Radio resource management techniques for QoS provision in 5G networks

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2017-2018. Àmbit d’Enginyeria de les TICAs numerous mobile applications and over-the-top (OTT) services emerge and mobile Internet connectivity becomes ubiquitous, the provision of high quality of service (QoS) is more challenging for mobile network operators (MNOs). Research efforts focus on the development of innovative resource management techniques and have introduced the long term evolution advanced (LTE-A) communication standard. Novel business models make the growth of network capacity sustainable by enabling MNOs to combine their resources. The fifth generation (5G) mobile networks will involve technologies and business stakeholders with different capabilities and demands that may affect the QoS provision, requiring efficient radio resource sharing. The need for higher network capacity has introduced novel technologies that improve resource allocation efficiency. Direct connectivity among user equipment terminals (UEs) circumventing the LTE-A infrastructure alleviates the network overload. Part of mobile traffic is offloaded to outband device-to-device (D2D) connections (in unlicensed spectrum) enabling data exchange between UEs directly or via UEs-relays. Still, MNOs need additional spectrum resources and infrastructure. The inter-operator network sharing concept has emerged motivating the adoption of virtualization that enables network slicing, i.e., dynamic separation of resources in virtual slices (VSs). VSs are managed in isolation by different tenants using software defined networking and encompass core and radio access network resources allocated periodically to UEs. When UEs access OTT applications, flows with different QoS demands and priorities determined by OTT service providers (OSPs) are generated. OSPs’ policies should be considered in VS allocation. The coexisting technologies, business models and stakeholders require sophisticated radio resource management (RRM) techniques. To that end, RRM is performed in a complex ecosystem. When D2D communication involves data concurrently downloaded by the mobile network, QoS may be affected by LTE-A network parameters (resource scheduling policy, downlink channel conditions). It is also affected by the relay selection, as UEs may not be willing to help unknown UE pairs and UEs’ social ties in mobile applications may influence willingness for D2D cooperation. Thus, effective medium access control (MAC) mechanisms should coordinate D2D transmissions employing advanced techniques, e.g., network coding (NC). When UEs access OTT applications, OSPs’ policies are not considered by MNOs in RRM and OSPs cannot apply flow prioritization. Network neutrality issues also arise when OSPs claim resources from MNOs aiming to minimize grade of service (GoS). OSPs’ intervention may delay flows’ accommodation due to the time required for OSP-MNO interaction and the time the flows spent waiting for resources. This thesis proposes novel solutions to the RRM issues of outband D2D communication and VS allocation for OSPs in 5G networks. We present a cooperative D2D MAC protocol that leverages the opportunities for NC in D2D communication under the influence of LTE-A network parameters and its throughput performance analysis. The protocol improves D2D throughput and energy efficiency, especially for UEs with better downlink channel conditions. We next introduce social awareness in D2D MAC design and present a social-aware cooperative D2D MAC protocol that employs UEs’ social ties to promote the use of friendly relays reducing the total energy consumption. Motivated by the lack of approaches for OSP-oriented RRM, we present a novel flow prioritization algorithm based on matching theory that applies OSPs’ policies respecting the network neutrality and the analysis of its GoS and delay performance. The algorithm maintains low overhead and delay without affecting fairness among OSPs. Our techniques highlight the QoS improvement induced by the joint consideration of