Καθώς η απαίτηση σε ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών αυξάνεται ραγδαία, τα υπάρχοντα δίκτυα κινητών επικοινωνιών πλησιάζουν τα όριά τους κάνοντας επιτακτική την ανάγκη εξέλιξής τους η οποία θα επέλθει με την τεχνολογική άφιξη της επόμενης γενιάς κινητών επικοινωνιών, ευρέως γνωστής ως 5G. Το 5G μεταφέρει όλες εκείνες τις δυνατότητες οι οποίες είναι απαραίτητες για να καλυφθούν οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες σε ευρυζωνικές υπηρεσίες, να υποστηρίξουν το Internet of Things καθώς και να ενοποιήσουν ετερογενείς υπηρεσίες σε διαφορετικές βιομηχανίες.
Η παρούσα διπλωματική εργασία στοχεύει να παρουσιάσει το “Network in a box”, ένα καινοτόμο εργαλείο που αναπτύξαμε στο εργαστήριο, το οποίο βασίζεται επάνω στους θεμέλιους λίθους του 5G, το SDN και το NFV. Με το SDN να είναι η νέα προσέγγιση στα δίκτυα κινητών επικοινωνιών, ο έλεγχος διαχωρίζεται από τα δεδομένα παρέχοντας τη δυνατότητα οποιεσδήποτε αποφάσεις ελέγχου, να λαμβάνονται κεντρικά, μετατρέποντας έτσι τις κλασικές δικτυακές συσκευές σε απλά προωθητικά στοιχεία του δικτύου. Η συγκεκριμένη διάταξη μιμείται ένα πραγματικό δίκτυο, το οποίο διαθέτει δυνατότητες αυτο-οργάνωσης και αυτο-βελτίωσης, προσομοιώνοντας τη λειτουργία του 5G δικτύου. Το συγκεκριμένο εργαλείο είναι επίσης ικανό να παράσχει KPI μετρικές του 5G δικτύου κάτω από πραγματικές συνθήκες ενόσω αληθινές δικτυακές συσκευές είναι συνδεδεμένες σε αυτό.
Η δομή της παρούσας διπλωματικής εργασίας αναλύεται σε πέντε κεφάλαια. Το πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζει τις προκλήσεις που σύντομα θα κληθούν να αντιμετωπίσουν τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών και πώς αυτές μπορούν να καλυφθούν με την τεχνολογία του 5G. Το δεύτερο κεφάλαιο εισάγει την τάση στην αγορά των κινητών επικοινωνιών που διαφένεται πίσω από την επερχόμενη άφιξη του 5G, αποκαλύπτοντας το επιχειρηματικό πλαίσιο για επιχειρήσεις, καταναλωτές και συνεργασίες όπως επίσης και κάποιες περιπτώσεις χρήσης που αντικατοπτρίζουν την διαρκή εξέλιξη στις ευρυζωνικές υπηρεσίες κινητών επικοινωνιών. Το τρίτο κεφάλαιο εμπεριέχει μια μικρή επισκόπηση των τρέχοντων έργων πάνω στο 5G, τα οποία ξεκίνησαν υπό την αιγίδα της Ευρωπαϊκής Επιτροπής με τη συνεργασία προμηθευτών τεχνολογίας επικοινωνιών, παρόχων υπηρεσιών, μικρομεσαίων επιχειρήσεων και πανεπιστημίων. Γίνεται επίσης αναφορά στις βασικές τεχνολογίες του 5G και στις δραστηριότητες προτυποποίησής του. Προχωρώντας στο τέταρτο κεφάλαιο, περιγράφουμε σε βάθος την αρχιτεκτονική του 5G δικτύου, αναλύοντας τα SDN, NFV, MANO και εξετάζουμε πώς αυτά συνεισφέρουν στη βιωσιμότητα του δικτύου. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο εισάγουμε μια καινοτόμο ιδέα που αναπτύξαμε στο εργαστήριο δικτύων του πανεπιστημίου μας, ένα πλήρως αυτόνομο δικτυακό εργαλείο, το “Network in a box”. Παρουσιάζουμε σε βάθος πώς αυτός ο server μπορεί να εγκατασταθεί και να λειτουργήσει καθώς και τις δυνατότητές του κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του δικτύου, ενώ λαμβάνουν χώρα υποβάθμιση ποιότητας ή μη-διαθεσιμότητα στις δικτυακές ζεύξεις, παρέχοντας επίσης μετρικές από τη λειτουργία του δικτύου σε πραγματικό χρόνο.As the demand in mobile broadband is tremendously increased and the heterogeneity of the services to be covered is growing rapidly, current mobile networks are close to their limits imposing the need of an evolution which is going to be introduced by the next generation technology, the ITU IMT-2020, well known as 5G. 5G brings all those capabilities required to cover the increased mobile broadband needs, support the Internet of Things and bind heterogeneous services in different industries.
This diploma thesis aims at presenting the “Network in a box”, an innovative tool we developed which is based on the key 5G principles, SDN and NFV. With Software Defined Networking (SDN) being the new approach in mobile networks, control and data plane are decoupled providing the ability to make any control related decisions centrally and transform legacy network devices to simple forwarding elements. This testbed is a portable emulated network device which is self-managed and self-optimised and can be connected between any real network devices, emulating how the 5G network will perform. This plug & play black-box testbed is also capable of providing KPI metrics of the 5G network under real circumstances when real network devices are connected to it.
The structure of this diploma thesis is decomposed in five chapters. Chapter 1 presents the challenges mobile networks will shortly face due to the growing heterogeneous demands in communications towards the year 2020 and beyond and how these can be met with the upcoming 5G technology. Chapter 2 introduces the market trend behind the new era of 5G, revealing the business context for enterprises, consumers, verticals and partnerships as well as some use cases which reflect the continuous mobile broadband evolution. Chapter 3 includes a short overview of the ongoing 5G projects, initiated under the umbrella of the European Commission, with the collaboration of communications technology vendors, telecommunications operators, service providers, small and medium-sized enterprises (SMEs) and universities. There is also a reference in 5G key enabling technologies and standardisation activities as we move towards the next generation mobile networks technology. Moving forward, chapter 4 describes in detail the technological components of 5G network architecture such as SDN, NFV, MANO and examines how these 5G key enabling technologies contribute to the overall networks’ sustainability. Finally, in chapter 5 we introduce an innovative idea developed in our university’s communications network research laboratory, an autonomous emulated portable network testbed, the “Network in a box”. We present in-depth how this portable server is deployed, operates and demonstrate the way it can be connected to real network elements emulating a real 5G end-to-end customer network. Moreover, in this last chapter we present “Network in a box” capabilities under real network circumstances when link degradations or failures take place, providing also real-time network metrics
