Random Linear Network Coding for 5G Mobile Video Delivery

An exponential increase in mobile video delivery will continue with the demand for higher resolution, multi-view and large-scale multicast video services. Novel fifth generation (5G) 3GPP New Radio (NR) standard will bring a number of new opportunities for optimizing video delivery across both 5G core and radio access networks. One of the promising approaches for video quality adaptation, throughput enhancement and erasure protection is the use of packet-level random linear network coding (RLNC). In this review paper, we discuss the integration of RLNC into the 5G NR standard, building upon the ideas and opportunities identified in 4G LTE. We explicitly identify and discuss in detail novel 5G NR features that provide support for RLNC-based video delivery in 5G, thus pointing out to the promising avenues for future research.Comment: Invited paper for Special Issue "Network and Rateless Coding for Video Streaming" - MDPI Informatio

Point-to-Multipoint Services on Fifth-Generation Mobile Networks

[ES] Esta disertación cubre el estado del arte en LTE eMBMS Release 14, también conocido como Enhanced Television Services (ENTV). ENTV trajo un conjunto de mejoras, tanto a nivel radio como a nivel de núcleo, que transformó a eMBMS en un estándar de televisión terrestre completo. La última versión de esta tecnología se denomina LTE-based 5G Broadcast; pero no usa New Radio ni el núcleo 5G. Para proveer una solución nativa 5G de servicios punto-a-multipunto, hubo investigación en entornos acad\'emicos y colaboraciones público-privada. La iniciativa más notable en este aspecto fue el proyecto del Horizon 2020 5G-Xcast, que transcurrió de 2017 a 2019. 5G-Xcast produjo varias soluciones a nivel de arquitectura, desde la perspectiva de provisión de contenidos, nuevas funciones de red interoperables con el núcleo 5G, hasta modificaciones a la interfaz aire basada en New Radio. Los hallazgos del proyecto están descritos en esta tesis. La tesis incluye dos ejemplos de eMBMS aplicados a verticales diferentes, una para el uso de eMBMS en entornos industriales, y otra presentando eMBMS como un sistema SAP. Incluir servicios punto-a-multipunto como un modo adicional celular trae algunos desafíos, como ya mostró la estandarización de eMBMS: las redes de radiodifusión terrestre y las redes celulares son muy distintas entre ellas. Encontrar una forma de onda viable para ambas infraestructuras es complejo. Esta tesis ofrece un punto de vista distinto al problema: un escenario de colaboración entre cadenas televisivas y operadores móviles, donde la infraestructura de radiodifusión y móvil son compartidas. Este concepto se ha definido como Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Las tecnologías elegidas para converger son ATSC 3.0 y 5G, usando el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS está compuesto de una serie de procedimientos, interfaces, funciones de red, para permitir el uso compartido de un acceso 3GPP con uno non-3GPP, como Wi-Fi. Sin embargo, el uso de ATSSS para juntar radiodifusión y celular no es trivial, ya que ATSSS no fue dise\~{n}ado para enlaces radio unidireccionales como ATSC 3.0. Estas limitaciones son descritas en detalle, y una propuesta para solventarlas tambi\'en está incluida. La solución se basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), y se usa como ejemplo para la provisión de Convergent Services (File Repair y Video Offloading). La tesis concluye con una descripción de Release 17 5MBS, con los nuevos conceptos introducidos. 