different technologies and business stakeholders in RRM design.A medida que varias aplicaciones móviles y servicios over-the-top (OTT) surgen y el Internet móvil se vuelve ubicua, la prestación de alta calidad de servicio (QoS) es desafiante para los operadores de red móvil (MNOs). Los estudios de investigación se enfocan en técnicas innovadoras para la gestión de recursos de red y han resultado en la especificación del estándar de comunicación long term evolution advanced (LTE-A). Modelos comerciales nuevos hacen que el crecimiento de la capacidad de red sea sostenible al permitir que MNOs combinen sus recursos. La quinta generación (5G) de redes móviles implicará tecnologías y partes comerciales interesadas con varias habilidades y demandas que pueden afectar la provisión de QoS y demandan la gestión eficaz de recursos de radio. La necesidad de capacidad de red más alta ha introducido tecnologías que hacen más eficiente la asignación de recursos. La conectividad directa entre terminales de equipos de usuarios (UEs) eludiendo la infraestructura LTE-A alivia la sobrecarga de red. Parte del tráfico es dirigido a conexiones de dispositivo a dispositivo (D2D) outband permitiendo la comunicación de UEs directamente o con relés. Los MNOs necesitan nuevos recursos de espectro e infraestructura. El intercambio de recursos entre MNOs ha surgido motivando la adopción de virtualización que realiza la segmentación de red i.e., la separación dinámica de recursos en trozos virtuales (VSs). Los VSs son administrados de forma aislada por inquilinos diferentes con software defined networking y abarcan recursos de red core y radio access asignadas periódicamente a UEs. Cuando UEs usan aplicaciones OTT, flujos de aplicación con demandas y prioridades definidas por proveedores de servicios OTT (OSPs) se generan. Las políticas de OSPs deben ser integradas en la asignación de VSs. La coexistencia de varias tecnologías y partes comerciales demanda técnicas sofisticadas de gestión de recursos radio (RRM). Con ese fin, la RRM se realiza en un ecosistema complejo. Si la comunicación D2D involucra datos descargados simultáneamente por la red móvil, los parámetros de red LTE-A (política de scheduling de recursos, condiciones de canal downlink) afectan el QoS. La selección de relés afecta el rendimiento porque los UEs no desean siempre ayudar a UEs desconocidos. Las relaciones sociales de los UEs en aplicaciones móviles pueden determinar la voluntad para la comunicación cooperativa D2D. Por lo tanto, mecanismos de control de acceso al medio (MAC) deben coordinar las transmisiones D2D con técnicas avanzadas ej., codificación de red. Si los UEs usan servicios OTT, las políticas de OSPs no son consideradas en RRM y los OSPs no emplean flujos prioritarios. Problemas de neutralidad de red surgen cuando los OSPs reclaman recursos de MNOs para minimizar el grado de servicio (GoS). La intervención de OSPs puede causar retraso en el servicio de flujos debido a la interacción OSP-MNO y el tiempo requerido para que los flujos reciban recursos. Esta tesis presenta soluciones nuevas para los problemas RRM de comunicación D2D outband y asignación de VSs a OSPs en redes 5G. Proponemos un protocolo D2D MAC cooperativo que explota las oportunidades de NC bajo la influencia de parámetros de red LTE-A y su análisis de rendimiento. El protocolo mejora el rendimiento y la eficiencia energética especialmente para UEs con mejores condiciones de canal downlink. Introducimos la conciencia social en el D2D MAC y proponemos un protocolo que utiliza relaciones sociales de UEs para elegir relés-amigos y reduce el consumo de energía. Dada la falta de técnicas que aborden el problema RRM de OSPs presentamos un algoritmo que aplique políticas de OSPs y respete la neutralidad usando la teoría de matching, y su análisis de GoS y retraso. El algoritmo induce bajo coste y retraso sin afectar la imparcialidad entre OSPs. Estas técnicas demuestran la mejora de QoS gracias a la consideración de tecnologas y partes comerciales diferentes en RRM.Award-winningPostprint (published version

