Network slicing with flexible mobility and QoS/QoE support for 5G networks

Proceeding of: 2017 IEEE International Conference on Communications. Workshops (ICC Workshops)Network slicing is an emerging area of research, featuring a logical arrangement of resources to operate as individual networks, thus allowing for massively customizable service and tenant requirements. The focus of this paper is to present the design of a flexible 5G architecture for network slicing, building on SDN and NFV technologies as enablers. More specifically, we place the emphasis on techniques that provide efficient utilization of substrate resources for network slicing, ultimately optimizing network performance. The key areas of consideration in our architecture revolve around flexible service-tailored mobility, service-aware QoS/QoE control as well as network-wide orchestrationThis research work has been performed in the framework of H2020-ICT-2014-2 project 5G NORMA

Inter-Slice Mobility Management in 5G: Motivations, Standard Principles, Challenges and Research Directions

Mobility management in a sliced 5G network introduces new and complex challenges. In a network-sliced environment, user mobility has to be managed not only among different base stations or access technologies, but also among different slices. This motivates the need for new mobility management solutions, which, by convention are required to be standards-compliant. This article, presented as a tutorial, focuses on the problem of inter-slice mobility from the perspective of 3GPP standards for 5G. A detailed overview of the relevant 3GPP standard principles is provided. Accordingly, the key technical gaps, challenges and the corresponding research directions are identified towards achieving seamless inter-slice mobility within the current 3GPP network slicing framework

Mobile Edge Service for Charging Control

5G systems will provide a flexible charging capabilities including policy control based on spending limits for a subscription. Edge computing possesses the potential for exposing policy control and charging capabilities to third party applications close to the end users. In this paper, we propose a new mobile edge service that provides open access to functions related to monitoring the usage limits regardless the way of measurement i.e. monetary, volume, duration, etc. Currently, this function is a part of the core network functionality. Using the proposed service interfaces, an intended application may track the usage of network resource by a subscriber and to request applying of enforcement action to user traffic such as quality of service downgrade, traffic redirection or blocking close to the end user. The description of the proposed mobile edge service is provided in form of typical use cases, data model, interface definition, and formally verified state models

On the Modelling of CDNaaS Deployment

With the increasing demand for over the top media content, understanding user perception and Quality of Experience (QoE) estimation have become a major business necessity for service providers. Online video broadcasting is a multifaceted procedure and calculation of performance for the components that build up a streaming platform requires an overall understanding of the Content Delivery Network as a service (CDNaaS) concept. Therefore, to evaluate delivery quality and predicting user perception while considering NFV (Network Function Virtualization) and limited cloud resources, a relationship between these concepts is required. In this paper, a generalized mathematical model to calculate the success rate of different tiers of online video delivery system is presented. Furthermore, an algorithm that indicates the correct moment to switch between CDNs is provided to improve throughput efficiency while maintaining QoE and keeping the cloud hosting costs as lowest possible

Operational Aspects of Network Slicing in LTE and 5G Architectures

With the advances in cloud computing, the telecom operators are moving towards virtualization and cloud model. The future mobile networks are going to be deployed in the cloud with the help of Software Defined Networks (SDN) and Network Functions Virtualization (NFV) technologies. This thesis discusses various aspects related to prototyping and orchestration of slicing in LTE and 5G core networks using open-source technologies. The network slices are created in the user plane of the core network for differentiating the user traffic in terms of their QoS requirements. The Service Based Architecture (SBA) of 5G core is realized with the help of Google Remote Procedure Call (gRPC) as Service Based Interface (SBI) and Consul as Network Function Repository Function. On top of the setup created, the concept of Look-aside Load Balancing is used, to suit the 5G SBA and efficiently handle the incoming traffic load. With the Access and Mobility Management Function as a use case for load balancing, it is concluded that carefully chosen load balancing algorithms can significantly lessen the control plane latency when compared to simple random or round-robin schemes

Connectivity Management for HetNets based on the Principles of Autonomicity and Context-Awareness

