) and Network slicing are key enabling techniques to provide such capabilities. They are complementary, but they are still in its infancy and the synergies between them must be exploited to realise the mentioned vision. The aim of this thesis is to further contribute to its development and integration in next generation mobile networks by designing an end-to-end (E2E) network service orchestration (NSO) architecture, which aligned with some guidelines and specifications provided by main standardization bodies, goes beyond current management and orchestration (MANO) platforms to fulfil network service lifetime requirements in heterogeneous multi-technology/administrative network infrastructures shared by concurrent instances of diverse network services. Following a bottom-up approach, we start studying some SDN aspects related to the management of wireless network elements and its integration into hierarchical control architectures orchestrating networking resources in a multi-technology (wireless, optical, packet) infrastructure. Then, this work is integrated in an infrastructure manager module executing the joint resource abstraction and allocation of network and compute resources in distributed points of presence (PoPs) connected by a transport network, aspect which is not (or lightly) handled by current MANO platforms. This is the module where the integration between NFV and SDN techniques is executed. This integration is commanded by a Service Orchestrator module, in charge of automating the E2E lifecycle management of network services implementing network slices (NS) based on the vertical requirements, the available infrastructure resources, and, while fulfilling service level agreement (SLA) also during run-time operation. This architecture, focused on single administrative domain (AD) scenarios, constitutes the first group of contributions of this thesis. The second group of contributions evolves this initial architecture to deal with the orchestration and sharing of NS and its network slice subnet instances (NSSIs) involving multiple ADs. The main differential aspect with current state-of-the-art solutions is the consideration of resource orchestration aspects during the whole orchestration process. This is fundamental to achieve the interconnection of NSSIs, hence making the E2E multi-domain orchestration and network slicing a reality in practice. Additionally, this work also considers SLA management aspects by means of scaling actions during run-time operation in such complex scenarios. The third group of contributions demonstrate the validity and applicability of the resulting architectures, workflows, and interfaces by implementing and evaluating them in real experimental infrastructures featuring multiple ADs and transport technologies interconnecting distributed computing PoPs. The performed experimentation considers network service definitions close to real vertical use cases, namely automotive and eHealth, which help bridging the gap between network providers and vertical industries stakeholders. Experimental results show that network service creation and scaling times in the order of minutes can be achieved for single and multi-AD scenarios, in line with 5G network targets. Moreover, these measurements serve as a reference for benchmarking the different operations involved during the network service deployment. Such analysis are limited in current literature.5G marca el inicio de una gran revolución en las redes móviles, convirtiéndose en redes orientadas a servicios para satisfacer las demandas de nuevos actores, las industrias verticales. Esta revolución supone un rediseño total de la arquitectura de red donde la complejidad, heterogeneidad, dinamicidad y flexibilidad serán la norma. En este contexto, la automatización y programabilidad serán esenciales para superar los rígidos procesos actuales de operación de red. Las redes definidas por software (SDN), la virtualización de funciones de red (NFV) y el particionamiento de redes son técnicas clave para proporcionar dichas capacidades. Éstas son complementarias, pero aún recientes y sus sinergias se deben explotar para realizar la nueva visión. El objetivo de esta tesis es contribuir a su desarrollo e integración en la nuevas generaciones de redes móviles mediante el diseño de una arquitectura de orquestación de servicios de red (NSO) extremo a extremo (E2E), que alineada con algunas pautas y especificaciones de los principales organismos de estandarización, va más allá de los actuales sistemas de gestión y orquestación (MANO) para instanciar y garantizar los requisitos de los diversos servicios de red desplegados concurrentemente en infraestructuras heterogéneas compartidas que combinan múltiples tecnologías y dominios administrativos (AD). Siguiendo un enfoque ascendente, comenzamos a estudiar aspectos de SDN relacionados con la gestión de elementos de red inalámbricos y su integración en arquitecturas jerárquicas de orquestación de recursos de red en infraestructuras multi tecnología (inalámbrica, óptica, paquetes). Luego, este trabajo se integra en un módulo de administración de infraestructura que ejecuta de forma conjunta la abstracción y la asignación de recursos de red y computación en múltiples puntos de presencia (PoP) distribuidos conectados por una red de transporte, aspecto que no está (o ligeramente) considerado por los actuales sistemas MANO. Este módulo ejecuta la integración de las técnicas NFV y SDN. Esta integración está dirigida por el módulo Orquestador de Servicios, que automatiza la gestión E2E del ciclo de vida de los servicios de red implementando las diferentes particiones de red en base a los requisitos de los verticales, los recursos de infraestructura disponibles y mientras cumple los acuerdos de nivel de servicio (SLA) durante la operación del servicio. Esta arquitectura, centrada en escenarios con un único AD, forma el primer grupo de contribuciones de esta tesis. El segundo grupo de contribuciones evoluciona esta arquitectura abordando la orquestación y compartición de particiones de red y sus componentes (NSSIs) en escenarios con múltiples AD. La consideración detallada de aspectos de orquestación de recursos es el principal aspecto diferencial con la literatura. Esto es fundamental para la interconexión de NSSIs, haciendo realidad la orquestación E2E y el particionamiento de red en escenarios con múltiples AD. Además, se considera la gestión de SLA mediante acciones de escalado durante la operación del servicio en los escenarios mencionados. El tercer grupo de contribuciones valida las arquitecturas, procedimientos e interfaces resultantes pues se han implementado y evaluado sobre infraestructuras experimentales reales que presentan múltiples AD y tecnologías de transporte interconectando PoP distribuidos. Esta experimentación considera definiciones de servicios de red cercanos a casos de uso de verticales reales, como automoción y eHealth, ayudando a cubrir la brecha entre los proveedores de red y los verticales. Los resultados experimentales muestran que la creación y el escalado de servicios de red se pueden realizar en pocos minutos en escenarios con un único o múltiples ADs, en línea con los indicadores de red objetivos de 5G. Estas medidas, escasas en la literatura actual, sirven como referencia para caracterizar las diferentes operaciones involucradas durante el despliegue de servicios.Postprint (published version