Radio resource management techniques for QoS provision in 5G networks

As numerous mobile applications and over-the-top (OTT) services emerge and mobile Internet connectivity becomes ubiquitous, the provision of high quality of service (QoS) is more challenging for mobile network operators (MNOs). Research efforts focus on the development of innovative resource management techniques and have introduced the long term evolution advanced (LTE-A) communication standard. Novel business models make the growth of network capacity sustainable by enabling MNOs to combine their resources. The fifth generation (5G) mobile networks will involve technologies and business stakeholders with different capabilities and demands that may affect the QoS provision, requiring efficient radio resource sharing. The need for higher network capacity has introduced novel technologies that improve resource allocation efficiency. Direct connectivity among user equipment terminals (UEs) circumventing the LTE-A infrastructure alleviates the network overload. Part of mobile traffic is offloaded to outband device-to-device (D2D) connections (in unlicensed spectrum) enabling data exchange between UEs directly or via UEs-relays. Still, MNOs need additional spectrum resources and infrastructure. The inter-operator network sharing concept has emerged motivating the adoption of virtualization that enables network slicing, i.e., dynamic separation of resources in virtual slices (VSs). VSs are managed in isolation by different tenants using software defined networking and encompass core and radio access network resources allocated periodically to UEs. When UEs access OTT applications, flows with different QoS demands and priorities determined by OTT service providers (OSPs) are generated. OSPs’ policies should be considered in VS allocation. The coexisting technologies, business models and stakeholders require sophisticated radio resource management (RRM) techniques. To that end, RRM is performed in a complex ecosystem. When D2D communication involves data concurrently downloaded by the mobile network, QoS may be affected by LTE-A network parameters (resource scheduling policy, downlink channel conditions). It is also affected by the relay selection, as UEs may not be willing to help unknown UE pairs and UEs’ social ties in mobile applications may influence willingness for D2D cooperation. Thus, effective medium access control (MAC) mechanisms should coordinate D2D transmissions employing advanced techniques, e.g., network coding (NC). When UEs access OTT applications, OSPs’ policies are not considered by MNOs in RRM and OSPs cannot apply flow prioritization. Network neutrality issues also arise when OSPs claim resources from MNOs aiming to minimize grade of service (GoS). OSPs’ intervention may delay flows’ accommodation due to the time required for OSP-MNO interaction and the time the flows spent waiting for resources. This thesis proposes novel solutions to the RRM issues of outband D2D communication and VS allocation for OSPs in 5G networks. We present a cooperative D2D MAC protocol that leverages the opportunities for NC in D2D communication under the influence of LTE-A network parameters and its throughput performance analysis. The protocol improves D2D throughput and energy efficiency, especially for UEs with better downlink channel conditions. We next introduce social awareness in D2D MAC design and present a social-aware cooperative D2D MAC protocol that employs UEs’ social ties to promote the use of friendly relays reducing the total energy consumption. Motivated by the lack of approaches for OSP-oriented RRM, we present a novel flow prioritization algorithm based on matching theory that applies OSPs’ policies respecting the network neutrality and the analysis of its GoS and delay performance. The algorithm maintains low overhead and delay without affecting fairness among OSPs. Our techniques highlight the QoS improvement induced by the joint consideration of different technologies and business stakeholders in RRM design.A medida que varias aplicaciones móviles y servicios over-the-top (OTT) surgen y el Internet móvil se vuelve ubicua, la prestación de alta calidad de servicio (QoS) es desafiante para los operadores de red móvil (MNOs). Los estudios de investigación se enfocan en técnicas innovadoras para la gestión de recursos de red y han resultado en la especificación del estándar de comunicación long term evolution advanced (LTE-A). Modelos comerciales nuevos hacen que el crecimiento de la capacidad de red sea sostenible al permitir que MNOs combinen sus recursos. La quinta generación (5G) de redes móviles implicará tecnologías y partes comerciales interesadas con varias habilidades y demandas que pueden afectar la provisión de QoS y demandan la gestión eficaz de recursos de radio. La necesidad de capacidad de red más alta ha introducido tecnologías que hacen más eficiente la asignación de recursos. La conectividad directa entre terminales de equipos de usuarios (UEs) eludiendo la infraestructura LTE-A alivia la sobrecarga de red. Parte del tráfico es dirigido a conexiones de dispositivo a dispositivo (D2D) outband permitiendo la comunicación de UEs directamente o con relés. Los MNOs necesitan nuevos recursos de espectro e infraestructura. El intercambio de recursos entre MNOs ha surgido motivando la adopción de virtualización que realiza la segmentación de red i.e., la separación dinámica de recursos en trozos virtuales (VSs). Los VSs son administrados de forma aislada por inquilinos diferentes con software defined networking y abarcan recursos de red core y radio access asignadas periódicamente a UEs. Cuando UEs usan aplicaciones OTT, flujos de aplicación con demandas y prioridades definidas por proveedores de servicios OTT (OSPs) se generan. Las políticas de OSPs deben ser integradas en la asignación de VSs. La coexistencia de varias tecnologías y partes comerciales demanda técnicas sofisticadas de gestión de recursos radio (RRM). Con ese fin, la RRM se realiza en un ecosistema complejo. Si la comunicación D2D involucra datos descargados simultáneamente por la red móvil, los parámetros de red LTE-A (política de scheduling de recursos, condiciones de canal downlink) afectan el QoS. La selección de relés afecta el rendimiento porque los UEs no desean siempre ayudar a UEs desconocidos. Las relaciones sociales de los UEs en aplicaciones móviles pueden determinar la voluntad para la comunicación cooperativa D2D. Por lo tanto, mecanismos de control de acceso al medio (MAC) deben coordinar las transmisiones D2D con técnicas avanzadas ej., codificación de red. Si los UEs usan servicios OTT, las políticas de OSPs no son consideradas en RRM y los OSPs no emplean flujos prioritarios. Problemas de neutralidad de red surgen cuando los OSPs reclaman recursos de MNOs para minimizar el grado de servicio (GoS). La intervención de OSPs puede causar retraso en el servicio de flujos debido a la interacción OSP-MNO y el tiempo requerido para que los flujos reciban recursos. Esta tesis presenta soluciones nuevas para los problemas RRM de comunicación D2D outband y asignación de VSs a OSPs en redes 5G. Proponemos un protocolo D2D MAC cooperativo que explota las oportunidades de NC bajo la influencia de parámetros de red LTE-A y su análisis de rendimiento. El protocolo mejora el rendimiento y la eficiencia energética especialmente para UEs con mejores condiciones de canal downlink. Introducimos la conciencia social en el D2D MAC y proponemos un protocolo que utiliza relaciones sociales de UEs para elegir relés-amigos y reduce el consumo de energía. Dada la falta de técnicas que aborden el problema RRM de OSPs presentamos un algoritmo que aplique políticas de OSPs y respete la neutralidad usando la teoría de matching, y su análisis de GoS y retraso. El algoritmo induce bajo coste y retraso sin afectar la imparcialidad entre OSPs. Estas técnicas demuestran la mejora de QoS gracias a la consideración de tecnologas y partes comerciales diferentes en RRM

