Software Defined Applications in Cellular and Optical Networks

abstract: Small wireless cells have the potential to overcome bottlenecks in wireless access through the sharing of spectrum resources. A novel access backhaul network architecture based on a Smart Gateway (Sm-GW) between the small cell base stations, e.g., LTE eNBs, and the conventional backhaul gateways, e.g., LTE Servicing/Packet Gateways (S/P-GWs) has been introduced to address the bottleneck. The Sm-GW flexibly schedules uplink transmissions for the eNBs. Based on software defined networking (SDN) a management mechanism that allows multiple operator to flexibly inter-operate via multiple Sm-GWs with a multitude of small cells has been proposed. This dissertation also comprehensively survey the studies that examine the SDN paradigm in optical networks. Along with the PHY functional split improvements, the performance of Distributed Converged Cable Access Platform (DCCAP) in the cable architectures especially for the Remote-PHY and Remote-MACPHY nodes has been evaluated. In the PHY functional split, in addition to the re-use of infrastructure with a common FFT module for multiple technologies, a novel cross functional split interaction to cache the repetitive QAM symbols across time at the remote node to reduce the transmission rate requirement of the fronthaul link has been proposed.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Programmable DSP-enabled multi-adaptive optical transceivers based on OFDM technology for software defined networks

The dynamic behavior of the traffic demand, due to the advent of technologies such as cloud services or Internet of Things (IoT), is increasing. In fact, heterogeneous connections with different characteristics (bandwidth or bit rate) are expected that coexist in the optical networks. In this respect, an evolution towards Elastic Optical Networks (EONs) has emerged as a cost-effective, flexible and dynamic solution, to face the new claims. The main idea is the efficient utilization of the optical spectrum by combining flexible transceivers, flexi-grid and flexible optical switching. Including the principles of Software Defined Network (SDN) paradigm further flexibility and adaptability can be achieved. The Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (S-BVT), as a key element in EONs, provides flexibility and adaptability to the optical networks. It is able to dynamically tune the optical bandwidth or bit rate changing parameters such as the modulation format, bandwidth, among others, to find a trade-off between transmission reach and spectral efficiency, serving multiples destinations. The combination of programmable Digital Signal Processing (DSP) modules with advanced transmission techniques based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology using Direct Detection (DD) or COherent (CO) detection are proposed to be implemented at the S-BVT making it suitable for elastic optical metro/regional networks. Furthermore, the envisioned migration from fixed-grid to flexi-grid, can benefit from the use of S-BVTs since they are able to generate or receive multiple channels and slicing the aggregated flow into multiples flows with different capacities and destinations. We propose the use of S-BVTs based on multi-band OFDM systems. In particular, we focus on the theoretical model of an advanced transmission technique based on OFDM technology with DD. Then we evaluate the system for a realistic optical metro network. In the context of flexi-grid optical metro/regional networks, as well as the sliceability of the channels, the reduction of channel width for low bit rate connections can be envisioned. It involves that the signal traverses several nodes with the corresponding filtering elements, causing a substantially decrease and distortion of the signal bandwidth. This phenomenon known as filter narrowing effect has been also studied in this thesis, by simulations and experimentally for an adaptive cost-effective OFDM system using DD and for a standard OOK system. Apart from adaptive, flexible and programmable transceivers, metro optical networks have to be equipped with flexible optical switching systems at the node level. In this respect, we propose the adoption of adaptive S-BVTs based on advanced transmission techniques using DD with Discrete MultiTone (DMT) modulation and adaptive capabilities in combination with Semiconductor Optical Amplier (SOA)-based switching nodes. SOAs can be conveniently used for optical switching in metro networks because of their low cost or low power consumption, among others relevant characteristics. The system has been experimentally analyzed with and without considering filtering elements. Thanks to the combination of adaptive DMT modulation and SOA-based switching nodes, impairments due to the fiber links and the filtering elements can be compensated. Finally, to enhance the tranmission distance and data rate, we propose the combination of multidimensional constellations implemented at the DSP modules of the S-BVT with CO detection and OFDM technology. Thus, the deployed infrastructure is more efficiently exploited since the quadrature and the polarization dimensions are used to transmit the signal. In particular, we focus on CO-OFDM systems using Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) constellation transmitting the signal over the time and the polarization dimensions in the optical domain.El comportamiento dinámico de la