5MBS es capaz de cambiar entre unicast, multicast y broadcast; dependiendo del servicio, la ubicación geográfica de los usuarios, y las capacidades de la infraestructura móvil involucradas. Para evaluar 5MBS, se ha realizado un estudio de prestaciones, basado en comunicaciones multicast dentro del núcleo de red 5G. Este prototipo 5MBS forma parte del laboratorio VLC Campus 5G, y utiliza el software comercial Open5GCore como base del desarrollo. El modelo de sistema para la experimentación esta formado por un servidor de vídeo, que se conecta al Open5GCore y a las funciones de red mejoradas con funcionalidades 5MBS. Estas funciones de red envían el contenido mediante punto-a-multipunto a un entorno radio y terminales simulados. Los resultados obtenidos resaltan el objetivo principal de la tesis: las comunicaciones punto-a-multipunto son una solución escalable para el envío de contenido multimedia en directo.[CA] Aquesta dissertació cobreix capdavanter en LTE eMBMS Release 14, també conegut com Enhanced Television Services (ENTV). ENTV va portar un conjunt de millores, tant a nivell de ràdio com a nivell de nucli, que va transformar el eMBMS en un estàndard de televisió terrestre complet. La última versió d'aquesta tecnologia es denomina LTE-based 5G Broadcast; però no fa servir New Ràdio ni el nucli 5G. Per a proveir una solució nativa 5G de serveis punt-a-multipunt, va haver-hi investigació en entorns acadèmics i col·laboracions pública i privada. La iniciativa més notable en aquest aspecte va ser el projecte del Horizon 2020 5G-Xcast, que va transcórrer del 2017 a 2019. 5G-Xcast va produir diverses solucions a nivell d'arquitectura, des de la perspectiva de provisió de continguts, noves funcions de xarxa interoperables amb el nucli 5G, fins a modificacions a la interfície aire basada en New Radio. Les troballes del projecte estan descrits en aquesta tesi. La tesi inclou dos exemples de eMBMS aplicats a verticals diferents, una per a l'ús de eMBMS en entorns industrials, i una altra presentant eMBMS com un sistema SAP. Incloure serveis punt-a-multipunt com una manera addicional cel·lular duu alguns desafiaments, com ja va mostrar l'estandardització de eMBMS: les xarxes de radiodifusió terrestre i les xarxes cel·lulars són molt diferents entre elles. Trobar una forma d'ona viable per a totes dues infraestructures és complex. Aquesta tesi ofereix un punt de vista diferent al problema: un escenari de col·laboració entre cadenes televisives i operadors mòbils, on la infraestructura de radiodifusió i mòbil són compartides. Aquest concepte s'ha definit com Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Les tecnologies triades per a convergir són ATSC 3.0 i 5G, usant el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS està compost d'una sèrie de procediments, interfícies, funcions de xarxa, per a permetre l'ús compartit d'un accés 3GPP amb un non-3GPP, com a Wi-Fi. No obstant això, l'ús de ATSSS per a adjuntar radiodifusió i cel·lular no és trivial, ja que ATSSS no va ser dissenyada per a per a enllaços ràdio unidireccionals com ATSC 3.0. Aquestes limitacions són descrites detalladament, i una proposta per a solucionar-les també està inclosa. La solució es basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), i s'usa com a exemple per a la provisió de Convergent Services (File Repair i Vídeo Offloading). La tesi conclou amb una descripció de Release 17 5MBS, amb els nous conceptes introduïts. 5MBS és capaç de canviar entre unicast, multicast i broadcast; depenent del servei, la ubicació geogràfica dels usuaris, i les capacitats de la infraestructura mòbil involucrades. Per a avaluar 5MBS, s'ha realitzat un estudi de prestacions, basat en comunicacions multicast dins del nucli de xarxa 5G. Aquest prototip 5MBS forma part del laboratori VLC Campus 5G, i utilitza el programari comercial Open5GCore com a base del desenvolupament. El model de sistema per a l'experimentació està format per un servidor de vídeo, que es connecta al Open5GCore i a les funcions de xarxa millorades amb funcionalitats 5MBS. Aquestes funcions de xarxa envien el contingut mitjançant punt-a-multipunt a un entorn ràdio i terminals simulats. Els resultats obtinguts ressalten l'objectiu principal de la tesi: les comunicacions punt-a-multipunt són una solució escalable per a l'enviament de contingut multimèdia en directe.