Radio resource management techniques for QoS provision in 5G networks

As numerous mobile applications and over-the-top (OTT) services emerge and mobile Internet connectivity becomes ubiquitous, the provision of high quality of service (QoS) is more challenging for mobile network operators (MNOs). Research efforts focus on the development of innovative resource management techniques and have introduced the long term evolution advanced (LTE-A) communication standard. Novel business models make the growth of network capacity sustainable by enabling MNOs to combine their resources. The fifth generation (5G) mobile networks will involve technologies and business stakeholders with different capabilities and demands that may affect the QoS provision, requiring efficient radio resource sharing. The need for higher network capacity has introduced novel technologies that improve resource allocation efficiency. Direct connectivity among user equipment terminals (UEs) circumventing the LTE-A infrastructure alleviates the network overload. Part of mobile traffic is offloaded to outband device-to-device (D2D) connections (in unlicensed spectrum) enabling data exchange between UEs directly or via UEs-relays. Still, MNOs need additional spectrum resources and infrastructure. The inter-operator network sharing concept has emerged motivating the adoption of virtualization that enables network slicing, i.e., dynamic separation of resources in virtual slices (VSs). VSs are managed in isolation by different tenants using software defined networking and encompass core and radio access network resources allocated periodically to UEs. When UEs access OTT applications, flows with different QoS demands and priorities determined by OTT service providers (OSPs) are generated. OSPs’ policies should be considered in VS allocation. The coexisting technologies, business models and stakeholders require sophisticated radio resource management (RRM) techniques. To that end, RRM is performed in a complex ecosystem. When D2D communication involves data concurrently downloaded by the mobile network, QoS may be affected by LTE-A network parameters (resource scheduling policy, downlink channel conditions). It is also affected by the relay selection, as UEs may not be willing to help unknown UE pairs and UEs’ social ties in mobile applications may influence willingness for D2D cooperation. Thus, effective medium access control (MAC) mechanisms should coordinate D2D transmissions employing advanced techniques, e.g., network coding (NC). When UEs access OTT applications, OSPs’ policies are not considered by MNOs in RRM and OSPs cannot apply flow prioritization. Network neutrality issues also arise when OSPs claim resources from MNOs aiming to minimize grade of service (GoS). OSPs’ intervention may delay flows’ accommodation due to the time required for OSP-MNO interaction and the time the flows spent waiting for resources. This thesis proposes novel solutions to the RRM issues of outband D2D communication and VS allocation for OSPs in 5G networks. We present a cooperative D2D MAC protocol that leverages the opportunities for NC in D2D communication under the influence of LTE-A network parameters and its throughput performance analysis. The protocol improves D2D throughput and energy efficiency, especially for UEs with better downlink channel conditions. We next introduce social awareness in D2D MAC design and present a social-aware cooperative D2D MAC protocol that employs UEs’ social ties to promote the use of friendly relays reducing the total energy consumption. Motivated by the lack of approaches for OSP-oriented RRM, we present a novel flow prioritization algorithm based on matching theory that applies OSPs’ policies respecting the network neutrality and the analysis of its GoS and delay performance. The algorithm maintains low overhead and delay without affecting fairness among OSPs. Our techniques highlight the QoS improvement induced by the joint consideration of different technologies and business stakeholders in RRM design.A medida que varias aplicaciones móviles y servicios over-the-top (OTT) surgen y el Internet móvil se vuelve ubicua, la prestación de alta calidad de servicio (QoS) es desafiante para los operadores de red móvil (MNOs). Los estudios de investigación se enfocan en técnicas innovadoras para la gestión de recursos de red y han resultado en la especificación del estándar de comunicación long term evolution advanced (LTE-A). Modelos comerciales nuevos hacen que el crecimiento de la capacidad de red sea sostenible al permitir que MNOs combinen sus recursos. La quinta generación (5G) de redes móviles implicará tecnologías y partes comerciales interesadas con varias habilidades y demandas que pueden afectar la provisión de QoS y demandan la gestión eficaz de recursos de radio. La necesidad de capacidad de red más alta ha introducido tecnologías que hacen más eficiente la asignación de recursos. La conectividad directa entre terminales de equipos de usuarios (UEs) eludiendo la infraestructura LTE-A alivia la sobrecarga de red. Parte del tráfico es dirigido a conexiones de dispositivo a dispositivo (D2D) outband permitiendo la comunicación de UEs directamente o con relés. Los MNOs necesitan nuevos recursos de espectro e infraestructura. El intercambio de recursos entre MNOs ha surgido motivando la adopción de virtualización que realiza la segmentación de red i.e., la separación dinámica de recursos en trozos virtuales (VSs). Los VSs son administrados de forma aislada por inquilinos diferentes con software defined networking y abarcan recursos de red core y radio access asignadas periódicamente a UEs. Cuando UEs usan aplicaciones OTT, flujos de aplicación con demandas y prioridades definidas por proveedores de servicios OTT (OSPs) se generan. Las políticas de OSPs deben ser integradas en la asignación de VSs. La coexistencia de varias tecnologías y partes comerciales demanda técnicas sofisticadas de gestión de recursos radio (RRM). Con ese fin, la RRM se realiza en un ecosistema complejo. Si la comunicación D2D involucra datos descargados simultáneamente por la red móvil, los parámetros de red LTE-A (política de scheduling de recursos, condiciones de canal downlink) afectan el QoS. La selección de relés afecta el rendimiento porque los UEs no desean siempre ayudar a UEs desconocidos. Las relaciones sociales de los UEs en aplicaciones móviles pueden determinar la voluntad para la comunicación cooperativa D2D. Por lo tanto, mecanismos de control de acceso al medio (MAC) deben coordinar las transmisiones D2D con técnicas avanzadas ej., codificación de red. Si los UEs usan servicios OTT, las políticas de OSPs no son consideradas en RRM y los OSPs no emplean flujos prioritarios. Problemas de neutralidad de red surgen cuando los OSPs reclaman recursos de MNOs para minimizar el grado de servicio (GoS). La intervención de OSPs puede causar retraso en el servicio de flujos debido a la interacción OSP-MNO y el tiempo requerido para que los flujos reciban recursos. Esta tesis presenta soluciones nuevas para los problemas RRM de comunicación D2D outband y asignación de VSs a OSPs en redes 5G. Proponemos un protocolo D2D MAC cooperativo que explota las oportunidades de NC bajo la influencia de parámetros de red LTE-A y su análisis de rendimiento. El protocolo mejora el rendimiento y la eficiencia energética especialmente para UEs con mejores condiciones de canal downlink. Introducimos la conciencia social en el D2D MAC y proponemos un protocolo que utiliza relaciones sociales de UEs para elegir relés-amigos y reduce el consumo de energía. Dada la falta de técnicas que aborden el problema RRM de OSPs presentamos un algoritmo que aplique políticas de OSPs y respete la neutralidad usando la teoría de matching, y su análisis de GoS y retraso. El algoritmo induce bajo coste y retraso sin afectar la imparcialidad entre OSPs. Estas técnicas demuestran la mejora de QoS gracias a la consideración de tecnologas y partes comerciales diferentes en RRM