demanda de tráfico, debido a la llegada de tecnologías como los servicios en la nube o el Internet of Things (IoT), está aumentando. De hecho, se espera que coexistan en las redes ópticas conexiones heterogéneas con características diferentes, tales como ancho de banda o tasa de bits. Para hacer frente a estas demandas es crucial una evolución de las redes ópticas. En este sentido, las Elastic Optical Networks (EONs) emergen como una solución rentable, flexible y dinámica. La idea principal se basa en la utilización eficiente del espectro óptico mediante la combinación de transceptores flexibles, redes flexibles y conmutación óptica flexible. Una mayor flexibilidad y adaptabilidad se puede conseguir incluyendo los principios del paradigma conocido como Software Defined Network (SDN). La adopción de la arquitectura SDN implica la separación del plano de control y de datos, permitiendo la programabilidad dinámica de la red. Un elemento clave en las EONs es el Sliceable Bandwidth Variable Transceiver (SBVT), ya que provee de flexibilidad y adaptabilidad a las redes ópticas. El S-BVT es capaz de cambiar el ancho de banda o la tasa de bits medicando parámetros como el formato de modulación, el ancho de banda o la codificación de Forward Error Correction (FEC), entre otros, para encontrar un equilibrio entre el alcance de la transmisión y la eficiencia espectral, sirviendo múltiples destinos. La combinación de módulos programables de Digital Signal Processing (DSP) con técnicas de transmisión avanzadas, basadas en la tecnología Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) con detección directa o detección coherente, se han propuesto para ser implementadas en el S-BVT, haciéndolo adecuado para su uso en redes ópticas elásticas metropolitanas y regionales. Además, la migración prevista de las redes fijas a las redes flexibles, con el fin de explotar la granularidad de 12:5 GHz, puede beneficiarse del uso de S-BVTs ya que son capaces de generar y recibir múltiples canales y dividir el flujo agregado en múltiples flujos con diferentes capacidades y destinos. A este respecto, proponemos el uso de S-BVTs basados en señales OFDM multi banda combinadas en el dominio eléctrico con el fin de limitar los recursos optoelectrónicas y relajar los requerimientos de los convertidores digitales analógicos y analógicos digitales. En particular, nos centramos en el modelo teórico de una técnica de transmisión avanzada basada en la tecnología OFDM con detección directa. A continuación, evaluamos el sistema para una red metropolitana óptica realista. En el contexto de redes metropolitanas y regionales flexibles, además de la capacidad de división de los canales, se puede prever una posible reducción del ancho de canal para las conexiones de baja tasa de bits. Esto implica que la señal atraviese varios nodos con los correspondientes elementos filtrantes causando un substancial decremento y distorsión del ancho de banda de la señal. Este fenómeno conocido como el efecto de estrechamiento de filtrado ha sido también estudiado en esta tesis, mediante simulaciones y de manera experimental para un sistema OFDM rentable y adaptativo usando detección directa y un sistema estándar On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detección directa ha resultado ser un buen candidato para aumentar la flexibilidad y la robustez frente a las deficiencias de transmisión sin necesidad de compensar la dispersión. Aparte de los transceptores adaptables, flexibles y programables, las redes ópticas metropolitanas deben estar equipadas con sistemas de conmutación óptica flexible a nivel de nodo. En este sentido, proponemos la adopción de S-BVTs adaptativos basados en técnicas de transmisión avanzadas usando detección directa con modulación Discrete MultiTone (DMT) y capacidades adaptativas, adoptando nodos de conmutación basados en Semiconductor Optical Amplifier (SOA). Los SOAs pueden ser utilizados para la conmutación óptica en redes metropolitanas debido a su bajo coste o bajo consumo de energía, entre otras características relevantes. El sistema ha sido analizado experimentalmente considerando y sin considerar la presencia de elementos filtrantes. Gracias a la combinación de la modulación DMT adaptativa y los nodos de conmutación basados en SOA, las degradaciones debidas a los enlaces de fibra y a los elementos filtrantes se pueden compensar. Finalmente, para mejorar la distancia de transmisión y la tasa de datos, proponemos la combinación de constelaciones multidimensionales implementadas en los módulos DSP del S-BVT utilizando detectaron coherente y la tecnología OFDM. De hecho, los sistemas OFDM coherentes tienen un espacio de señal 4D (dos cuadraturas y dos polarizaciones), que puede ser utilizado con constelaciones multidimensionales, pudiendo éstas ser más eficientes que las convencionales Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). De este modo, la infraestructura desplegada se explota de manera más eficiente, ya que tanto la dimensión de cuadratura como de polarización se utilizan para transmitir la señal. Además, los sistemas OFDM coherentes pueden recuperar la amplitud y la fase de la señal en el receptor, mitigando los efectos de la fibra aumentando, de esta forma, la distancia de transmisión. El sistema OFDM coherente que utiliza el formato de constelación Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) y que transmite la señal a lo largo del tiempo ha demostrado ser una solución prometedora.El