[EN] This dissertation covers the state-of-the-art in LTE eMBMS Release 14, also known as Enhanced Television Services (ENTV). ENTV provided a suite of radio and core enhancements that made eMBMS into a viable terrestrial broadcast standard. The latest iteration of this technology is known as LTE-based 5G Broadcast; even though it is not New Radio or 5G Core based. To bridge this gap, research efforts by academia, public and private enterprises evaluated how to provide a 5G-based solution for point-to-multipoint services. The most notable effort in this regard is the Horizon 2020 project 5G-Xcast, which ran from 2017 to 2019. 5G-Xcast provided several architectural solutions, from the content delivery perspective down to air interface specifics; providing new waveforms based on New Radio and Network Functions interoperable with a Release 15 5G Core. The findings are summarized in this thesis. Two examples of eMBMS applied to different verticals are included in the thesis, one for the use of eMBMS in industrial environments, and the other using eMBMS as a PWS technology. Providing point-to-multipoint services as another cellular service poses some problems, as the standardization process of eMBMS showed: the broadcast infrastructure is different than the cellular one. Having a waveform that is suited for both scenarios is a difficult endeavour. The thesis provides a new perspective into this problem: Having existing Terrestrial Broadcast standards and infrastructure be the point-to-multipoint solution of 5G, where mobile operators and broadcasters collaborate together. This is defined in the dissertation as Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. The technologies chosen to be converged together were ATSC 3.0 and 5G; using the existing Release 16 framework known as Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS is a series of procedures, interfaces, new Network Functions, to allow the joint use of a 3GPP Access Network alongside a non-3GPP one, like Wi-Fi. However, the use of ATSSS for cellular plus broadcast brings challenges, as the ATSSS technology was not designed to be used with a unidirectional access network like ATSC 3.0. These limitations are described in detail, and an architectural proposal that overcomes the limitations is proposed. This solution is based on Quick UDP Internet Connections (QUIC), and how to provide Convergent Services (i.e File Repair and Video Offloading) is shown. The thesis concludes with a description of Release 17 5MBS, including the new concepts introduced. 5MBS features the capacity of switching between unicast, multicast and broadcast; depending on the service addressed, the geographical location of the users, and the capability of the RAN infrastructure targeted. In order to evaluate 5MBS, a performance study of the use of multicast inside the 5G Core has been carried out. The 5MBS prototype was developed as part of the VLC Campus 5G laboratory, using the commercial software Open5GCore which provides the libraries and Network Functions to deploy your own 5G Private Network in testing environments. The system model of the experiment is formed by a video server, connected to the Open5GCore and the 5MBS enhanced functions; which will deliver the content to an emulated RAN environment hosting virtual gNBs and devices. The results obtained reinforce the objective of the thesis, positioning point-to-multipoint as a scalable way to deliver live content.Research projects: 5G-Xcast: Broadcast and Multicast Communication Enablers for the Fifth-Generation of Wireless Systems (H2020 No 761498); 5G-TOURS: SmarT mObility, media and e-health for toURists and citizenS (H2020 No 856950); FUDGE-5G: FUlly DisinteGrated private nEtworks for 5G verticals (H2020 No 957242).Barjau Estevan, CS. (2022). Point-to-Multipoint Services on Fifth-Generation Mobile Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19140

