Data analytics for mobile traffic in 5G networks using machine learning techniques

Abstract

This thesis collects the research works I pursued as Ph.D. candidate at the Universitat Politecnica de Catalunya (UPC). Most of the work has been accomplished at the Mobile Network Department Centre Tecnologic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC). The main topic of my research is the study of mobile network traffic through the analysis of operative networks dataset using machine learning techniques. Understanding first the actual network deployments is fundamental for next-generation network (5G) for improving the performance and Quality of Service (QoS) of the users. The work starts from the collection of a novel type of dataset, using an over-the-air monitoring tool, that allows to extract the control information from the radio-link channel, without harming the users’ identities. The subsequent analysis comprehends a statistical characterization of the traffic and the derivation of prediction models for the network traffic. A wide group of algorithms are implemented and compared, in order to identify the highest performances. Moreover, the thesis addresses a set of applications in the context mobile networks that are prerogatives in the future mobile networks. This includes the detection of urban anomalies, the user classification based on the demanded network services, the design of a proactive wake-up scheme for efficient-energy devices.

Esta tesis recoge los trabajos de investigación que realicé como Ph.D. candidato a la Universitat Politecnica de Catalunya (UPC). La mayor parte del trabajo se ha realizado en el Centro Tecnológico de Telecomunicaciones de Catalunya (CTTC) del Departamento de Redes Móviles. El tema principal de mi investigación es el estudio del tráfico de la red móvil a través del análisis del conjunto de datos de redes operativas utilizando técnicas de aprendizaje automático. Comprender primero las implementaciones de red reales es fundamental para la red de próxima generación (5G) para mejorar el rendimiento y la calidad de servicio (QoS) de los usuarios. El trabajo comienza con la recopilación de un nuevo tipo de conjunto de datos, utilizando una herramienta de monitoreo por aire, que permite extraer la información de control del canal de radioenlace, sin dañar las identidades de los usuarios. El análisis posterior comprende una caracterización estadística del tráfico y la derivación de modelos de predicción para el tráfico de red. Se implementa y compara un amplio grupo de algoritmos para identificar los rendimientos más altos. Además, la tesis aborda un conjunto de aplicaciones en el contexto de redes móviles que son prerrogativas en las redes móviles futuras. Esto incluye la detección de anomalías urbanas, la clasificación de usuarios basada en los servicios de red demandados, el diseño de un esquema de activación proactiva para dispositivos de energía eficiente.