Design and Performance Analysis of Functional Split in Virtualized Access Networks

abstract: Emerging modular cable network architectures distribute some cable headend functions to remote nodes that are located close to the broadcast cable links reaching the cable modems (CMs) in the subscriber homes and businesses. In the Remote- PHY (R-PHY) architecture, a Remote PHY Device (RPD) conducts the physical layer processing for the analog cable transmissions, while the headend runs the DOCSIS medium access control (MAC) for the upstream transmissions of the distributed CMs over the shared cable link. In contrast, in the Remote MACPHY (R-MACPHY) ar- chitecture, a Remote MACPHY Device (RMD) conducts both the physical and MAC layer processing. The dissertation objective is to conduct a comprehensive perfor- mance comparison of the R-PHY and R-MACPHY architectures. Also, development of analytical delay models for the polling-based MAC with Gated bandwidth alloca- tion of Poisson traffic in the R-PHY and R-MACPHY architectures and conducting extensive simulations to assess the accuracy of the analytical model and to evaluate the delay-throughput performance of the R-PHY and R-MACPHY architectures for a wide range of deployment and operating scenarios. Performance evaluations ex- tend to the use of Ethernet Passive Optical Network (EPON) as transport network between remote nodes and headend. The results show that for long CIN distances above 100 miles, the R-MACPHY architecture achieves significantly shorter mean up- stream packet delays than the R-PHY architecture, especially for bursty traffic. The extensive comparative R-PHY and R-MACPHY comparative evaluation can serve as a basis for the planning of modular broadcast cable based access networks.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Downstream Bandwidth Management for Emerging DOCSIS-based Networks

In this dissertation, we consider the downstream bandwidth management in the context of emerging DOCSIS-based cable networks. The latest DOCSIS 3.1 standard for cable access networks represents a significant change to cable networks. For downstream, the current 6 MHz channel size is replaced by a much larger 192 MHz channel which potentially can provide data rates up to 10 Gbps. Further, the current standard requires equipment to support a relatively new form of active queue management (AQM) referred to as delay-based AQM. Given that more than 50 million households (and climbing) use cable for Internet access, a clear understanding of the impacts of bandwidth management strategies used in these emerging networks is crucial. Further, given the scope of the change provided by emerging cable systems, now is the time to develop and introduce innovative new methods for managing bandwidth. With this motivation, we address research questions pertaining to next generation of cable access networks. The cable industry has had to deal with the problem of a small number of subscribers who utilize the majority of network resources. This problem will grow as access rates increase to gigabits per second. Fundamentally this is a problem on how to manage data flows in a fair manner and provide protection. A well known performance issue in the Internet, referred to as bufferbloat, has received significant attention recently. High throughput network flows need sufficiently large buffer to keep the pipe full and absorb occasional burstiness. Standard practice however has led to equipment offering very large unmanaged buffers that can result in sustained queue levels increasing packet latency. One reason why these problems continue to plague cable access networks is the desire for low complexity and easily explainable (to access network subscribers and to the Federal Communications Commission) bandwidth management. This research begins by evaluating modern delay-based AQM algorithms in downstream DOCSIS 3.0 environments with a focus on fairness and application performance capabilities of single queue AQMs. We are especially interested in delay-based AQM schemes that have been proposed to combat the bufferbloat problem. Our evaluation involves a variety of scenarios that include tiered services and application workloads. Based on our results, we show that in scenarios involving realistic workloads, modern delay-based AQMs can effectively mitigate bufferbloat. However they do not address the other problem related to managing the fairness. To address the combined problem of fairness and bufferbloat, we propose a novel approach to bandwidth management that provides a compromise among the conflicting requirements. We introduce a flow quantization method referred to as adaptive bandwidth binning where flows that are observed to consume similar levels of bandwidth are grouped together with the system managed through a hierarchical scheduler designed to approximate weighted fairness while addressing bufferbloat. Based on a simulation study that considers many system experimental parameters including workloads and network configurations, we provide evidence of the efficacy of the idea. Our results suggest that the scheme is able to provide long term fairness and low delay with a performance close to that of a reference approach based on fair queueing. A further contribution is our idea for replacing `tiered\u27 levels of service based on service rates with tiering based on weights. The application of our bandwidth binning scheme offers a timely and innovative alternative to broadband service that leverages the potential offered by emerging DOCSIS-based cable systems