Network virtualization in next generation cellular networks

The complexity of operation and management of emerging cellular networks significantly increases, as they evolve to correspond to increasing QoS needs, data rates and diversity of offered services. Thus critical challenges appear regarding their performance. At the same time, network sustainability pushes toward the utilization of haring Radio Access Network (RAN) infrastructure between Mobile Network Operators (MNOs). This requires advanced network management techniques which have to be developed based on characteristics of these networks and traffic demands. Therefore it is necessary to provide solutions enabling the creation of logically isolated network partitions over shared physical network infrastructure. Multiple heterogeneous virtual networks should simultaneously coexist and support resource aggregation so as to appear as a single resource to serve different traffic types on demand. Hence in this thesis, we study RAN virtualization and slicing solutions destined to tackle these challenges. In the first part, we present our approach to map virtual network elements onto radio resources of the substrate physical network, in a dense multi-tier LTE-A scenario owned by a MNO. We propose a virtualization solution at BS level, where baseband modules of distributed BSs, interconnected via logical point-to-point X2 interface, cooperate to reallocate radio resources on a traffic need basis. Our proposal enhances system performance by achieving 53% throughput gain compared with benchmark schemes without substantial signaling overhead. In the second part of the thesis, we concentrate on facilitating resource provisioning between multiple Virtual MNOs (MVNOs), by integrating the capacity broker in the 3GPP network management architecture with minimum set of enhancements. A MNO owns the network and provides RAN access on demand to several MVNOs. Furthermore we propose an algorithm for on-demand resource allocation considering two types of traffic. Our proposal achieves 50% more admitted requests without Service Level Agreement (SLA) violation compared with benchmark schemes. In the third part, we devise and study a solution for BS agnostic network slicing leveraging BS virtualization in a multi-tenant scenario. This scenario is composed of different traffic types (e.g., tight latency requirements and high data rate demands) along with BSs characterized by different access and transport capabilities (i.e., Remote Radio Heads, RRHs, Small Cells, SCs and future 5G NodeBs, gNBs with various functional splits having ideal and non-ideal transport network). Our solution achieves 67% average spectrum usage gain and 16.6% Baseband Unit processing load reduction compared with baseline scenarios. Finally, we conclude the thesis by providing insightful research challenges for future works.La complejidad de la operación y la gestión de las emergentes redes celulares aumenta a medida que evolucionan para hacer frente a las crecientes necesidades de calidad de servicio (QoS), las tasas de datos y la diversidad de los servicios ofrecidos. De esta forma aparecen desafíos críticos con respecto a su rendimiento. Al mismo tiempo, la sostenibilidad de la red empuja hacia la utilización de la infraestructura de red de acceso radio (RAN) compartida entre operadores de redes móviles (MNO). Esto requiere técnicas avanzadas de gestión de redes que deben desarrollarse en función de las características especiales de estas redes y las demandas de tráfico. Por lo tanto, es necesario proporcionar soluciones que permitan la creación de particiones de red aisladas lógicamente sobre la infraestructura de red física compartida. Para ello, en esta tesis, estudiamos las soluciones de virtualización de la RAN destinadas a abordar estos desafíos. En la primera parte de la tesis, nos centramos en mapear elementos de red virtual en recursos de radio de la red física, en un escenario LTE-A de múltiples niveles que es propiedad de un solo MNO. Proponemos una solución de virtualización a nivel de estación base (BS), donde los módulos de banda base de BSs distribuidas, interconectadas a través de la interfaz lógica X2, cooperan para reasignar los recursos radio en función de las necesidades de tráfico. Nuestra propuesta mejora el rendimiento del sistema al obtener un rendimiento 53% en comparación con esquemas de referencia. En la segunda parte de la tesis, nos concentramos en facilitar el aprovisionamiento de recursos entre muchos operadores de redes virtuales móviles (MVNO), al integrar el capacity broker en la arquitectura de administración de red 3GPP con un conjunto míinimo de mejoras. En este escenario, un MNO es el propietario de la red y proporciona acceso bajo demanda (en inglés on-demand) a varios MVNOs. Además, para aprovechar al máximo las capacidades del capacity broker, proponemos un algoritmo para la asignación de recursos bajo demanda, considerando dos tipos de tráfico con distintas características. Nuestra propuesta alcanza 50% más de solicitudes admitidas sin violación del Acuerdo de Nivel de Servicio (SLA) en comparación con otros esquemas. En la tercera parte de la tesis, estudiamos una solución para el slicing de red independiente del tipo de BS, considerando la virtualización de BS en un escenario de múltiples MVNOs (multi-tenants). Este escenario se compone de diferentes tipos de tráfico (por ejemplo, usuarios con requisitos de latencia estrictos y usuarios con altas demandas de velocidad de datos) junto con BSs caracterizadas por diferentes capacidades de acceso y transporte (por ejemplo, Remote Radio Heads, RRHs, Small cells, SC y 5G NodeBs, gNBs con varias divisiones funcionales que tienen una red de transporte ideal y no ideal). Nuestra solución logra una ganancia promedio de uso de espectro de 67% y una reducción de la carga de procesamiento de la banda base de 16.6% en comparación con escenarios de referencia. Finalmente, concluimos la tesis al proporcionando los desafíos y retos de investigación para trabajos futuros.Postprint (published version

