Design and experimental validation of a software-defined radio access network testbed with slicing support

Network slicing is a fundamental feature of 5G systems to partition a single network into a number of segregated logical networks, each optimized for a particular type of service or dedicated to a particular customer or application. The realization of network slicing is particularly challenging in the Radio Access Network (RAN) part, where multiple slices can be multiplexed over the same radio channel and Radio Resource Management (RRM) functions shall be used to split the cell radio resources and achieve the expected behaviour per slice. In this context, this paper describes the key design and implementation aspects of a Software-Defined RAN (SD-RAN) experimental testbed with slicing support. The testbed has been designed consistently with the slicing capabilities and related management framework established by 3GPP in Release 15. The testbed is used to demonstrate the provisioning of RAN slices (e.g., preparation, commissioning, and activation phases) and the operation of the implemented RRM functionality for slice-aware admission control and scheduling.Peer ReviewedPostprint (published version

Improvements to multimedia content delivery over IEEE 802.11 networks

El avance de las tecnologías inalámbricas y la tendencia a estar permanentemente conectados han convertido las comunicaciones inalámbricas en un aspecto fundamental en nuestra vida diaria. En los últimos años se ha producido una explosión de contenidos multimedia en alta definición y un cambio en los patrones de consumo de los usuarios, que cada vez más tienden al uso de dispositivos móviles, habitualmente equipados con interfaces IEEE 802.11. Este hecho, unido a la simplicidad, bajo coste y soporte multimedia del estándar IEEE 802.11, han llevado a las redes Wi-Fi a imponerse en el mercado y han abierto nuevos desafíos para mejorar el rendimiento y la experiencia del usuario. El éxito de plataformas como Netflix y Youtube ha aumentado la popularidad de la distribución de contenidos multimedia. Sin embargo, el estándar IEEE 802.11 no fue originalmente diseñado para soportar servicios de voz y vídeo. Estos servicios poseen importantes requisitos en términos de rendimiento, latencia y retraso, ya que su tratamiento inadecuado puede degradar en gran medida la calidad percibida por los usuarios. Por ello, es necesario disponer de mecanismos de calidad de servicio o Quality of Service (QoS). La enmienda IEEE 802.11e introdujo características de diferenciación de tipos de tráfico mediante la función de acceso al canal conocida como Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), capaz de clasificar y priorizar el tráfico de la red. A pesar de los beneficios introducidos por esta enmienda, el rendimiento de las transmisiones en tiempo real no es el esperado, especialmente a medida que la carga de la red aumenta y entran en juego aspectos de movilidad y escalabilidad. Los problemas de QoS en redes Wi-Fi aparecen igualmente debido la interferencia producida entre distintos puntos de acceso. A pesar de que el uso del espectro inalámbrico sin licencia facilita en gran medida la instalación de estas redes, este hecho las hace especialmente vulnerables a sufrir interferencias, un gran número de colisiones e importantes pérdidas de rendimiento. Además, especialmente en despliegues a gran escala, la distribución inapropiada de los usuarios sobre los puntos de acceso contribuye a sobrecargar algunas partes de la red mientras que otras se encuentran ociosas. Como consecuencia, la asignación ineficiente de recursos genera problemas de colisiones y afecta en gran medida la experiencia de los usuarios. Las dificultades para proporcionar soporte de QoS se intensifican en el caso del tráfico multicast. Este tipo de transmisión proporciona un método de comunicación eficiente cuando los contenidos deben distribuirse de forma simultánea a varios usuarios, como es el caso de eventos sociales y deportivos, conferencias y cursos educativos. No obstante, el tráfico multicast en redes 802.11 posee serios problemas de fiabilidad y escalabilidad debido a la falta de confirmaciones y retransmisiones de paquetes. Por ello, el estándar recomienda el uso de la tasa básica de transmisión, aumentando así el tiempo que el medio inalámbrico permanece ocupado. Para solventar estos problemas, la enmienda IEEE 802.11aa presenta un grupo de políticas de retransmisión con el objetivo de aportar una mayor robustez a las transmisiones de voz y vídeo en modo multicast. A pesar de ello, la adaptación de la velocidad de transmisión y los problemas de escalabilidad continúan siendo cuestiones sin resolver. Solucionar las deficiencias presentadas anteriormente requiere la introducción de nuevos esquemas de mejora. Sin embargo, la rigidez de la arquitectura tradicional de red, el aumento del tamaño de las mismas y la integración de dispositivos de distintos fabricantes dificultan esta tarea. El concepto de Software Defined Networking (SDN) ha surgido recientemente como un nuevo paradigma capaz de proporcionar una abstracción del hardware de la red y de separar su funcionamiento entre el plano de control y el plano de datos. En este sentido, la introducción de abstracciones de programación de alto nivel permite desplazar gran parte de la lógica de la red hacia un controlador central y simplificar la introducción de nuevos esquemas de mejora. Esta Tesis Doctoral propone mejorar el rendimiento de la distribución de contenidos multimedia sobre redes IEEE 802.11. Por un lado, las técnicas de minería de datos y machine learning resultan clave en la búsqueda de patrones de tráfico para identificar los parámetros más determinantes en el rendimiento y el nivel de QoS de las aplicaciones de voz y vídeo. Por otro lado, el enfoque basado en SDN permite disponer de una visión global de la red a través del controlador central, y que se emplea para realizar una gestión eficiente de los recursos y mejorar el rendimiento de los servicios multicast. Para solventar las problemáticas anteriores, en esta Tesis Doctoral se emplean tres enfoques destinados a mejorar distintos aspectos de la transmisión de las aplicaciones multimedia. En primer lugar, se pretende aumentar el nivel de QoS mediante la mejora de las capacidades ofrecidas por EDCA. Con este fin, se emplean técnicas de machine learning para diseñar un esquema de predicción dinámico de los parámetros de acceso al medio. No obstante, a pesar de los resultados alcanzados y debido a la dificultad para introducir nuevos mecanismos en la capa MAC, todavía existe margen de mejora en términos de rendimiento y reducción de colisiones. El segundo pilar de esta Tesis se basa en el paradigma SDN para mejorar el uso de los recursos de la red mediante la asignación inteligente de los canales inalámbricos y la distribución dinámica del tráfico entre los puntos de acceso de la red. La última parte pretende solventar las deficiencias encontradas en las transmisiones multimedia en modo multicast. Para ello, y análogamente al caso anterior, se propone un nuevo enfoque basado en SDN que permite adaptar el caudal de transmisión en multicast. Tomando esto como base, se propone un nuevo esquema capaz de garantizar la movilidad transparente de los usuarios entre los puntos de acceso y adaptar el caudal de transmisión en modo multicast. Por último, se plantea un algoritmo que permite asegurar la gestión eficiente de aplicaciones multicast simultáneas