Solution strategies of service fulfilment Operation Support Systems for Next Generation Networks

Suomalainen operatiivisten tukijärjestelmien toimittaja tarjoaa ratkaisuja palvelujen aktivointiin, verkkoresurssien hallintaan ja laskutustietojen keruuseen. Nämä ratkaisut ovat pääosin käytössä langattomissa verkoissa. Tässä tutkimuksessa arvioidaan kyseisten ratkaisujen soveltuvuutta palvelutoimitusprosessien automatisointiin tulevaisuuden verkkoympäristöissä. Tarkastelun kohteena ovat runko- ja pääsyverkkojen kiinteät teknologiat, joiden suosio saavuttaa huippunsa seuraavan 5-10 vuoden aikana. Näissä verkoissa palvelujen, kuten yritys-VPN:n tai kuluttajan laajakaistan, aktivointi vaatii monimutkaisen toimitusprosessin, jonka tueksi tarvitaan ensiluokkaista tukijärjestelmää. Teknologiakatsauksen jälkeen tutkimuksessa verrataan viitteellistä tuoteportfoliota saatavilla oleviin operatiivisten tukijärjestelmien arkkitehtuurisiin viitekehyksiin, ja analysoidaan sen soveltuvuus tulevaisuuden verkkoympäristöjen palvelutoimitusprosessin automatisointiin. Myös palvelutoimitusprosessien automatisointiin soveltuvien tukijärjestelmien markkinatilanne arvioidaan, ja tämän perusteella tutkitaan optimaalisinta sovellusstrategiaa. Lopulta voidaan päätellä, että tuoteportfoliolle parhaiten soveltuvin sovellusalue on kuluttajan laajakaistan, ja siihen liittyvien kehittyneempien IP-palveluiden palvelutoimitusprosessien automatisointi.A Finnish Operation Support Systems (OSS) vendor provides solutions for service activation, network inventory and event mediation. These solutions have mostly been deployed in mobile environments. In this thesis it will be studied how feasible it is to use similar solutions for service fulfilment in Next Generation Networks (NGN). NGN is a broad term that describes some key architectural evolutions in telecommunication core and access networks that will be deployed over the next 5 to 10 years. In these networks service, e.g. Triple Play or Virtual Private Network (VPN), activations require an extensive service fulfilment process that must be supported by first-class OSS. After introducing the NGN technologies, the research compares a reference product portfolio to available service fulfilment frameworks and evaluates the applicability. The study analyses the current state of service fulfilment OSS markets and evaluates various solution strategies. Eventually it will be concluded that the most interesting and adequate solution scenario is residential broadband, including value-added IP services