Efficient sharing mechanisms for virtualized multi-tenant heterogeneous networks

The explosion in data traffic, the physical resource constraints, and the insufficient financial incentives for deploying 5G networks, stress the need for a paradigm shift in network upgrades. Typically, operators are also the service providers, which charge the end users with low and flat tariffs, independently of the service enjoyed. A fine-scale management of the network resources is needed, both for optimizing costs and resource utilization, as well as for enabling new synergies among network owners and third-parties. In particular, operators could open their networks to third parties by means of fine-scale sharing agreements over customized networks for enhanced service provision, in exchange for an adequate return of investment for upgrading their infrastructures. The main objective of this thesis is to study the potential of fine-scale resource management and sharing mechanisms for enhancing service provision and for contributing to a sustainable road to 5G. More precisely, the state-of-the-art architectures and technologies for network programmability and scalability are studied, together with a novel paradigm for supporting service diversity and fine-scale sharing. We review the limits of conventional networks, we extend existing standardization efforts and define an enhanced architecture for enabling 5G networks' features (e.g., network-wide centralization and programmability). The potential of the proposed architecture is assessed in terms of flexible sharing and enhanced service provision, while the advantages of alternative business models are studied in terms of additional profits to the operators. We first study the data rate improvement achievable by means of spectrum and infrastructure sharing among operators and evaluate the profit increase justified by a better service provided. We present a scheme based on coalitional game theory for assessing the capability of accommodating more service requests when a cooperative approach is adopted, and for studying the conditions for beneficial sharing among coalitions of operators. Results show that: i) collaboration can be beneficial also in case of unbalanced cost redistribution within coalitions; ii) coalitions of equal-sized operators provide better profit opportunities and require lower tariffs. The second kind of sharing interaction that we consider is the one between operators and third-party service providers, in the form of fine-scale provision of customized portions of the network resources. We define a policy-based admission control mechanism, whose performance is compared with reference strategies. The proposed mechanism is based on auction theory and computes the optimal admission policy at a reduced complexity for different traffic loads and allocation frequencies. Because next-generation services include delay-critical services, we compare the admission control performances of conventional approaches with the proposed one, which proves to offer near real-time service provision and reduced complexity. Besides, it guarantees high revenues and low expenditures in exchange for negligible losses in terms of fairness towards service providers. To conclude, we study the case where adaptable timescales are adopted for the policy-based admission control, in order to promptly guarantee service requirements over traffic fluctuations. In order to reduce complexity, we consider the offline pre­computation of admission strategies with respect to reference network conditions, then we study the extension to unexplored conditions by means of computationally efficient methodologies. Performance is compared for different admission strategies by means of a proof of concept on real network traces. Results show that the proposed strategy provides a tradeoff in complexity and performance with respect to reference strategies, while reducing resource utilization and requirements on network awareness.La explosion del trafico de datos, los recursos limitados y la falta de incentivos para el desarrollo de 5G evidencian la necesidad de un cambio de paradigma en la gestion de las redes actuales. Los operadores de red suelen ser tambien proveedores de servicios, cobrando tarifas bajas y planas, independientemente del servicio ofrecido. Se necesita una gestion de recursos precisa para optimizar su utilizacion, y para permitir nuevas sinergias entre operadores y proveedores de servicios. Concretamente, los operadores podrian abrir sus redes a terceros compartiendolas de forma flexible y personalizada para mejorar la calidad de servicio a cambio de aumentar sus ganancias como incentivo para mejorar sus infraestructuras. El objetivo principal de esta tesis es estudiar el potencial