Un nuevo enfoque para la adaptación de caudal en transmisiones multicast en SDWN

En los últimos años, la distribución de contenido multimedia en redes inalámbricas está sufriendo un gran auge, siendo el estándar IEEE 802.11 uno de los más utilizados. Debido a la naturaleza del canal, todos los paquetes transmitidos deben ser confirmados, a excepción de las comunicaciones multicast. Bajo este estándar las transmisiones en modo multicast se realizan mediante un procedimiento de broadcast en el que el emisor no espera la confirmación de los paquetes. Esta falta de feedback hace que la información deba ser enviada a una velocidad básica y que los paquetes erróneos no puedan ser recuperados. Para solucionar estas limitaciones, la enmienda IEEE 802.11aa incorpora un conjunto de propuestas para el tráfico multicast. A pesar de mejorar las prestaciones del estándar original, se ha demostrado que estos esquemas sufren numerosas limitaciones. En este trabajo se muestra una arquitectura basada en SDN (Software Defined Networks) para la mejora de las comunicaciones en modo multicast en redes IEEE 802.11. En dicha arquitectura se pretende dar soporte para adaptar la velocidad de envío del tráfico multicast a las condiciones del canal, optimizando así la utilización del medio inalámbrico y mejorando el rendimiento de la red

Design and experimental validation of a software-defined radio access network testbed with slicing support

Network slicing is a fundamental feature of 5G systems to partition a single network into a number of segregated logical networks, each optimized for a particular type of service or dedicated to a particular customer or application. The realization of network slicing is particularly challenging in the Radio Access Network (RAN) part, where multiple slices can be multiplexed over the same radio channel and Radio Resource Management (RRM) functions shall be used to split the cell radio resources and achieve the expected behaviour per slice. In this context, this paper describes the key design and implementation aspects of a Software-Defined RAN (SD-RAN) experimental testbed with slicing support. The testbed has been designed consistently with the slicing capabilities and related management framework established by 3GPP in Release 15. The testbed is used to demonstrate the provisioning of RAN slices (e.g., preparation, commissioning, and activation phases) and the operation of the implemented RRM functionality for slice-aware admission control and scheduling.Peer Reviewe