comportament dinàmic de la demanda de transit, a causa de l'arribada de tecnologies, com poden ser els serveis al núvol o l'Internet of Things (IoT), està creixent. De fet, s'espera que coexisteixin a les xarxes òptiques connexions heterogènies amb característiques diferents, tal com l'ample de banda o la taxa de bits. Per a fer front a aquestes demandes és crucial una revolució de les xarxes òptiques. En aquest sentit, les Elastic Optical Networks (EONs) emergeixen com una solució rendible, flexible i dinàmica. La idea principal es basa en la utilització eficient de l'espectre òptic mitjançant la combinació de transceptors flexibles, xarxes flexibles i commutació òptica flexible. Una major flexibilitat i adaptabilitat es pot aconseguir incloent els principis del paradigma conegut com a Software Defined Networks (SDN). L’adopció de l'arquitectura SDN implica la separació del plànol de control i de dades permetent la programabilitat de la xarxa d'una forma dinàmica. Un element clau en les EONs és l'Sliceable Bandwith Variable Transceiver (S-BVT), ja que aporta flexibilitat i adaptabilitat a les xarxes òptiques. L' S-BVT és capaç de canviar l'ample de banda o la taxa de bits modificant paràmetres com el format de modulació, l'ample de banda o la codificació del Forward Error Correction (FEC), entre altres, per a trobar un equilibri entre l’assistència assolida i l’eficiència espectral, servint múltiples destinacions. La combinació de mòduls de Digital Signal Processing (DSP) amb tècniques de transmissió avançades basades en la tecnologia Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) i detecció directa o detecció coherent s'han proposat per a ser implementades en l'S-BVT, fent-lo adient per a les xarxes òptiques elàstiques metropolitanes i regionals. A més, la migració prevista des de les xarxes fixes a les xarxes flexibles, amb el fi d'explotar la granuralitat de 12:5GHz, pot beneficiar-se de l’ús d'S-BVTs ja que són capaços de generar i rebre múltiples canals i dividir el flux agregat en múltiples fluxos amb diferents capacitats i destinacions. Per aquest motiu, proposem l’ús d'S-BVTs basats en senyals OFDM multi banda combinats en el domini elèctric amb el fi de limitar els recursos optoelectrònics i relaxar els requeriments dels convertidors digitals analògics i analògics digitals. Particularment, ens centrem en el model teòric d'una tècnica de transmissió avançada basada en la tecnologia OFDM amb detecció directa. A continuació, avaluem el sistema per a una xarxa metropolitana òptica realista. En el context de xarxes metropolitanes i regionals flexibles, a més de la propietat de divisió dels canals, es pot preveure una possible reducció de l'ample de canal per a les connexions de baixa taxa de bits. Això implica que el senyal travessi diversos nodes amb els corresponents elements filtrants causant un substancial decrement i distorsió de l'ample de banda del senyal. Aquest fenomen conegut com l'efecte d'estretament de filtrat ha sigut també estudiat en aquesta tesi, mitjançant simulacions i de manera experimental en el cas d'un sistema OFDM rendible i adaptatiu utilitzant detecció directa i un sistema estàndard On-Off Keying (OOK). El sistema OFDM de detecció directa ha resultat ser un bon candidat per augmentar la flexibilitat i la robustesa front a les deficiències de transmissió sense necessitat de compensar la dispersió. A part dels transceptors adaptables, flexibles i programables, les xarxes òptiques metropolitanes han d'estar equipades amb sistemes de commutació òptica flexible a nivell de node. En aquest sentit, proposem l’adopció d'un S-BVT adaptatiu basat en tècniques de transmissió avançades i utilitzant detecció directa amb modulació Discrete MultiTone (DMT) i capacitats adaptatives, adoptant nodes de comunicació basats en Semi-conductor Optical Amplifier (SOA). Els SOAs poden ser utilitzats per la commutació _òptica en xarxes metropolitanes degut al seu baix cost o baix consum d'energia, entre altres característiques rellevants. El sistema ha sigut analitzat experimentalment considerant i sense considerar la presència d'elements filtrants. Gràcies a la combinació de la modulació DMT adaptativa i dels nodes de commutació basats en SOA, les degradacions degudes als enllaços de fibra i als elements filtrants es poden compensar. Finalment, per a millorar la distància de transmissió i la taxa de dades, proposem la combinació de constel·lacions multidimensionals implementades als mòduls DSP de l'SBVT utilitzant detecció coherent i la tecnologia OFDM. De fet, els sistemes coherents OFDM tenen un espai de senyal 4D (dues quadratures i dues polaritzacions), que pot ser utilitzat amb constel·lacions multidimensionals, arribant a ser més eficients que les modulacions convencionals Binary Phase-Shift Keying (BPSK) o Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). D'aquesta manera, la infraestructura desplegada s'explota de forma més eficient, ja que tant la dimensió de quadratura com de polarització s'utilitzen per transmetre el senyal. A més, els sistemes coherents basats en OFDM poden recuperar l'amplitud i la fase del senyal en el receptor, mitigant els efectes de la fibra i d'aquesta forma augmentant la distància de transmissió. El sistema OFDM coherent que utilitza el format de constel·lació Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying (DPQPSK) i que transmet el senyal al llarg del temps ha demostrat ser una solució prometedora.Postprint (published version