Στο περιβάλλον του Διαδικτύου του Μέλλοντος, η Πέμπτη γενιά (5G) δικτύων έχει ήδη αρχίσει να καθιερώνεται. Τα δίκτυα 5G αξιοποιούν υψηλότερες συχνότητες παρέχοντας μεγαλύτερο εύρος ζώνης, ενώ υποστηρίζουν εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα σε σταθμούς βάσης και κινητές συσκευές, σχηματίζοντας ένα περιβάλλον ετερογενών δικτύων, το οποίο στοχεύει στο να καλυφθούν οι απαιτήσεις της απόδοσης ως προς την μικρότερη δυνατή συνολική χρονοκαθυστέρηση και κατανάλωση ενέργειας. Η αποδοτική διαχείριση της συνδεσιμότητας σε ένα τόσο ετερογενές δικτυακό περιβάλλον αποτελεί ανοιχτό πρόβλημα, με σκοπό να υποστηρίζεται η κινητικότητα των χρηστών σε δίκτυα διαφορετικών τεχνολογιών και βαθμίδων, αντιμετωπίζοντας θέματα πολυπλοκότητας και διαλειτουργικότητας, υποστηρίζοντας τις απαιτήσεις των τρεχουσών εφαρμογών και των προτιμήσεων των χρηστών και διαχειρίζοντας ταυτόχρονα πολλαπλές δικτυακές διεπαφές. Η συλλογή, η μοντελοποίηση, η διεξαγωγή συμπερασμάτων και η κατανομή πληροφορίας περιεχομένου σε σχέση με δεδομένα αισθητήρων θα παίξουν κρίσιμο ρόλο σε αυτήν την πρόκληση. Με βάση τα παραπάνω, κρίνεται σκόπιμη η αξιοποίηση των αρχών της επίγνωσης περιεχομένου και της αυτονομικότητας, καθώς επιτρέπουν στις δικτυακές οντότητες να είναι ενήμερες του εαυτού τους και του περιβάλλοντός τους, καθώς και να αυτοδιαχειρίζονται τις λειτουργίες τους ώστε να πετυχαίνουν συγκεκριμένους στόχους. Επιπλέον, χρειάζεται ακριβής ποσοτική αξιολόγηση της απόδοσης λύσεων διαχείρισης της συνδεσιμότητας για ετερογενή δίκτυα, οι οποίες παρουσιάζουν διαφορετικές στρατηγικές επίγνωσης περιβάλλοντος, απαιτώντας μια μεθοδολογία που να είναι περιεκτική και γενικά εφαρμόσιμη ώστε να καλύπτει διαφορετικές προσεγγίσεις, καθώς οι υπάρχουσες μεθοδολογίες στην βιβλιογραφία είναι σχετικά περιορισμένες. Tο σύνολο της μελέτης επικεντρώνεται σε δύο θεματικούς άξονες. Στο πρώτο θεματικό μέρος της διατριβής, αναλύεται ο ρόλος της επίγνωσης περιβάλλοντος και της αυτονομικότητας, σε σχέση με την διαχείριση της συνδεσιμότητας, αναπτύσσοντας ένα πλαίσιο ταξινόμησης και κατηγοριοποίησης, επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Με βάση το προαναφερθέν πλαίσιο, ταξινομήθηκαν και αξιολογήθηκαν λύσεις για την υποστήριξη της κινητικότητας σε ετερογενή δίκτυα, οι οποίες δύνανται να θεωρηθούν ότι παρουσιάζουν επίγνωση περιβάλλοντος και αυτο-διαχειριστικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, μελετήθηκε κατά πόσον οι αποφάσεις που λαμβάνονται ως προς την επιλογή του κατάλληλου δικτύου, σύμφωνα με την κάθε λύση, είναι αποτελεσματικές και προτάθηκαν τρόποι βελτιστοποίησης των υπαρχουσών αρχιτεκτονικών, καθώς και προτάσεων προς περαιτέρω ανάπτυξη σχετικών μελλοντικών λύσεων. Στο δεύτερο θεματικό μέρος της διατριβής, αναπτύχθηκε μια ευέλικτη αναλυτική μεθοδολογία, περιλαμβάνοντας όλους τους παράγοντες που μπορούν να συνεισφέρουν στην συνολική χρονοκαθυστέρηση, λαμβάνοντας υπόψιν την σηματοδοσία, την επεξεργαστική επιβάρυνση και την συμφόρηση (μελέτη ουράς), επεκτείνοντας την τρέχουσα βιβλιογραφία. Η μεθοδολογία είναι περιεκτική, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει κλειστού τύπου λύσεις και έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται σε διαφορετικές προσεγγίσεις. Προς απόδειξη αυτού, εφαρμόσαμε την μεθοδολογία σε δύο λύσεις με διαφορετική στρατηγική επίγνωσης περιβάλλοντος (μια μεταδραστική και μια προδραστική). Και για τις δύο προσεγγίσεις, τα αναλυτικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια της αναλυτικής μεθοδολογίας. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι η προδραστική προσέγγιση εμφανίζει καλύτερη απόδοση ως προς την συνολική χρονοκαθυστέρηση, ενώ χρειάζεται σημαντικά λιγότερους επεξεργαστικούς πόρους, παρουσιάζοντας πιθανά οφέλη και στην συνολική ενεργειακή κατανάλωση και στα λειτουργικά και κεφαλαιουχικά κόστη (OPEX και CAPEX)

