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

Esquema de asignación de recursos en una red inalámbrica definida por software (SDWN) para garantizar QoS en la transmisión de vídeo

RESUMEN: Las redes inalámbricas institucionales (o de campus) ofrecen servicions de comunicación, que concentran la mayor parte del tráfico generado por los usuarios y sus aplicaciones. Dichas redes, se ocupan de la movilidad de un gran número de usuarios y problemas de infraestructura como la implementación de enrutadores no planificados. En este contexto, administrar la red se vuelve difícil, generando inconvenientes como la distribución del tráfico de manera desigual entre los diferentes puntos de acceso (AP) disponibles. Este no es un problema menor, ya que balancear la carga de tráfico entre los AP, puede incrementar la calidad de servicio (QoS) percibida por los usuarios y mejorar el rendimiento de la red durante los períodos de congestión. Sin embargo, las soluciones disponibles no son un estándar y presentan una falta de interoperabilidad. Estos problemas, sumados a otros que presentan las redes actuales, motivaron la implementación de esquemas flexibles de equilibrio de carga, en una arquitectura de red escalable y centralizada como SDN (redes definidas por software). Investigaciones recientes han mostrado que el balanceo de carga permite una mejor administración de los recursos, sin embargo, estos resultados en su gran mayoría se han quedado en entornos virtuales o emulados. Gracias a la tecnología ofrecida por OpenWrt y Open vSwitch, es posible realizar implementaciones de una red SDN sobre medios inalámbricos, usando dispositivos físicos. En este proyecto, se plantean cuatro esquemas para balanceo de carga. Inicialmente se explora una de las técnicas más usadas, Round-Robin, ya que ofrece una lógica sencilla de distribución, en la cual toma el último cliente para liberar un AP saturado, y genera nuevas listas en los APs. La segunda técnica propuesta se basa en una lógica derivada del modelo de optimización, que transfiere el cliente con la carga más alta (Transfer Client with High Load), el cual puede causar una saturación en el sistema, y asignarlo a otro AP. La tercera implementación, se basa en el mejor ajuste (Best-Fit), donde se distribuye a todos los clientes entre los AP, dado el caso de que al menos uno supere el umbral de saturación. La última desarrolla la distribución de lógica completa del modelo de optimización (Optimization Model) basada en el problema de empaquetado (The Bin Packing Problem), donde se busca distribuir una cantidad de clientes en un número de APs disponibles. A partir de este diseño conceptual, se realizaron experimentos para evaluar el rendimiento de cada uno de ellos en entornos con múltiples AP utilizando el controlador 5G-EmPOWER e incluyendo un proceso de traspaso transparente. Las implementaciones propuestas muestran mejoras en el rendimiento y relación de señal/ruido pico (PSNR) durante la transmisión de un vídeo, comparadas con los escenarios tradicionales

Study, evaluation and contributions to new algorithms for the embedding problem in a network virtualization environment

Network virtualization is recognized as an enabling technology for the future Internet. It aims to overcome the resistance of the current Internet to architectural change and to enable a new business model decoupling the network services from the underlying infrastructure. The problem of embedding virtual networks in a substrate network is the main resource allocation challenge in network virtualization and is usually referred to as the Virtual Network Embedding (VNE) problem. VNE deals with the allocation of virtual resources both in nodes and links. Therefore, it can be divided into two sub-problems: Virtual Node Mapping where virtual nodes have to be allocated in physical nodes and Virtual Link Mapping where virtual links connecting these virtual nodes have to be mapped to paths connecting the corresponding nodes in the substrate network. Application of network virtualization relies on algorithms that can instantiate virtualized networks on a substrate infrastructure, optimizing the layout for service-relevant metrics. This class of algorithms is commonly known as VNE algorithms. This thesis proposes a set of contributions to solve the research challenges of the VNE that have not been tackled by the research community. To do that, it performs a deep and comprehensive survey of virtual network embedding. The first research challenge identified is the lack of proposals to solve the virtual link mapping stage of VNE using single path in the physical network. As this problem is NP-hard, existing proposals solve it using well known shortest path algorithms that limit the mapping considering just one constraint. This thesis proposes the use of a mathematical multi-constraint routing framework called paths algebra to solve the virtual link mapping stage. Besides, the thesis introduces a new demand caused by virtual link demands into physical nodes acting as intermediate (hidden) hops in a path of the physical network. Most of the current VNE approaches are centralized. They suffer of scalability issues and provide a single point of failure. In addition, they are not able to embed virtual network requests arriving at the same time in parallel. To solve this challenge, this thesis proposes a distributed, parallel and universal virtual network embedding framework. The proposed framework can be used to run any existing embedding algorithm in a distributed way. Thereby, computational load for embedding multiple virtual networks is spread across the substrate network Energy efficiency is one of the main challenges in future networking environments. Network virtualization can be used to tackle this problem by sharing hardware, instead of requiring dedicated hardware for each instance. Until now, VNE algorithms do not consider energy as a factor for the mapping. This thesis introduces the energy aware VNE where the main objective is to switch off as many network nodes and interfaces as possible by allocating the virtual demands to a consolidated subset of active physical networking equipment. To evaluate and validate the aforementioned VNE proposals, this thesis helped in the development of a software framework called ALgorithms for Embedding VIrtual Networks (ALEVIN). ALEVIN allows to easily implement, evaluate and compare different VNE algorithms according to a set of metrics, which evaluate the algorithms and compute their results on a given scenario for arbitrary parameters