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

Next generation control of transport networks

It is widely understood by telecom operators and industry analysts that bandwidth demand is increasing dramatically, year on year, with typical growth figures of 50% for Internet-based traffic [5]. This trend means that the consumers will have both a wide variety of devices attaching to their networks and a range of high bandwidth service requirements. The corresponding impact is the effect on the traffic engineered network (often referred to as the “transport network”) to ensure that the current rate of growth of network traffic is supported and meets predicted future demands. As traffic demands increase and newer services continuously arise, novel network elements are needed to provide more flexibility, scalability, resilience, and adaptability to today’s transport network. The transport network provides transparent traffic engineered communication of user, application, and device traffic between attached clients (software and hardware) and establishing and maintaining point-to-point or point-to-multipoint connections. The research documented in this thesis was based on three initial research questions posed while performing research at British Telecom research labs and investigating control of transport networks of future transport networks: 1. How can we meet Internet bandwidth growth yet minimise network costs? 2. Which enabling network technologies might be leveraged to control network layers and functions cooperatively, instead of separated network layer and technology control? 3. Is it possible to utilise both centralised and distributed control mechanisms for automation and traffic optimisation? This thesis aims to provide the classification, motivation, invention, and evolution of a next generation control framework for transport networks, and special consideration of delivering broadcast video traffic to UK subscribers. The document outlines pertinent telecoms technology and current art, how requirements I gathered, and research I conducted, and by which the transport control framework functional components are identified and selected, and by which method the architecture was implemented and applied to key research projects requiring next generation control capabilities, both at British Telecom and the wider research community. Finally, in the closing chapters, the thesis outlines the next steps for ongoing research and development of the transport network framework and key areas for further study

On the resource abstraction, partitioning and composition for virtual GMPLS-controlled multi-layer optical networks