Radio resource management techniques for QoS provision in 5G networks

As numerous mobile applications and over-the-top (OTT) services emerge and mobile Internet connectivity becomes ubiquitous, the provision of high quality of service (QoS) is more challenging for mobile network operators (MNOs). Research efforts focus on the development of innovative resource management techniques and have introduced the long term evolution advanced (LTE-A) communication standard. Novel business models make the growth of network capacity sustainable by enabling MNOs to combine their resources. The fifth generation (5G) mobile networks will involve technologies and business stakeholders with different capabilities and demands that may affect the QoS provision, requiring efficient radio resource sharing. The need for higher network capacity has introduced novel technologies that improve resource allocation efficiency. Direct connectivity among user equipment terminals (UEs) circumventing the LTE-A infrastructure alleviates the network overload. Part of mobile traffic is offloaded to outband device-to-device (D2D) connections (in unlicensed spectrum) enabling data exchange between UEs directly or via UEs-relays. Still, MNOs need additional spectrum resources and infrastructure. The inter-operator network sharing concept has emerged motivating the adoption of virtualization that enables network slicing, i.e., dynamic separation of resources in virtual slices (VSs). VSs are managed in isolation by different tenants using software defined networking and encompass core and radio access network resources allocated periodically to UEs. When UEs access OTT applications, flows with different QoS demands and priorities determined by OTT service providers (OSPs) are generated. OSPs’ policies should be considered in VS allocation. The coexisting technologies, business models and stakeholders require sophisticated radio resource management (RRM) techniques. To that end, RRM is performed in a complex ecosystem. When D2D communication involves data concurrently downloaded by the mobile network, QoS may be affected by LTE-A network parameters (resource scheduling policy, downlink channel conditions). It is also affected by the relay selection, as UEs may not be willing to help unknown UE pairs and UEs’ social ties in mobile applications may influence willingness for D2D cooperation. Thus, effective medium access control (MAC) mechanisms should coordinate D2D transmissions employing advanced techniques, e.g., network coding (NC). When UEs access OTT applications, OSPs’ policies are not considered by MNOs in RRM and OSPs cannot apply flow prioritization. Network neutrality issues also arise when OSPs claim resources from MNOs aiming to minimize grade of service (GoS). OSPs’ intervention may delay flows’ accommodation due to the time required for OSP-MNO interaction and the time the flows spent waiting for resources. This thesis proposes novel solutions to the RRM issues of outband D2D communication and VS allocation for OSPs in 5G networks. We present a cooperative D2D MAC protocol that leverages the opportunities for NC in D2D communication under the influence of LTE-A network parameters and its throughput performance analysis. The protocol improves D2D throughput and energy efficiency, especially for UEs with better downlink channel conditions. We next introduce social awareness in D2D MAC design and present a social-aware cooperative D2D MAC protocol that employs UEs’ social ties to promote the use of friendly relays reducing the total energy consumption. Motivated by the lack of approaches for OSP-oriented RRM, we present a novel flow prioritization algorithm based on matching theory that applies OSPs’ policies respecting the network neutrality and the analysis of its GoS and delay performance. The algorithm maintains low overhead and delay without affecting fairness among OSPs. Our techniques highlight the QoS improvement induced by the joint consideration of different technologies and business stakeholders in RRM design.A medida que varias aplicaciones móviles y servicios over-the-top (OTT) surgen y el Internet móvil se vuelve ubicua, la prestación de alta calidad de servicio (QoS) es desafiante para los operadores de red móvil (MNOs). Los estudios de investigación se enfocan en técnicas innovadoras para la gestión de recursos de red y han resultado en la especificación del estándar de comunicación long term evolution advanced (LTE-A). Modelos comerciales nuevos hacen que el crecimiento de la capacidad de red sea sostenible al permitir que MNOs combinen sus recursos. La quinta generación (5G) de redes móviles implicará tecnologías y partes comerciales interesadas con varias habilidades y demandas que pueden afectar la provisión de QoS y demandan la gestión eficaz de recursos de radio. La necesidad de capacidad de red más alta ha introducido tecnologías que hacen más eficiente la asignación de recursos. La conectividad directa entre terminales de equipos de usuarios (UEs) eludiendo la infraestructura LTE-A alivia la sobrecarga de red. Parte del tráfico es dirigido a conexiones de dispositivo a dispositivo (D2D) outband permitiendo la comunicación de UEs directamente o con relés. Los MNOs necesitan nuevos recursos de espectro e infraestructura. El intercambio de recursos entre MNOs ha surgido motivando la adopción de virtualización que realiza la segmentación de red i.e., la separación dinámica de recursos en trozos virtuales (VSs). Los VSs son administrados de forma aislada por inquilinos diferentes con software defined networking y abarcan recursos de red core y radio access asignadas periódicamente a UEs. Cuando UEs usan aplicaciones OTT, flujos de aplicación con demandas y prioridades definidas por proveedores de servicios OTT (OSPs) se generan. Las políticas de OSPs deben ser integradas en la asignación de VSs. La coexistencia de varias tecnologías y partes comerciales demanda técnicas sofisticadas de gestión de recursos radio (RRM). Con ese fin, la RRM se realiza en un ecosistema complejo. Si la comunicación D2D involucra datos descargados simultáneamente por la red móvil, los parámetros de red LTE-A (política de scheduling de recursos, condiciones de canal downlink) afectan el QoS. La selección de relés afecta el rendimiento porque los UEs no desean siempre ayudar a UEs desconocidos. Las relaciones sociales de los UEs en aplicaciones móviles pueden determinar la voluntad para la comunicación cooperativa D2D. Por lo tanto, mecanismos de control de acceso al medio (MAC) deben coordinar las transmisiones D2D con técnicas avanzadas ej., codificación de red. Si los UEs usan servicios OTT, las políticas de OSPs no son consideradas en RRM y los OSPs no emplean flujos prioritarios. Problemas de neutralidad de red surgen cuando los OSPs reclaman recursos de MNOs para minimizar el grado de servicio (GoS). La intervención de OSPs puede causar retraso en el servicio de flujos debido a la interacción OSP-MNO y el tiempo requerido para que los flujos reciban recursos. Esta tesis presenta soluciones nuevas para los problemas RRM de comunicación D2D outband y asignación de VSs a OSPs en redes 5G. Proponemos un protocolo D2D MAC cooperativo que explota las oportunidades de NC bajo la influencia de parámetros de red LTE-A y su análisis de rendimiento. El protocolo mejora el rendimiento y la eficiencia energética especialmente para UEs con mejores condiciones de canal downlink. Introducimos la conciencia social en el D2D MAC y proponemos un protocolo que utiliza relaciones sociales de UEs para elegir relés-amigos y reduce el consumo de energía. Dada la falta de técnicas que aborden el problema RRM de OSPs presentamos un algoritmo que aplique políticas de OSPs y respete la neutralidad usando la teoría de matching, y su análisis de GoS y retraso. El algoritmo induce bajo coste y retraso sin afectar la imparcialidad entre OSPs. Estas técnicas demuestran la mejora de QoS gracias a la consideración de tecnologas y partes comerciales diferentes en RRM