de los mecanismos de gestion y comparticion de recursos a pequei\a escala para trazar un camino sostenible hacia el 5G. En concreto, se estudian las arquitecturas y tecnolog fas mas avanzadas de "programabilidad" y escalabilidad de las redes, junto a un nuevo paradigma para la diversificacion de servicios y la comparticion de recursos. Revisamos los limites de las redes convencionales, ampliamos los esfuerzos de estandarizacion existentes y definimos una arquitectura para habilitar la centralizacion y la programabilidad en toda la red. La arquitectura propuesta se evalua en terminos de flexibilidad en la comparticion de recursos, y de mejora en la prestacion de servicios, mientras que las ventajas de un modelo de negocio alternativo se estudian en terminos de ganancia para los operadores. En primer lugar, estudiamos el aumento en la tasa de datos gracias a un uso compartido del espectro y de las infraestructuras, y evaluamos la mejora en las ganancias de los operadores. Presentamos un esquema de admision basado en la teoria de juegos para acomodar mas solicitudes de servicio cuando se adopta un enfoque cooperativo, y para estudiar las condiciones para que la reparticion de recursos sea conveniente entre coaliciones de operadores. Los resultados ensei\an que: i) la colaboracion puede ser favorable tambien en caso de una redistribucion desigual de los costes en cada coalicion; ii) las coaliciones de operadores de igual tamai\o ofrecen mejores ganancias y requieren tarifas mas bajas. El segundo tipo de comparticion que consideramos se da entre operadores de red y proveedores de servicios, en forma de provision de recursos personalizada ya pequei\a escala. Definimos un mecanismo de control de trafico basado en polfticas de admision, cuyo rendimiento se compara con estrategias de referencia. El mecanismo propuesto se basa en la teoria de subastas y calcula la politica de admision optima con una complejidad reducida para diferentes cargas de trafico y tasa de asignacion. Con particular atencion a servicios 5G de baja latencia, comparamos las prestaciones de estrategias convencionales para el control de admision con las del metodo propuesto, que proporciona: i) un suministro de servicios casi en tiempo real; ii) una complejidad reducida; iii) unos ingresos elevados; y iv) unos gastos reducidos, a cambio de unas perdidas insignificantes en terminos de imparcialidad hacia los proveedores de servicios. Para concluir, estudiamos el caso en el que se adoptan escalas de tiempo adaptables para el control de admision, con el fin de garantizar puntualmente los requisitos de servicio bajo diferentes condiciones de trafico. Para reducir la complejidad, consideramos el calculo previo de las estrategias de admision con respecto a condiciones de red de referenda, adaptables a condiciones inexploradas por medio de metodologias computacionalmente eficientes. Se compara el rendimiento de diferentes estrategias de admision sobre trazas de trafico real. Los resultados muestran que la estrategia propuesta equilibra complejidad y ganancias, mientras se reduce la utilizacion de recursos y la necesidad de conocer el estado exacto de la red.Postprint (published version

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

Dimensioning V2N services in 5G networks through forecast-based scaling

With the increasing adoption of intelligent transportation systems and the upcoming era of autonomous vehicles, vehicular services (such as remote driving, cooperative awareness, and hazard warning) will have to operate in an ever-changing and dynamic environment. Anticipating the dynamics of traffic flows on the roads is critical for these services and, therefore, it is of paramount importance to forecast how they will evolve over time. By predicting future events (such as traffic jams) and demands, vehicular services can take proactive actions to minimize Service Level Agreement (SLA) violations and reduce the risk of accidents. In this paper, we compare several techniques, including both traditional time-series and recent Machine Learning (ML)-based approaches, to forecast the traffic flow at different road segments in the city of Torino (Italy). Using the the most accurate forecasting technique, we propose n-max algorithm as a forecast-based scaling algorithm for vertical scaling of edge resources, comparing its benefits against state-of-the-art solutions for three distinct Vehicle-to-Network (V2N) services. Results show that the proposed scaling algorithm outperforms the state-of-the-art, reducing Service Level Objective (SLO) violations for remote driving and hazard warning services.Work partially funded by the EU H2020 5GROWTH Project (grant no. 856709) and H2020 collaborative Europe/Taiwan research project 5G-DIVE (grant no. 859881)

