A cloud-enabled small cell architecture in 5G networks for broadcast/multicast services

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes,creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.The evolution of 5G suggests that communication networks become sufficiently flexible to handle a wide variety of network services from various domains. The virtualization of small cells as envisaged by 5G, allows enhanced mobile edge computing capabilities, thus enabling network service deployment and management near the end user. This paper presents a cloud-enabled small cell architecture for 5G networks developed within the 5G-ESSENCE project. This paper also presents the conformity of the proposed architecture to the evolving 5G radio resource management architecture. Furthermore, it examines the inclusion of an edge enabler to support a variety of virtual network functions in 5G networks. Next, the improvement of specific key performance indicators in a public safety use case is evaluated. Finally, the performance of a 5G enabled evolved multimedia broadcast multicast services service is evaluated.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Pilvipohjaisen radioliityntäverkon kustannusten mallintaminen

The rapid growth of mobile data traffic is challenging the current way of building and operating the current radio access network. Cloud-based radio access network is researched as a solution to provide the required capacity for rapidly growing traffic demand in more economical manner. Scope of this thesis is to evaluate the costs of different existing and future radio access network architectures depending on the given network and traffic scenario. This is done by creating a cost model based on expert interviews to solve the most economical solution for the given network in terms of total cost of ownership. The results show that the cloud-based radio access network’s cost benefits are dependent on the expected traffic growth. In the low traffic growth scenario, the cost benefits of cloud-based radio access network are questionable, but in the high traffic growth scenario clear cost benefits are achieved.Mobiilidataliikenteen nopea kasvu haastaa nykyisen tavan rakentaa ja hallinnoida tämän hetkisiä radioliityntäverkkoja. Pilvipohjaista radioliityntäverkkoa tutkitaan ratkaisuksi tarjota tarvittavaa verkkokapasiteettia entistä taloudellisemmin. Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on arvioida nykyisten ja pilvipohjaisten radioliityntäverkkoarkkitehtuurien kustannuksia riippuen verkon rakenteesta ja liikenteestä. Tämä toteutetaan luomalla kustannusmalli, joka perustuu asiantuntijoiden haastatteluihin. Mallin avulla on mahdollista vertailla annetun verkon eri arkkitehtuurien kokonaiskustannuksia ja selvittää taloudellisin radioliityntäverkkoarkkitehtuuri verkolle. Mallinnuksen tulokset osoittavat, että pilvipohjaisen radioliityntäverkon taloudelliset hyödyt ovat riippuvaisia dataliikenteen kasvusta verkossa. Vähäisellä data-liikenteen kasvulla pilvipohjaisen radioliityntäverkon kustannusedut ovat kyseenalaiset, mutta suurella dataliikenteen kasvulla saadaan selviä säästöjä verrattuna nykyisiin arkkitehtuureihin

Towards 5G Software-Defined Ecosystems: Technical Challenges, Business Sustainability and Policy Issues

Techno-economic drivers are creating the conditions for a radical change of paradigm in the design and operation of future telecommunications infrastructures. In fact, SDN, NFV, Cloud and Edge-Fog Computing are converging together into a single systemic transformation termed “Softwarization” that will find concrete exploitations in 5G systems. The IEEE SDN Initiative1 has elaborated a vision, an evolutionary path and some techno-economic scenarios of this transformation: specifically, the major technical challenges, business sustainability and policy issues have been investigated. This white paper presents: 1) an overview on the main techno-economic drivers steering the “Softwarization” of telecommunications; 2) an introduction to the Open Mobile Edge Cloud vision (covered in a companion white paper); 3) the main technical challenges in terms of operations, security and policy; 4) an analysis of the potential role of open source software; 5) some use case proposals for proof-of-concepts; and 6) a short description of the main socio-economic impacts being produced by “Softwarization”. Along these directions, IEEE SDN is also developing of an open catalogue of software platforms, toolkits, and functionalities aiming at a step-by-step development and aggregation of test-beds/field-trials on SDNNFV- 5G

Mobile network architecture evolution toward 5G

As a chain is as strong as its weakest element, so are the efficiency, flexibility, and robustness of a mobile network, which relies on a range of different functional elements and mechanisms. Indeed, the mobile network architecture needs particular attention when discussing the evolution of 3GPP EPS because it is the architecture that integrates the many different future technologies into one mobile network. This article discusses 3GPP EPS mobile network evolution as a whole, analyzing specific architecture properties that are critical in future 3GPP EPS releases. In particular, this article discusses the evolution toward a "network of functions," network slicing, and software-defined mobile network control, management, and orchestration. Furthermore, the roadmap for the future evolution of 3GPP EPS and its technology components is detailed and relevant standards defining organizations are listed.This work has been performed in the framework of the H2020-ICT-2014-2 project 5G NORMA

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

Progressive introduction of network softwarization in operational telecom networks: advances at architectural, service and transport levels

Technological paradigms such as Software Defined Networking, Network Function Virtualization and Network Slicing are altogether offering new ways of providing services. This process is widely known as Network Softwarization, where traditional operational networks adopt capabilities and mechanisms inherit form the computing world, such as programmability, virtualization and multi-tenancy. This adoption brings a number of challenges, both from the technological and operational perspectives. On the other hand, they provide an unprecedented flexibility opening opportunities to developing new services and new ways of exploiting and consuming telecom networks. This Thesis first overviews the implications of the progressive introduction of network softwarization in operational networks for later on detail some advances at different levels, namely architectural, service and transport levels. It is done through specific exemplary use cases and evolution scenarios, with the goal of illustrating both new possibilities and existing gaps for the ongoing transition towards an advanced future mode of operation. This is performed from the perspective of a telecom operator, paying special attention on how to integrate all these paradigms into operational networks for assisting on their evolution targeting new, more sophisticated service demands.Programa de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Eduardo Juan Jacob Taquet.- Secretario: Francisco Valera Pintor.- Vocal: Jorge López Vizcaín