Τεχνικές διαχείρισης ραδιοφωνικών πόρων για παροχή ποιότητας υπηρεσιών σε δίκτυα 5ης γενιάς

As numerous mobile applications and over-the-top (OTT) services emerge and mobile Internet connectivity becomes ubiquitous, the provision of high quality of service (QoS) is more challenging for mobile network operators (MNOs). Research efforts focus on the development of innovative resource management techniques and have introduced the long term evolution advanced (LTE-A) communication standard. Novel business models make the growth of network capacity sustainable by enabling MNOs to combine their resources. The fifth generation (5G) mobile networks will involve technologies and business stakeholders with different capabilities and demands that may affect the QoS provision, requiring efficient radio resource sharing. The need for higher network capacity has introduced novel technologies that improve resource allocation efficiency. Direct connectivity among user equipment terminals (UEs) circumventing the LTE-A infrastructure alleviates the network overload. Part of mobile traffic is offloaded to outband device-to-device (D2D) connections (in unlicensed spectrum) enabling data exchange between UEs directly or via UEs-relays. Still, MNOs need additional spectrum resources and infrastructure. The inter-operator network sharing concept has emerged motivating the adoption of virtualization that enables network slicing, i.e., dynamic separation of resources in virtual slices (VSs). VSs are managed in isolation by different tenants using software defined networking and encompass core and radio access network resources allocated periodically to UEs. When UEs access OTT applications, flows with different QoS demands and priorities determined by OTT service providers (OSPs) are generated. OSPs’ policies should be considered in VS allocation. The coexisting technologies, business models and stakeholders require sophisticated radio resource management (RRM) techniques. To that end, RRM is performed in a complex ecosystem. When D2D communication involves data concurrently downloaded by the mobile network, QoS may be affected by LTE-A network parameters (resource scheduling policy, downlink channel conditions). It is also affected by the relay selection, as UEs may not be willing to help unknown UE pairs and UEs’ social ties in mobile applications may influence willingness for D2D cooperation. Thus, effective medium access control (MAC) mechanisms should coordinate D2D transmissions employing advanced techniques, e.g., network coding (NC). When UEs access OTT applications, OSPs’ policies are not considered by MNOs in RRM and OSPs cannot apply flow prioritization. Network neutrality issues also arise when OSPs claim resources from MNOs aiming to minimize grade of service (GoS). OSPs’ intervention may delay flows’ accommodation due to the time required for OSP-MNO interaction and the time the flows spent waiting for resources. This thesis proposes novel solutions to the RRM issues of outband D2D communication and VS allocation for OSPs in 5G networks. We present a cooperative D2D MAC protocol that leverages the opportunities for NC in D2D communication under the inf luence of LTE-A network parameters and its throughput performance analysis. The protocol improves D2D throughput and energy efficiency, especially for UEs with better downlink channel conditions. We next introduce social awareness in D2D MAC design and present a social-aware cooperative D2D MAC protocol that employs UEs’ social ties to promote the use of friendly relays reducing the total energy consumption. Motivated by the lack of approaches for OSP-oriented RRM, we present a novel flow prioritization algorithm based on matching theory that applies OSPs’ policies respecting the network neutrality and the analysis of its GoS and delay performance. The algorithm maintains low overhead and delay without affecting fairness among OSPs. Our techniques highlight the QoS improvement induced by the joint consideration of different technologies and business stakeholders in RRM design.