OpenEPC Integration within 5GTN as an NFV proof of concept

Abstract. Gone are the days, when a hardware is changed on every malfunctioning and the whole operation either stays down or load on the replacing hardware becomes too much which ultimately compromises the QoS. The IT industry is mature enough to tackle problems regarding scalability, space utilization, energy consumption, cost, agility and low availability. The expected throughput and network latency with 5G in the cellular Telecommunication Networks seems to be unachievable with the existing architecture and resources. Network Function Virtualization promises to merge IT and Telecommunications in such an efficient way that the expected results could be achieved no longer but sooner. The thesis work examines the compatibility and flexibility of a 3GPP virtual core network in a virtualization platform. The testbed is established on an LTE (Long Term Evolution) based network being already deployed and OpenEPC is added as virtual core network on it. The integration of OpenEPC in 5GTN (5TH Generation Test Network) is discussed in details in the thesis which will give an account of the possibility of implementing such a simulated vEPC (Virtual Evolved Packet Core) in a real network platform. The deployed setup is tested to check its feasibility and flexibility for a platform which could be used for NFV deployment in future. The monitoring of OpenEPC’s individual components while utilizing the major resources within them, forms the primary performance test. The CPU Load and Memory Utilization is tested on different CPU stress levels having a constant data traffic from actual UEs. At the completion of the thesis work, a consensus is built up based on the test results that the test setup can hold number of subscribers to a certain amount without any performance degradation. Moreover, the virtual core network throughput and network latency is also compared to the commercial LTE networks and theoretical maximum values on similar resources to check performance consistency OpenEPC must offer

Random Linear Network Coding for 5G Mobile Video Delivery

An exponential increase in mobile video delivery will continue with the demand for higher resolution, multi-view and large-scale multicast video services. Novel fifth generation (5G) 3GPP New Radio (NR) standard will bring a number of new opportunities for optimizing video delivery across both 5G core and radio access networks. One of the promising approaches for video quality adaptation, throughput enhancement and erasure protection is the use of packet-level random linear network coding (RLNC). In this review paper, we discuss the integration of RLNC into the 5G NR standard, building upon the ideas and opportunities identified in 4G LTE. We explicitly identify and discuss in detail novel 5G NR features that provide support for RLNC-based video delivery in 5G, thus pointing out to the promising avenues for future research

3G migration in Pakistan

The telecommunication industry in Pakistan has come a long way since the country\u27s independence in 1947. The initial era could be fairly termed as the PTCL (Pakistan Telecommunication Company Limited) monopoly, for it was the sole provider of all telecommunication services across the country. It was not until four decades later that the region embarked into the new world of wireless communication, hence ending the decades old PTCL monopoly. By the end of the late 1990\u27s, government support and international investment in the region opened new doors to innovation and better quality, low cost, healthy competition. Wireless licenses for the private sector in the telecommunication industry triggered a promising chain of events that resulted in a drastic change in the telecommunication infrastructure and service profile. The newly introduced wireless (GSM) technology received enormous support from all stakeholders (consumers, regulatory body, and market) and caused a vital boost in Pakistan\u27s economy. Numerous tangential elements had triggered this vital move in the history of telecommunications in Pakistan. Entrepreneurs intended to test the idea of global joint ventures in the East and hence the idea of international business became a reality. The technology had proven to be a great success in the West, while Pakistan\u27s telecom consumer had lived under the shadow of PTCL dominance for decades and needed more flexibility. At last the world was moving from wired to wireless! Analysts termed this move as the beginning of a new era. The investors, telecommunication businesses, and Pakistani treasury prospered. It was a win-win situation for all involved. The learning curve was steep for both operators and consumers but certainly improved over time. In essence, the principle of deploying the right technology in the right market at the right time led to this remarkable success. The industry today stands on the brink of a similar crossroads via transition from second generation to something beyond. With the partial success of 3G in Europe and the USA, the government has announced the release of three 3G licenses by mid 2009. This decision is not yet fully supported by all but still initiated parallel efforts by the operators and the vendors to integrate this next move into their existing infrastructure

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

QoS management and flexible traffic detection architecture for 5G mobile networks

