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)

Machine Learning at the Edge: A Data-Driven Architecture with Applications to 5G Cellular Networks

The fifth generation of cellular networks (5G) will rely on edge cloud deployments to satisfy the ultra-low latency demand of future applications. In this paper, we argue that such deployments can also be used to enable advanced data-driven and Machine Learning (ML) applications in mobile networks. We propose an edge-controller-based architecture for cellular networks and evaluate its performance with real data from hundreds of base stations of a major U.S. operator. In this regard, we will provide insights on how to dynamically cluster and associate base stations and controllers, according to the global mobility patterns of the users. Then, we will describe how the controllers can be used to run ML algorithms to predict the number of users in each base station, and a use case in which these predictions are exploited by a higher-layer application to route vehicular traffic according to network Key Performance Indicators (KPIs). We show that the prediction accuracy improves when based on machine learning algorithms that rely on the controllers' view and, consequently, on the spatial correlation introduced by the user mobility, with respect to when the prediction is based only on the local data of each single base station.Comment: 15 pages, 10 figures, 5 tables. IEEE Transactions on Mobile Computin

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

A survey on mobility-induced service migration in the fog, edge, and related computing paradigms

The final publication is available at ACM via http://dx.doi.org/10.1145/3326540With the advent of fog and edge computing paradigms, computation capabilities have been moved toward the edge of the network to support the requirements of highly demanding services. To ensure that the quality of such services is still met in the event of users’ mobility, migrating services across different computing nodes becomes essential. Several studies have emerged recently to address service migration in different edge-centric research areas, including fog computing, multi-access edge computing (MEC), cloudlets, and vehicular clouds. Since existing surveys in this area focus on either VM migration in general or migration in a single research field (e.g., MEC), the objective of this survey is to bring together studies from different, yet related, edge-centric research fields while capturing the different facets they addressed. More specifically, we examine the diversity characterizing the landscape of migration scenarios at the edge, present an objective-driven taxonomy of the literature, and highlight contributions that rather focused on architectural design and implementation. Finally, we identify a list of gaps and research opportunities based on the observation of the current state of the literature. One such opportunity lies in joining efforts from both networking and computing research communities to facilitate future research in this area.Peer ReviewedPreprin

Cognition-Based Networks: A New Perspective on Network Optimization Using Learning and Distributed Intelligence

IEEE Access Volume 3, 2015, Article number 7217798, Pages 1512-1530 Open Access Cognition-based networks: A new perspective on network optimization using learning and distributed intelligence (Article) Zorzi, M.a , Zanella, A.a, Testolin, A.b, De Filippo De Grazia, M.b, Zorzi, M.bc a Department of Information Engineering, University of Padua, Padua, Italy b Department of General Psychology, University of Padua, Padua, Italy c IRCCS San Camillo Foundation, Venice-Lido, Italy View additional affiliations View references (107) Abstract In response to the new challenges in the design and operation of communication networks, and taking inspiration from how living beings deal with complexity and scalability, in this paper we introduce an innovative system concept called COgnition-BAsed NETworkS (COBANETS). The proposed approach develops around the systematic application of advanced machine learning techniques and, in particular, unsupervised deep learning and probabilistic generative models for system-wide learning, modeling, optimization, and data representation. Moreover, in COBANETS, we propose to combine this learning architecture with the emerging network virtualization paradigms, which make it possible to actuate automatic optimization and reconfiguration strategies at the system level, thus fully unleashing the potential of the learning approach. Compared with the past and current research efforts in this area, the technical approach outlined in this paper is deeply interdisciplinary and more comprehensive, calling for the synergic combination of expertise of computer scientists, communications and networking engineers, and cognitive scientists, with the ultimate aim of breaking new ground through a profound rethinking of how the modern understanding of cognition can be used in the management and optimization of telecommunication network