ML-driven provisioning and management of vertical services in automated cellular networks

One of the main tasks of new-generation cellular networks is the support of the wide range of virtual services that may be requested by vertical industries, while fulfilling their diverse performance requirements. Such task is made even more challenging by the time-varying service and traffic demands, and the need for a fully-automated network orchestration and management to reduce the service operational costs incurred by the network provider. In this paper, we address these issues by proposing a softwarized 5G network architecture that realizes the concept of ML-as-a-Service (MLaaS) in a flexible and efficient manner. The designed MLaaS platform can provide the different entities of a MANO architecture with already-trained ML models, ready to be used for decision making. In particular, we show how our MLaaS platform enables the development of two ML-driven algorithms for, respectively, network slice subnet sharing and run-time service scaling. The proposed approach and solutions are implemented and validated through an experimental testbed in the case of three different services in the automotive domain, while their performance is assessed through simulation in a large-scale, real-world scenario. In-testbed validation shows that the use of the MLaaS platform within the designed architecture and the ML-driven decision-making processes entail a very limited time overhead, while simulation results highlight remarkable savings in operational costs, e.g., up to 40% reduction in CPU consumption and up to 30% reduction in the OPEX.This work was supported by the EU Commission through the 5GROWTH project (Grant Agreement No. 856709), Spanish MINECO 5G-REFINE project (TEC2017-88373-R), and Generalitat de Catalunya 2017 SGR 1195.Publicad

Automated service provisioning and hierarchical SLA management in 5G systems

Empowered by network softwarization, 5G systems have become the key enabler to foster the digital transformation of the vertical industries by expanding the scope of traditional mobile networks and enriching the network service offerings. To make this a reality, we propose an automation solution for vertical services provisioning and hierarchical Service Level Agreement (SLA) management. Service scaling is one of the most essential operations to adapt the service deployments and resource allocations to ensure SLA fulfilment. Three different scaling levels are addressed in this work: application-, service- and resource-level. We have implemented our solution in a proof-of-concept of a virtualized mobile network platform, spanning over three geographically-distributed sites. To evaluate our solution, we leverage field tests, focusing on automotive vertical services comprising a mission-critical application (collision-avoidance) and an entertainment one (video streaming). The results demonstrate the excellent performance of our solution, and its ability to automatically deploy vertical services and ensure their SLAs through different levels of service scaling.This work has been partially supported by European Commission H2020 5GPPP through the 5G-TRANSFORMER and 5GROWTH projects (Grants No. 761536 and 856709)