Resource management in cable access networks

Een kabelnetwerk is tegenwoordig niet meer alleen een medium waarover analoge TV-signalen vanuit een centraal punt, kopstation genaamd, naar de aangesloten huizen worden gestuurd. Sinds enkele jaren is het mogelijk om thuis data digitaal te versturen en te ontvangen. Deze data gaat via een kabelmodem thuis en het kopstation, dat in verbinding staat met andere netwerken. Op deze wijze zijn kabelnetwerken onderdeel geworden van het wereldwijde Internet en kunnen computers thuis hier mee verbonden worden. Door aan zo’n kopstation een digitaal videosysteem met duizenden films te koppelen, ontstaat er de mogelijkheid een video-op-verzoek dienst aan te bieden: Via de computer of zelfs de TV thuis kunnen films worden besteld en direct bekeken, of worden opgeslagen in de computer. Om dit te bewerkstelligen is meer nodig dan alleen een netwerk: Voor de transmissie van video data dient er zorg voor te worden gedragen dat deze zonder hinderende interrupties kan geschieden, omdat dergelijke gebeurtenissen door de gebruiker direct te zien zijn in de vorm van een stilstaand of zwart beeld. Verder is ook de reactiesnelheid van het systeem van belang voor het ondersteunen van operaties door de gebruiker, zoals het bestellen van een film, maar ook het vooruit- of terugspoelen, pauzeren, enzovoorts. Binnen deze context beschrijven en analyseren we in dit proefschrift zes problemen. Vier daarvan houden verband met de transmissie van data over het kabelnetwerk en de overige twee houden verband met het opslaan van video data op een harde schijf. In twee van de vier problemen uit de eerste categorie analyseren we de vertraging die data ondervindt wanneer die vanuit een modem wordt gestuurd naar het kopstation. Deze vertraging bepaalt met name de reactiesnelheid van het systeem. Karakteristiek voor dataverkeer in deze richting is dat pakketten van verschillende modems tegelijkertijd mogen worden verstuurd en daardoor verloren gaan. Met name de vereiste hertransmissies zorgen voor vertraging. Meer concreet beschouwen we een variant op het bekende ALOHA protocol, waarbij we uitgaan van een kanaalmodel dat afwijkt van het conventionele model. Het afwijkende model is van toepassing wanneer een modem een eerste contact probeert te leggen met het kopstation na te zijn opgestart. Met name na een stroomuitval, wanneer een groot aantal modems tegelijkertijd opnieuw opstart, kunnen de vertragingen aanzienlijk zijn. Daarnaast beschouwen we modems tijdens normale operatie en analyseren wij de verbetering in vertraging wanneer pakketten die vanuit ´e´en modem moeten worden verstuurd, worden verpakt in een groter pakket. In beide studies worden wiskundige resultaten vergeleken met simulaties die re¨ele situaties nabootsen. In de andere twee van de vier problemen richten wij ons op de transmissie van video data in de andere richting, namelijk van het kopstation naar de modems. Hierbij spelen stringente tijdsrestricties een voorname rol, zoals hierboven reeds is beschreven. Meer specifiek presenteren we een planningsalgoritme dat pakketten voor een aantal gebruikers op een kanaal zodanig na elkaar verstuurt dat de variatie in de vertraging die de verschillende pakketten ondervinden, minimaal is. Op deze wijze wordt zo goed mogelijk een continue stroom van data gerealiseerd die van belang is voor het probleemloos kunnen bekijken van een film. Daarnaast analyseren we een bestaand algoritme om een film via een aantal kanalen periodiek naar de aangesloten huizen te versturen. In dit geval ligt de nadruk op de wachttijd die een gebruiker ondervindt na het bestellen van een film. In deze analyse onderbouwen we een in het algoritme gebruikte heuristiek en brengen hierin verdere verbeteringen aan. Daarnaast bewijzen we dat het algoritme asymptotisch optimaal is, iets dat reeds langer werd aangenomen, maar nooit rigoreus bewezen was. Bij de laatste twee problemen, die verband houden met het opslaan van video data op een harde schijf, analyseren we hoe deze data zodanig kan worden opgeslagen dat die er nadien efficient van kan worden teruggelezen. In het ene probleem beschouwen we een bestaand planningsalgoritme om pakketten van verschillende videostromen naar een harde schijf te schrijven en passen dit aan om ervoor te zorgen dat het teruglezen van de stroom met bijvoorbeeld een andere pakketgrootte mogelijk wordt zonder daarbij de schijf onnodig te belasten. In het andere probleem analyseren we hoe we effectief gebruik kunnen maken van het gegeven dat data aan de buitenkant van de schijf sneller gelezen kan worden dan aan de binnenkant. We bewijzen dat het probleem van het zo efficient mogelijk opslaan van een gegeven aantal video files NPlastig is en presenteren een eenvoudige heuristiek die, hoewel voor bijzondere instanties een bewijsbaar slechte prestatie levert, in de praktijk in het algemeen goede prestaties levert. Hierbij maken we met name gebruik van het verschil in populariteit van de verschillende films

