View on 5G Architecture: Version 1.0

The current white paper focuses on the produced results after one year research mainly from 16 projects working on the abovementioned domains. During several months, representatives from these projects have worked together to identify the key findings of their projects and capture the commonalities and also the different approaches and trends. Also they have worked to determine the challenges that remain to be overcome so as to meet the 5G requirements. The goal of 5G Architecture Working Group is to use the results captured in this white paper to assist the participating projects achieve a common reference framework. The work of this working group will continue during the following year so as to capture the latest results to be produced by the projects and further elaborate this reference framework. The 5G networks will be built around people and things and will natively meet the requirements of three groups of use cases: • Massive broadband (xMBB) that delivers gigabytes of bandwidth on demand • Massive machine-type communication (mMTC) that connects billions of sensors and machines • Critical machine-type communication (uMTC) that allows immediate feedback with high reliability and enables for example remote control over robots and autonomous driving. The demand for mobile broadband will continue to increase in the next years, largely driven by the need to deliver ultra-high definition video. However, 5G networks will also be the platform enabling growth in many industries, ranging from the IT industry to the automotive, manufacturing industries entertainment, etc. 5G will enable new applications like for example autonomous driving, remote control of robots and tactile applications, but these also bring a lot of challenges to the network. Some of these are related to provide low latency in the order of few milliseconds and high reliability compared to fixed lines. But the biggest challenge for 5G networks will be that the services to cater for a diverse set of services and their requirements. To achieve this, the goal for 5G networks will be to improve the flexibility in the architecture. The white paper is organized as follows. In section 2 we discuss the key business and technical requirements that drive the evolution of 4G networks into the 5G. In section 3 we provide the key points of the overall 5G architecture where as in section 4 we elaborate on the functional architecture. Different issues related to the physical deployment in the access, metro and core networks of the 5G network are discussed in section 5 while in section 6 we present software network enablers that are expected to play a significant role in the future networks. Section 7 presents potential impacts on standardization and section 8 concludes the white paper

Transition technologies towards 6G networks

[EN] The sixth generation (6G) mobile systems will create new markets, services, and industries making possible a plethora of new opportunities and solutions. Commercially successful rollouts will involve scaling enabling technologies, such as cloud radio access networks, virtualization, and artificial intelligence. This paper addresses the principal technologies in the transition towards next generation mobile networks. The convergence of 6G key-performance indicators along with evaluation methodologies and use cases are also addressed. Free-space optics, Terahertz systems, photonic integrated circuits, softwarization, massive multiple-input multiple-output signaling, and multi-core fibers, are among the technologies identified and discussed. Finally, some of these technologies are showcased in an experimental demonstration of a mobile fronthaul system based on millimeter 5G NR OFDM signaling compliant with 3GPP Rel. 15. The signals are generated by a bespoke 5G baseband unit and transmitted through both a 10 km prototype multi-core fiber and 4 m wireless V-band link using a pair of directional 60 GHz antennas with 10 degrees beamwidth. Results shown that the 5G and beyond fronthaul system can successfully transmit signals with both wide bandwidth (up to 800 MHz) and fully centralized signal processing. As a result, this system can support large capacity and accommodate several simultaneous users as a key candidate for next generation mobile networks. Thus, these technologies will be needed for fully integrated, heterogeneous solutions to benefit from hardware commoditization and softwarization. They will ensure the ultimate user experience, while also anticipating the quality-of-service demands that future applications and services will put on 6G networks.This work was partially funded by the blueSPACE and 5G-PHOS 5G-PPP phase 2 projects, which have received funding from the European Union's Horizon 2020 programme under Grant Agreements Number 762055 and 761989. D. PerezGalacho acknowledges the funding of the Spanish Science Ministry through the Juan de la Cierva programme.Raddo, TR.; Rommel, S.; Cimoli, B.; Vagionas, C.; Pérez-Galacho, D.; Pikasis, E.; Grivas, E.... (2021). Transition technologies towards 6G networks. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. 2021(1):1-22. https://doi.org/10.1186/s13638-021-01973-91222021

Semiconductor Optical Amplifiers and mm-Wave Wireless Links for Converged Access Networks

Future access networks are converged optical-wireless networks, where fixed-line and wireless services share the same infrastructure. In this book, semiconductor optical amplifiers (SOA) and mm-wave wireless links are investigated, and their use in converged access networks is explored: SOAs compensate losses in the network, and thereby extend the network reach. Millimeter-wave wireless links substitute fiber links when cabling is not economical

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

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