Automotive Cognitive Access: Towards customized vehicular communication system

The evolution of Software Defined Networking (SDN) and Virtualization of mobile Network Functions (NFV) have enabled the new ways of managing mobile access systems and are seen as a major technological foundation of the Fifth Generation (5G) of mobile networks. With the appearance of 5G specifications, the mobile system architecture has the transition from a network of entities to a network of functions. This paradigm shift led to new possibilities and challenges. Existing mobile communication systems rely on closed and inflexible hardware-based architectures both at the access and core network. It implies significant challenges in implementing new techniques to maximize the network capacity, scalability and increasing performance for diverse data services. This work focuses preliminary on the architectural evolutions needed to solve challenges perceived for the next generation of mobile networks. I consider Software defined plus Virtualization featured Mobile Network (S+ MN) architecture as a baseline reference model, aiming at the further improvements to support the access requirements for diverse user groups. I consider an important class of things, vehicles, which needs efficient mobile internet access at both the system and application levels. I identify and describe key requirements of emerging vehicular communications and assess existing standards to determine their limitations. To provide optimized wireless communications for the specific user group, the 5G systems come up with network slicing as a potential solution to create customized networks. Network slicing has the capability to facilitates dynamic and efficient allocation of network resources and support diverse service scenarios and services. A network slice can be broadly defined as an end-to-end logically isolated network that includes end devices as well as access and core network functions. To this effect, I describe the enhanced behaviour of S+ MN architecture for the collection of network resources and details the potential functional grouping provided by S+ MN architecture that paves the way to support automotive slicing. The proposed enhancements support seamless connection mobility addressing the automotive access use case highly mobile environment. I follow the distribution of gateway functions to solve the problem of unnecessary long routes and delays. Exploiting the open SDN capabilities, the proposed S+ NC is able to parallelize the execution of certain control plane messages thus enabling the signalling optimisation. Furthermore, it enables the (Re)selection of efficient data plane paths with implied upper-layer service continuity mechanisms that remove the chains of IP address preservation for session continuity during IP anchor relocation. An implementation setup validates the proposed evolutions, including its core functionalities implemented using the ns-3 network simulator. The proposed slicing scheme has been evaluated through a number of scenarios such as numbers of signalling messages processed by control entities for an intersystem handover procedure relative to current mobile network architecture. I also perform the performance improvement analysis based on simulation results. Furthermore, I experimentally prove the feasibility of using Multipath TCP for connection mobility in intersystem handover scenario. The experiments run over the Linux Kernel implementation of Multipath TCP developed over the last years. I extend the Multipath TCP path management to delegates the management of the data paths according to the application needs. The implementation results have shown that the proposed S+ MN slicing architecture and enhancements achieve benefits in multiple areas, for example improving the mobility control and management, maintaining QoS, smooth handover, session continuity and efficient slice management and orchestration