Modelo de evaluación técnico-económica de tecnologías de acceso

El contenido de los capítulos 3 y 4 está sujeto a confidencialidad. 233 p.-Define un modelo de evaluación técnico-económica para tecnologías de acceso de aplicación universal,escalable, flexible y generalizable, que permite la comparación de cualesquiera tecnologías de acceso endiferentes escenarios. Se denomina modelo UTEM (Universal Techno-Economic Model).-Desarrolla unametodología de aplicación específica del modelo UTEM para facilitar su uso por parte de los diferentesagentes del sector de telecomunicaciones, proporcionando pautas para el diseño de escenarios, laaplicación del modelo y la adecuada interpretación de los resultados obtenidos. ¿Define las característicasde un modelo técnico-económico teórico universal. ¿Clasifica los modelos de la literatura en base adichas características. -Posibilita la caracterización y comparación técnica y económica de cualquiertecnología de acceso en cualquier configuración o combinación de elementos serie o paralelo, así comoaccesos redundantes. -Define métricas específicas de prestaciones y eficiencia tecno-económicas de lastecnologías de acceso que permiten su evaluación y comparación. -Identifica el grado de cumplimiento delos requisitos de cliente técnicos y/o económicos establecidos por el usuario del modelo para cadatecnología.-Identifica el número mínimo de accesos redundantes de una tecnología que permiten cumplirlos requisitos de cliente.-Permite la predicción de tendencias y decisiones en el ámbito del acceso-Permitela evaluación técnico-económica de tecnologías de acceso en aproximaciones `top-down¿ (perspectiva dedespliegue), y `bottom-up¿ (desde la perspectiva del cliente o usuario final).-Permite la comparación decualesquiera tecnologías de acceso. es

Modelo de evaluación técnico-económica de tecnologías de acceso

El contenido de los capítulos 3 y 4 está sujeto a confidencialidad. 233 p.-Define un modelo de evaluación técnico-económica para tecnologías de acceso de aplicación universal,escalable, flexible y generalizable, que permite la comparación de cualesquiera tecnologías de acceso endiferentes escenarios. Se denomina modelo UTEM (Universal Techno-Economic Model).-Desarrolla unametodología de aplicación específica del modelo UTEM para facilitar su uso por parte de los diferentesagentes del sector de telecomunicaciones, proporcionando pautas para el diseño de escenarios, laaplicación del modelo y la adecuada interpretación de los resultados obtenidos. ¿Define las característicasde un modelo técnico-económico teórico universal. ¿Clasifica los modelos de la literatura en base adichas características. -Posibilita la caracterización y comparación técnica y económica de cualquiertecnología de acceso en cualquier configuración o combinación de elementos serie o paralelo, así comoaccesos redundantes. -Define métricas específicas de prestaciones y eficiencia tecno-económicas de lastecnologías de acceso que permiten su evaluación y comparación. -Identifica el grado de cumplimiento delos requisitos de cliente técnicos y/o económicos establecidos por el usuario del modelo para cadatecnología.-Identifica el número mínimo de accesos redundantes de una tecnología que permiten cumplirlos requisitos de cliente.-Permite la predicción de tendencias y decisiones en el ámbito del acceso-Permitela evaluación técnico-económica de tecnologías de acceso en aproximaciones `top-down¿ (perspectiva dedespliegue), y `bottom-up¿ (desde la perspectiva del cliente o usuario final).-Permite la comparación decualesquiera tecnologías de acceso. es