Distributed collaborative knowledge management for optical network

Network automation has been long time envisioned. In fact, the Telecommunications Management Network (TMN), defined by the International Telecommunication Union (ITU), is a hierarchy of management layers (network element, network, service, and business management), where high-level operational goals propagate from upper to lower layers. The network management architecture has evolved with the development of the Software Defined Networking (SDN) concept that brings programmability to simplify configuration (it breaks down high-level service abstraction into lower-level device abstractions), orchestrates operation, and automatically reacts to changes or events. Besides, the development and deployment of solutions based on Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) for making decisions (control loop) based on the collected monitoring data enables network automation, which targets at reducing operational costs. AI/ML approaches usually require large datasets for training purposes, which are difficult to obtain. The lack of data can be compensated with a collective self-learning approach. In this thesis, we go beyond the aforementioned traditional control loop to achieve an efficient knowledge management (KM) process that enhances network intelligence while bringing down complexity. In this PhD thesis, we propose a general architecture to support KM process based on four main pillars, which enable creating, sharing, assimilating and using knowledge. Next, two alternative strategies based on model inaccuracies and combining model are proposed. To highlight the capacity of KM to adapt to different applications, two use cases are considered to implement KM in a purely centralized and distributed optical network architecture. Along with them, various policies are considered for evaluating KM in data- and model- based strategies. The results target to minimize the amount of data that need to be shared and reduce the convergence error. We apply KM to multilayer networks and propose the PILOT methodology for modeling connectivity services in a sandbox domain. PILOT uses active probes deployed in Central Offices (COs) to obtain real measurements that are used to tune a simulation scenario reproducing the real deployment with high accuracy. A simulator is eventually used to generate large amounts of realistic synthetic data for ML training and validation. We apply KM process also to a more complex network system that consists of several domains, where intra-domain controllers assist a broker plane in estimating accurate inter-domain delay. In addition, the broker identifies and corrects intra-domain model inaccuracies, as well as it computes an accurate compound model. Such models can be used for quality of service (QoS) and accurate end-to-end delay estimations. Finally, we investigate the application on KM in the context of Intent-based Networking (IBN). Knowledge in terms of traffic model and/or traffic perturbation is transferred among agents in a hierarchical architecture. This architecture can support autonomous network operation, like capacity management.La automatización de la red se ha concebido desde hace mucho tiempo. De hecho, la red de gestión de telecomunicaciones (TMN), definida por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU), es una jerarquía de capas de gestión (elemento de red, red, servicio y gestión de negocio), donde los objetivos operativos de alto nivel se propagan desde las capas superiores a las inferiores. La arquitectura de gestión de red ha evolucionado con el desarrollo del concepto de redes definidas por software (SDN) que brinda capacidad de programación para simplificar la configuración (descompone la abstracción de servicios de alto nivel en abstracciones de dispositivos de nivel inferior), organiza la operación y reacciona automáticamente a los cambios o eventos. Además, el desarrollo y despliegue de soluciones basadas en inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML) para la toma de decisiones (bucle de control) en base a los datos de monitorización recopilados permite la automatización de la red, que tiene como objetivo reducir costes operativos. AI/ML generalmente requieren un gran conjunto de datos para entrenamiento, los cuales son difíciles de obtener. La falta de datos se puede compensar con un enfoque de autoaprendizaje colectivo. En esta tesis, vamos más allá del bucle de control tradicional antes mencionado para lograr un proceso eficiente de gestión del conocimiento (KM) que mejora la inteligencia de la red al tiempo que reduce la complejidad. En esta tesis doctoral, proponemos una arquitectura general para apoyar el proceso de KM basada en cuatro pilares principales que permiten crear, compartir, asimilar y utilizar el conocimiento. A continuación, se proponen dos estrategias alternativas basadas en inexactitudes del modelo y modelo de combinación. Para resaltar la capacidad de KM para adaptarse a diferentes aplicaciones, se consideran dos casos de uso para implementar KM en una arquitectura de red óptica puramente centralizada y distribuida. Junto a ellos, se consideran diversas políticas para evaluar KM en estrategias basadas en datos y modelos. Los resultados apuntan a minimizar la cantidad de datos que deben compartirse y reducir el error de convergencia. Aplicamos KM a redes multicapa y proponemos la metodología PILOT para modelar servicios de conectividad en un entorno aislado. PILOT utiliza sondas activas desplegadas en centrales de telecomunicación (CO) para obtener medidas reales que se utilizan para ajustar un escenario de simulación que reproducen un despliegue real con alta precisión. Un simulador se utiliza finalmente para generar grandes cantidades de datos sintéticos realistas para el entrenamiento y la validación de ML. Aplicamos el proceso de KM también a un sistema de red más complejo que consta de varios dominios, donde los controladores intra-dominio ayudan a un plano de bróker a estimar el retardo entre dominios de forma precisa. Además, el bróker identifica y corrige las inexactitudes de los modelos intra-dominio, así como también calcula un modelo compuesto preciso. Estos modelos se pueden utilizar para estimar la calidad de servicio (QoS) y el retardo extremo a extremo de forma precisa. Finalmente, investigamos la aplicación en KM en el contexto de red basada en intención (IBN). El conocimiento en términos de modelo de tráfico y/o perturbación del tráfico se transfiere entre agentes en una arquitectura jerárquica. Esta arquitectura puede soportar el funcionamiento autónomo de la red, como la gestión de la capacidad.Postprint (published version

Developments of 5G Technology

This technology is the future of current LTE technology which would be a boost to the future of wireless and computer networks, as the speeds would be way higher than the current LTE networks, which will push the technology to a new level. This technology will make the radio channels to support data access speeds up to 10 Gb/s which will turn the bandwidth radio channels as WiFi. Comparing it with other LTE technology\u27s it has high speed and capacity, support interactive multimedia, voice, internet and its data rate is 1 Gbps which makes it faster than other LTE’s . This is much more effective than other technology’s due to its advanced billing interfaces. This paper provides detail explanation of 5G technology, its architecture, challenges, advantages and disadvantages, issues and ends with future of 5G technology