Καθώς εμφανίζονται πολυάριθμες εφαρμογές για κινητές συσκευές και υπηρεσίες over-the-top (OTT) και η συνδεσιμότητα μέσω κινητού Διαδικτύου γίνεται πανταχού παρούσα, η παροχή υψηλής ποιότητας υπηρεσιών (QoS) είναι πιο δύσκολη για τους φορείς εκμετάλλευσης δικτύων κινητής τηλεφωνίας (MNO). Οι ερευνητικές προσπάθειες επικεντρώνονται στην ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών διαχείρισης πόρων και έχουν εισαγάγει το μακροπρόθεσμο προηγμένο πρότυπο επικοινωνίας (LTE-A). Τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα κάνουν την ανάπτυξη της χωρητικότητας του δικτύου βιώσιμη, επιτρέποντας στους MNO να συνδυάζουν τους πόρους τους. Τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας πέμπτης γενιάς (5G) θα περιλαμβάνουν τεχνολογίες και επιχειρηματικούς φορείς με διαφορετικές δυνατότητες και απαιτήσεις που ενδέχεται να επηρεάσουν την παροχή QoS, απαιτώντας αποτελεσματική κοινή χρήση ραδιοφωνικών πόρων. Η ανάγκη για μεγαλύτερη χωρητικότητα δικτύου έχει εισαγάγει νέες τεχνολογίες που βελτιώνουν την αποτελεσματικότητα της κατανομής των πόρων. Η άμεση συνδεσιμότητα μεταξύ τερματικών εξοπλισμού χρήστη (UEs) που παρακάμπτει την υποδομή LTE-A μειώνει την υπερφόρτωση του δικτύου. Μέρος της κίνησης κινητής τηλεφωνίας εκφορτώνεται σε συνδέσεις συσκευής προς συσκευή (D2D) εκτός ζώνης (σε φάσμα χωρίς άδεια), επιτρέποντας την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ UE απευθείας ή μέσω αναμεταδοτών UE. Ωστόσο, οι MNO χρειάζονται πρόσθετους πόρους και υποδομές φάσματος. Η έννοια της κοινής χρήσης δικτύου μεταξύ χειριστών έχει προκύψει παρακινώντας την υιοθέτηση της εικονικοποίησης που επιτρέπει τον τεμαχισμό δικτύου, δηλαδή τον δυναμικό διαχωρισμό των πόρων σε εικονικά slices (VSs). Τα VS διαχειρίζονται μεμονωμένα από διαφορετικούς ενοικιαστές χρησιμοποιώντας δικτύωση που καθορίζεται από λογισμικό και περιλαμβάνουν πόρους δικτύου πυρήνα και ραδιοπρόσβασης που κατανέμονται περιοδικά σε UE. Όταν οι UE έχουν πρόσβαση σε εφαρμογές OTT, δημιουργούνται ροές με διαφορετικές απαιτήσεις QoS και προτεραιότητες που καθορίζονται από τους παρόχους υπηρεσιών OTT (OSP). Οι πολιτικές των OSP θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στην κατανομή VS. Οι συνυπάρχουσες τεχνολογίες, τα επιχειρηματικά μοντέλα και τα ενδιαφερόμενα μέρη απαιτούν εξελιγμένες τεχνικές διαχείρισης ραδιοφωνικών πόρων (RRM). Για το σκοπό αυτό, το RRM εκτελείται σε ένα περίπλοκο οικοσύστημα. Όταν η επικοινωνία D2D περιλαμβάνει δεδομένα που λαμβάνονται ταυτόχρονα από το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας, το QoS μπορεί να επηρεαστεί από παραμέτρους δικτύου LTE-A (πολιτική προγραμματισμού πόρων, συνθήκες καναλιού κατερχόμενης ζεύξης). Επηρεάζεται επίσης από την επιλογή αναμετάδοσης, καθώς οι UE μπορεί να μην είναι πρόθυμοι να βοηθήσουν άγνωστα ζεύγη UE και οι κοινωνικοί δεσμοί των UE σε εφαρμογές για κινητά μπορεί να επηρεάσουν την προθυμία για συνεργασία D2D. Έτσι, αποτελεσματικοί μηχανισμοί ελέγχου πρόσβασης μέσου (MAC) θα πρέπει να συντονίζουν τις εκπομπές D2D χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές, π.χ. κωδικοποίηση δικτύου (NC). Όταν οι UE έχουν πρόσβαση σε εφαρμογές OTT, οι πολιτικές των OSP δεν λαμβάνονται υπόψη από τους MNO στο RRM και οι OSP δεν μπορούν να εφαρμόσουν ιεράρχηση ροής. Ζητήματα ουδετερότητας δικτύου προκύπτουν επίσης όταν οι OSP διεκδικούν πόρους από MNO με στόχο την ελαχιστοποίηση του βαθμού υπηρεσίας (GoS). Η παρέμβαση των OSP μπορεί να καθυστερήσει την προσαρμογή των ροών λόγω του χρόνου που απαιτείται για την αλληλεπίδραση OSP-MNO και του χρόνου που δαπανήθηκαν οι ροές αναμένοντας πόρους. Αυτή η διατριβή προτείνει νέες λύσεις στα ζητήματα RRM της εξωζωνικής επικοινωνίας D2D και της κατανομής VS για OSP σε δίκτυα 5G. Παρουσιάζουμε ένα συνεργατικό πρωτόκολλο D2D MAC που αξιοποιεί τις ευκαιρίες για NC στην επικοινωνία D2D υπό την επίδραση των παραμέτρων δικτύου LTE-A και την ανάλυση απόδοσης απόδοσης. Το πρωτόκολλο βελτιώνει την απόδοση D2D και την ενεργειακή απόδοση, ειδικά για UE με καλύτερες συνθήκες καναλιού κατερχόμενης ζεύξης. Στη συνέχεια εισάγουμε τη γνώση των συνδέσμων των κοινωνικών δικτύων στο σχεδιασμό D2D MAC και παρουσιάζουμε ένα κοινωνικό συνεταιριστικό πρωτόκολλο D2D MAC που χρησιμοποιεί τους κοινωνικούς δεσμούς των UE για την προώθηση της χρήσης φιλικών αναμεταδοτών που μειώνουν τη συνολική κατανάλωση ενέργειας. Με κίνητρο την έλλειψη προσεγγίσεων για RRM προσανατολισμένο στο OSP, παρουσιάζουμε έναν νέο αλγόριθμο ιεράρχησης ροής δικτύου που βασίζεται στη θεωρία αντιστοίχισης και εφαρμόζει τις πολιτικές των OSP σεβόμενος την ουδετερότητα του δικτύου και την ανάλυση της απόδοσης GoS και καθυστέρησης. Ο αλγόριθμος διατηρεί χαμηλό κόστος και καθυστέρηση χωρίς να επηρεάζει τη δικαιοσύνη μεταξύ των OSP. Οι τεχνικές μας οδηγούν στη βελτίωση QoS που οφείλεται στην κοινή εξέταση διαφορετικών τεχνολογιών και επιχειρηματικών μερών στο σχεδιασμό RRM