Virtual optical networking supports the dynamic provisioning of dedicated networks over the same network infrastructure, which has received a lot of attention by network providers. The stringent network requirements (e.g., Quality of Service -QoS-, Service Level Agreement -SLA-, dynamicity) of the emerging high bandwidth and dynamic applications such as high-definition video streaming (e.g., telepresence, television, remote surgery, etc.), and cloud computing (e.g., real-time data backup, remote desktop, etc.) can be supported by the deployment of dynamic infrastructure services to build ad-hoc Virtual Optical Networks (VON), which is known as Infrastructure as a Service (IaaS). Future Internet should support two separate entities: infrastructure providers (who manage the physical infrastructure) and service providers (who deploy network protocols and offer end-to-end services). Thus, network service providers shall request, on a per-need basis, a dedicated and application-specific VON and have full control over it. Optical network virtualization technologies allow the partitioning/composition of the network infrastructure (i.e., physical optical nodes and links) into independent virtual resources, adopting the same functionality as the physical resource. The composition of these virtual resources (i.e., virtual optical nodes and links) allows the deployment of multiple VONs. A VON must be composed of not only a virtual transport plane but also of a virtual control plane, with the purpose of providing the required independent and full control functionalities (i.e., automated connection provisioning and recovery (protection/restauration), traffic engineering (e.g., QoS, SLA), etc.). This PhD Thesis focuses on optical network virtualization, with three main objectives. The first objective consists on the design, implementation and evaluation of an architecture and the necessary protocols and interfaces for the virtualization of a Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) controlled Wavelength Switched Optical Network (WSON) and the introduction of a resource broker for dynamic virtual GMPLS-controlled WSON infrastructure services, whose task is to dynamically deploy VONs from service provider requests. The introduction of a resource broker implies the need for virtual resource management and allocation algorithms for optimal usage of the shared physical infrastructure. Also, the deployment of independent virtual GMPLS control plane on top of each VON shall be performed by the resource broker. This objective also includes the introduction of optical network virtualization for Elastic Optical Networks (EON). The second objective is to design, implement and experimentally evaluate a system architecture for deploying virtual GMPLS-controlled Multi-Protocol Label Switching Transport Profile (MPLS-TP) networks over a shared WSON. With this purpose, this PhD Thesis also focuses on the design and development of MPLS-TP nodes which are deployed on the WSON of the ADRENALINE Testbed at CTTC premises. Finally, the third objective is the composition of multiple virtual optical networks with heterogeneous control domains (e.g., GMPLS, OpenFlow). A multi-domain resource broker has been designed, implemented and evaluated.La gestió de xarxes òptiques virtuals permet la provisió dinàmica de xarxes dedicades a sobre la mateixa infraestructura de xarxa i ha cridat molt l’atenció als proveïdors de xarxes. Els requisits de xarxa (per exemple la qualitat de servei, els acords de nivell de servei o la dinamicitat) són cada cop més astringents per a les aplicacions emergents d'elevat ample de banda i dinàmiques, que inclouen per exemple la reproducció en temps real de vídeo d'alta definició (telepresència, televisió, telemedicina) i serveis d’informàtica en núvol (còpies de seguretat en temps real, escriptori remot). Aquests requisits poden ser assolits a través del desplegament de serveis de infraestructura dinàmics per construir xarxes òptiques virtuals (VON, en anglès), fet que és conegut com a infraestructura com a servei (IaaS). La internet del futur hauria de suportar dos entitats diferenciades: els proveïdors d'infraestructures (responsables de gestionar la infraestructura física), i els proveïdors de serveis (responsables dels protocols de xarxa i d'oferir els serveis finals). D'aquesta forma els proveïdors de serveis podrien sol•licitar i gestionar en funció de les necessitats xarxes òptiques virtuals dedicades i específiques per les aplicacions. Les tecnologies de virtualització de xarxes òptiques virtuals permeten la partició i composició de infraestructura de xarxa (nodes i enllaços òptics) en recursos virtuals independents que adopten les mateixes funcionalitats que els recursos físics. La composició d'aquests recursos virtuals (nodes i enllaços òptics virtuals) permet el desplegament de múltiples VONs. Una VON no sols està composada per un pla de transport virtual, sinó també per un pla de control virtual, amb l'objectiu d'incorporar les funcionalitats necessàries a la VON (provisió de connexions automàtiques i recuperació (protecció/restauració), enginyeria de tràfic, etc.). Aquesta tesis es centra en la virtualització de xarxes òptiques amb tres objectius principals. El primer objectiu consisteix en el disseny, implementació i avaluació de l'arquitectura i els protocols i interfícies necessaris per la virtualització de xarxes encaminades a través de la longitud d'ona i controlades per GMPLS. També inclou la introducció d'un gestor de recursos per desplegar xarxes òptiques virtuals de forma dinàmica. La introducció d'aquest gestor de recursos implica la necessitat d'una gestió dels recursos virtuals i d’algoritmes d’assignació de recursos per a la utilització òptima dels recursos físics. A més el gestor de recursos ha de ser capaç del desplegament dels recursos assignats, incloent un pla de control GMPLS virtual independent per a cada VON desplegada. Finalment, aquest objectiu inclou la introducció de mecanismes de virtualització per a xarxes elàstiques òptiques (EON, en anglès). El segon objectiu és el disseny, la implementació i l’avaluació experimental d'una arquitectura de sistema per oferir xarxes MPLS-TP virtuals controlades per GMPLS sobre una infraestructura i WSON compartida. Per això, aquesta tesis també es centra en el disseny i desenvolupament d'un node MPLS-TP que ha estat desplegat al demostrador ADRENALINE, al CTTC. Finalment, el tercer objectiu és la composició de múltiples xarxes òptiques virtuals en dominis de control heterogenis (GMPLS i OpenFlow). Un gestor de recursos multi-domini ha estat dissenyat, implementat i avaluat.La gestión de redes ópticas virtuales permite la provisión dinámica de redes dedicadas encima la misma infraestructura de red y ha llamado mucho la atención a los proveedores de redes. Los requisitos de red (por ejemplo la calidad de servicio, los acuerdos de nivel de servicio o la dinamicidad) son cada vez más estringentes para las aplicaciones emergentes de elevado ancho de banda y dinámicas, que incluyen por ejemplo la reproducción en tiempo real de vídeo de alta definición (telepresencia, televisión, telemedicina) y servicios de computación en la nube (copias de seguridad en tiempo real, escritorio remoto). Estos requisitos pueden ser logrados a través del despliegue de servicios de infraestructura dinámicos para construir redes ópticas virtuales (VON, en inglés), hecho que es conocido como infraestructura como servicio (IaaS). La internet del futuro tendrá que soportar dos entidades diferenciadas: los proveedores de infraestructuras (responsables de gestionar la infraestructura física), y los proveedores de servicios (responsables de los protocolos de red y de ofrecer los servicios finales). De esta forma los proveedores de servicios podrán solicitar y gestionar en función de las necesitados redes ópticas virtuales dedicadas y específicas por las aplicaciones. Las tecnologías de virtualización de redes ópticas virtuales permiten la partición y composición de infraestructura de red (nodos y enlaces ópticos) en recursos virtuales independientes que adoptan las mismas funcionalidades que los recursos físicos. La composición de estos recursos virtuales (nodos y enlaces ópticos virtuales) permite el despliegue de múltiples VONs. Una VON no sólo está compuesta por un plan de transporte virtual, sino también por un plan de control virtual, con el objetivo de incorporar las funcionalidades necesarias a la VON (provisión de conexiones automáticas y recuperación (protección/restauración), ingeniería de tráfico, etc.). Esta tesis se centra en la virtualización de redes ópticas con tres objetivos principales. El primer objetivo consiste en el diseño, implementación y evaluación de la arquitectura y los protocolos e interfaces necesarios por la virtualización de redes encaminadas a través de la longitud de ola y controladas por GMPLS. También incluye la introducción de un gestor de recursos para desplegar redes ópticas virtuales de forma dinámica. La introducción de este gestor de recursos implica la necesidad de una gestión de los recursos virtuales y de algoritmos de asignación de recursos para la utilización óptima de los recursos físicos. Además el gestor de recursos tiene que ser capaz del despliegue de los recursos asignados, incluyendo un plan de control GMPLS virtual independiente para cada VON desplegada. Finalmente, este objetivo incluye la introducción de mecanismos de virtualización para redes elásticas ópticas (EON, en inglés). El segundo objetivo es el diseño, la implementación y la evaluación experimental de una arquitectura de sistema para ofrecer redes MPLS-TP virtuales controladas por GMPLS sobre una infraestructura WSON compartida. Por eso, esta tesis también se centra en el diseño y desarrollo de un nodo MPLS-TP que ha sido desplegado al demostrador ADRENALINE, en el CTTC. Finalmente, el tercer objetivo es la composición de múltiples redes ópticas virtuales en dominios de control heterogéneos (GMPLS y OpenFlow). Un gestor de recursos multi-dominio ha sido diseñado, implementado y evaluado