The next generation of 5G networks is being developed to provide services with the highest Quality of Service (QoS) attributes, such as ultra-low latency, ultra-reliable communication, high data rates, and high user mobility experience. To this end, several new settings must be implemented in the mobile network architecture such as the incorporation of Network Function Virtualization (NFV) and Software-Defined Networking (SDN), along with the shift of processes to the edge of the network. This work proposes an architecture combining the NFV and SDN concepts to provide the logic for Quality of Service (QoS) traffic detection and the logic for QoS management in next-generation mobile networks. It can be applied to the mobile backhaul and the mobile core network to work with both 5G mobile access networks or current 4G access networks, keeping backward compatibility with current mobile devices. In order to manage traffic without QoS and with QoS requirements, this work incorporates Multiprotocol Label Switching (MPLS) in the mobile data plane. A new flexible and programmable method to detect traffic with QoS requirements is also proposed, along with an Evolved Packet System (EPS)-bearer/QoS-flow creation with QoS considering all elements in the path. These goals are achieved by using proactive and reactive path setup methods to route the traffic immediately and simultaneously process it in the search for QoS requirements. Finally, a prototype is presented to prove the benefits and the viability of the proposed concepts

The strategies associated with the migration of networks to 4G

The networks need to provide higher speeds than those offered today. For it, considering that in the spectrum radio technologies is the scarcest resource in the development of these technologies and the new developments is essential to maximize the performance of bits per hertz transmitted. Long Term Evolution optimize spectral efficiency modulations with new air interface, and more advanced algorithms radius. These capabilities is the fact that LTE is an IPbased technology that enables end-to-end offer high transmission rates per user and very low latency, ie delay in the response times of the network around only 10 milliseconds, so you can offer any realtime application. LTE is the latest standard in mobile network technology and 3GPP ensure competitiveness in the future, may be considered a technology bridge between 3G networks - current 3.5G and future 4G networks, which are expected to reach speeds of up to 1G . LTE operators provide a simplified architecture but both robust, supporting services on IP technology. The objectives to be achieved through its implementation are ambitious, first users have a wide range of added services like capabilities that currently enjoys with residential broadband access at competitive prices, while the operator will have a network fully IP-based environment, reducing the complexity and cost of the same, which will give operators the opportunity to migrate to LTE directly. A major advantage of LTE is its ability to fuse with existing networks, ensuring interconnection with the same, increasing his current coverage and allowing a data connection established by a user in the environment continue when fade the coverage LTE. Moreover, the operator has the advantage of deploying network gradually, starting initially at areas of high demand for broadband services and expand progressively in line with this. RESUMEN. Las redes necesitan proporcionar velocidades mayores a las ofertadas a día de hoy. Para ello, teniendo en cuenta que en tecnologías radio el espectro es el recurso más escaso, en la evolución de estas tecnologías y en los nuevos desarrollos es esencial maximizar el rendimiento de bits por hercio transmitido. Long Term Evolution optimiza la eficiencia espectral con nuevas modulaciones en la interfaz aire, así como los algoritmos radio más avanzado. A estas capacidades se suma el hecho de que LTE es una tecnología basada en IP de extremo a extremo que permite ofrecer altas velocidades de transmisión por usuario y latencias muy bajas, es decir, retardos en los tiempos de respuesta de la red en torno a sólo 10 milisegundos, por lo que permite ofrecer cualquier tipo de aplicación en tiempo real. LTE es el último estándar en tecnología de redes móviles y asegurará la competitividad de 3GPP en el futuro, pudiendo ser considerada una tecnología puente entre las redes 3G – 3.5G actuales y las futuras redes 4G, de las que se esperan alcanzar velocidades de hasta 1G. LTE proporcionará a las operadoras una arquitectura simplificada pero robusta a la vez, soportando servicios sobre tecnología IP. Los objetivos que se persiguen con su implantación son ambiciosos, por una parte los usuarios dispondrá de una amplia oferta de servicios añadidos con capacidades similares a las que disfruta actualmente con accesos a banda ancha residencial y a precios competitivos, mientras que el operador dispondrá de una red basada en entorno totalmente IP, reduciendo la complejidad y el costo de la misma, lo que dará a las operadoras la oportunidad de migrar a LTE directamente. Una gran ventaja de LTE es su capacidad para fusionarse con las redes existentes, asegurando la interconexión con las mismas, aumentando su actual cobertura y permitiendo que una conexión de datos establecida por un usuario en el entorno LTE continúe cuando la cobertura LTE se desvanezca. Por otra parte el operador tiene la ventaja de desplegar la red LTE de forma gradual, comenzando inicialmente por las áreas de gran demanda de servicios de banda ancha y ampliarla progresivamente en función de ésta