Matching game based virtualization in shared LTE-A networks

Wireless network virtualization enables efficient network sharing in Long Term Evolution Advanced (LTE-A) networks. For the accommodation of ever-increasing user demands, Mobile Virtual Network Operators (MVNOs) can lease and operate virtual resources in network infrastructure that belongs to Mobile Network Operators (MNOs). The coexistence of multiple MVNOs that serve users with different Quality of Service (QoS) requirements and spatial distribution in an LTE-A cell further complicates the arising resource allocation problem. Moreover, the MVNOs aim to satisfy the QoS demands for the maximum possible number of users with the minimum possible cost. This multifaceted context renders centralized optimization approaches for virtual resource allocation in shared LTE-A networks unsuitable. As an alternative, the framework of matching theory, thanks to its distributed nature, can achieve a proper allocation through a stable matching between resources and MVNOs. In this context, we introduce a matching-theoretic formulation for the virtual resource allocation problem and propose a distributed algorithm that properly matches the MVNOs with the available resources. Our simulation results show that the proposed algorithm reaches a stable matching that satisfies the QoS demands for more users in comparison with other approaches.Scopu

Software Defined Network Service Chaining for OTT Service Providers in 5G Networks

The fifth generation wireless networks are expected to offer high capacity and accommodate numerous over-the-top applications, relying on users' Internet connectivity, thus involving different stakeholders, that is, network service providers and over-the-top service providers. For the efficient management of over-the-top application flows, the implementation of service functions and their interconnection in service chains, namely network service chaining, should consider the over-the-top service providers' performance goals and user management strategies. However, in current wireless network deployments, the network service providers have full control of network service chaining. Considering that user satisfaction from the offered services is a common interest for both types of stakeholders, the over-the-top service providers need to participate in network service chaining, and apply QoS and user prioritization policies to network service chain resource management, which involves users connected at different network points, in a distributed manner. In this article, we describe 5G network management architectures and propose virtualization components that enable over-the-top service-provider-oriented network service. We also outline the arising issues for over-the-top service providers in network service chaining and introduce a distributed prioritization network service chain management scheme for over-the-top application flows, based on matching theory. The evaluation results indicate the performance gains in overthe-top service providers' service levels that stem from the proposed scheme, demonstrating the benefits of introducing prioritization in network service chain deployment. 1 1979-2012 IEEE.This work has been funded by the Research Projects AGAUR (2014-SGR-1551) and CellFive (TEC2014- 60130-P).Scopu

Cross-Network Performance Analysis of Network Coding Aided Cooperative Outband D2D Communications

In long term evolution advanced (LTE-A) networks, the mobile devices can concurrently participate in cooperative outband device-to-device (D2D) data exchange by virtue of user- or network-related parameters (e.g., interest in the same content and cooperative transmissions, respectively). In these scenarios, two major problems arise: 1) the coexistence of multiple devices creates channel access issues, demanding effective medium access control (MAC) schemes, and 2) cellular network factors (i.e., scheduling policy and channel conditions) affect the D2D communication, as the circulating information in D2D links is mainly of cellular network origination, stressing the need for cross network approaches. In this context, the contribution of this paper is threefold. First, exploiting idle devices as relays and the benefits of network coding (NC) in bidirectional communications, we propose an adaptive cooperative NC-based MAC (ACNC-MAC) protocol for the D2D data exchange. Then, we devise a cross-network model that captures the impact of cellular network characteristics on D2D communication. Finally, we evaluate the performance of the ACNC-MAC in terms of throughput, energy efficiency, and battery consumption. Our results show that the LTE-A parameters and the relays' participation significantly affect the D2D throughput, while the D2D performance deteriorates with the increase of cell congestion.This work was supported by the Research Projects AGAUR under Grant 2014-SGR-1551 and in part by the CellFive under Grant TEC2014-60130-PScopu