Network Infrastructures for Highly Distributed Cloud-Computing

Software-Defined-Network (SDN) is emerging as a solid opportunity for the Network Service Providers (NSP) to reduce costs while at the same time providing better and/or new services. The possibility to flexibly manage and configure highly-available and scalable network services through data model abstractions and easy-to-consume APIs is attractive and the adoption of such technologies is gaining momentum. At the same time, NSPs are planning to innovate their infrastructures through a process of network softwarisation and programmability. The SDN paradigm aims at improving the design, configuration, maintenance and service provisioning agility of the network through a centralised software control. This can be easily achievable in local area networks, typical of data-centers, where the benefits of having programmable access to the entire network is not restricted by latency between the network devices and the SDN controller which is reasonably located in the same LAN of the data path nodes. In Wide Area Networks (WAN), instead, a centralised control plane limits the speed of responsiveness in reaction to time-constrained network events due to unavoidable latencies caused by physical distances. Moreover, an end-to-end control shall involve the participation of multiple, domain-specific, controllers: access devices, data-center fabrics and backbone networks have very different characteristics and their control-plane could hardly coexist in a single centralised entity, unless of very complex solutions which inevitably lead to software bugs, inconsistent states and performance issues. In recent years, the idea to exploit SDN for WAN infrastructures to connect multiple sites together has spread in both the scientific community and the industry. The former has produced interesting results in terms of framework proposals, complexity and performance analysis for network resource allocation schemes and open-source proof of concept prototypes targeting SDN architectures spanning multiple technological and administrative domains. On the other hand, much of the work still remains confined to the academy mainly because based on pure Openflow prototype implementation, networks emulated on a single general-purpose machine or on simulations proving algorithms effectiveness. The industry has made SDN a reality via closed-source systems, running on single administrative domain networks with little if no diversification of access and backbone devices. In this dissertation we present our contributions to the design and the implementation of SDN architectures for the control plane of WAN infrastructures. In particular, we studied and prototyped two SDN platforms to build a programmable, intent-based, control-plane suitable for the today highly distributed cloud infrastructures. Our main contributions are: (i) an holistic and architectural description of a distributed SDN control-plane for end-end QoS provisioning; we compare the legacy IntServ RSVP protocol with a novel approach for prioritising application-sensitive flows via centralised vantage points. It is based on a peer-to-peer architecture and could so be suitable for the inter-authoritative domains scenario. (ii) An open-source platform based on a two-layer hierarchy of network controllers designed to provision end-to-end connectivity in real networks composed by heterogeneous devices and links within a single authoritative domain. This platform has been integrated in CORD, an open-source project whose goal is to bring data-center economics and cloud agility to the NSP central office infrastructures, combining NFV (Network Function Virtualization), SDN and the elasticity of commodity clouds. Our platform enables the provisioning of connectivity services between multiple CORD sites, up to the customer premises. Thus our system and software contributions in SDN has been combined with a NFV infrastructure for network service automation and orchestration

Network service orchestration standardization:a technology survey

Network services underpin operator revenues, and value-added services provide income beyond core (voice and data) infrastructure capability. Today, operators face multiple challenges: a need to innovate and offer a wider choice of value-added services, whilst increasing network scale, bandwidth and flexibility. They must also reduce operational costs, and deploy services far faster - in minutes rather than days or weeks. In the recent years, the network community, motivated by the aforementioned challenges, has developed production network architectures and seeded technologies, like Software Defined Networking, Application-based Network Operations and Network Function Virtualization. These technologies enhance the highly desired properties for elasticity, agility and cost-effectiveness in the operator environment. A key requirement to fully exploit the benefits of these new architectures and technologies is a fundamental shift in management and control of resources, and the ability to orchestrate the network infrastructure: coordinate the instantiation of high-level network services across different technological domains and automate service deployment and re-optimization. This paper surveys existing standardization efforts for the orchestration - automation, coordination, and management - of complex set of network and function resources (both physical and virtual), and highlights the various enabling technologies, strengths and weaknesses, adoption challenges for operators, and areas where further research is required

A framework for Traffic Engineering in software-defined networks with advance reservation capabilities

298 p.En esta tesis doctoral se presenta una arquitectura software para facilitar la introducción de técnicas de ingeniería de tráfico en redes definidas por software. La arquitectura ha sido diseñada de forma modular, de manera que soporte múltiples casos de uso, incluyendo su aplicación en redes académicas. Cabe destacar que las redes académicas se caracterizan por proporcionar servicios de alta disponibilidad, por lo que la utilización de técnicas de ingeniería de tráfico es de vital importancia a fin de garantizar la prestación del servicio en los términos acordados. Uno de los servicios típicamente prestados por las redes académicas es el establecimiento de circuitos extremo a extremo con una duración determinada en la que una serie de recursos de red estén garantizados, conocido como ancho de banda bajo demanda, el cual constituye uno de los casos de uso en ingeniería de tráfico más desafiantes. Como consecuencia, y dado que esta tesis doctoral ha sido co-financiada por la red académica GÉANT, la arquitectura incluye soporte para servicios de reserva avanzada. La solución consiste en una gestión de los recursos de red en función del tiempo, la cual mediante el empleo de estructuras de datos y algoritmos específicamente diseñados persigue la mejora de la utilización de los recursos de red a la hora de prestar este tipo de servicios. La solución ha sido validada teniendo en cuenta los requisitos funcionales y de rendimiento planteados por la red GÉANT. Así mismo, cabe destacar que la solución será utilizada en el despliegue piloto del nuevo servicio de ancho de banda bajo demanda de la red GÉANT a finales del 2017

Spectrum Sharing, Latency, and Security in 5G Networks with Application to IoT and Smart Grid

The surge of mobile devices, such as smartphones, and tables, demands additional capacity. On the other hand, Internet-of-Things (IoT) and smart grid, which connects numerous sensors, devices, and machines require ubiquitous connectivity and data security. Additionally, some use cases, such as automated manufacturing process, automated transportation, and smart grid, require latency as low as 1 ms, and reliability as high as 99.99\%. To enhance throughput and support massive connectivity, sharing of the unlicensed spectrum (3.5 GHz, 5GHz, and mmWave) is a potential solution. On the other hand, to address the latency, drastic changes in the network architecture is required. The fifth generation (5G) cellular networks will embrace the spectrum sharing and network architecture modifications to address the throughput enhancement, massive connectivity, and low latency. To utilize the unlicensed spectrum, we propose a fixed duty cycle based coexistence of LTE and WiFi, in which the duty cycle of LTE transmission can be adjusted based on the amount of data. In the second approach, a multi-arm bandit learning based coexistence of LTE and WiFi has been developed. The duty cycle of transmission and downlink power are adapted through the exploration and exploitation. This approach improves the aggregated capacity by 33\%, along with cell edge and energy efficiency enhancement. We also investigate the performance of LTE and ZigBee coexistence using smart grid as a scenario. In case of low latency, we summarize the existing works into three domains in the context of 5G networks: core, radio and caching networks. Along with this, fundamental constraints for achieving low latency are identified followed by a general overview of exemplary 5G networks. Besides that, a loop-free, low latency and local-decision based routing protocol is derived in the context of smart grid. This approach ensures low latency and reliable data communication for stationary devices. To address data security in wireless communication, we introduce a geo-location based data encryption, along with node authentication by k-nearest neighbor algorithm. In the second approach, node authentication by the support vector machine, along with public-private key management, is proposed. Both approaches ensure data security without increasing the packet overhead compared to the existing approaches