Dynamic resource optimization and orchestration techniques for 5G new radio and beyond

Abstract

(English) Earmarked as the revolutionary 5G key enabler, Network Slicing (NS) is the embodiment of the concept of running multiple logical networks as virtually independent business operations on a common physical infrastructure in an efficient and economical way[2]. NS enables the sharing of 5G RAN functional elements and the Transport Network (TN), securing the effective allocation and prioritization of the limited resources available, and offering to the customer improvement in service flexibility and scalability. By combining 5G and NS solutions, Service Providers (SPs) will pave the ways to cutting-edge industry fields such as Massive IoT, high resolution video on-demand services, smart manufacturing, and advanced solutions like Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) and cloud gaming, gaining access to potential new revenue sources and smarter solutions to support end customers[3]. This dissertation provides a contribution to the design, analysis, and evaluation of novel multi- tenant RAN NS techniques for the dynamic orchestration of the radio resources in 5G NR. Our research aims to define in real-time the optimal resources’ allocation per slice, able to overcome the resources’ under-over provisioning issue, by exploiting the latest 5G NR features and flexibility principles of the 5G infrastructure. All the proposed mathematical models have been extensively validated using the 5G simulation platforms and\or real 4G-5G testbed configurations. The main thesis contributions are divided into two parts. In the first part, starting from a common baseline scenario, four different resource orchestration frameworks are presented, where the optimization problem is gradually refined through the exploitation of distinct mathematical models, 5G features, and metrics. In the second part, the design of a novel Open-RAN (O-RAN) Functional Split (FS) architecture for Software Defined Radio (SDR) has been proposed; this innovative concept represents a step forward to the creation of a shared RAN environment for the fair coexistence of multivendor solutions, as massively promoted in 5G. During the elaboration of this thesis, two general key conclusions have been extracted. First, higher performance, system stability, and advanced service customization can be achieved using real-time NS in the RAN, outperforming the current state of the art limitations. This is possible through the new set of capabilities, sharing principle, and infrastructure scalability introduced in 5G NR. Second, we highlight the role of virtualization\softwarization of the network functionalities in 5G, illustrating the advantages of a shared infrastructure compared with a single vendor approach. [2] GSMA Association, ”An Introduction to Network Slicing”, White Paper, 2017.2GSMA Association, ”An Introduction to Network Slicing”, White Paper, 2017. [3] Ericsson, ”5G RAN Slicing: Capture new business revenues in the 5G era”, Ericsson Business Review, October 2021.

(Español) Designado como el habilitador clave revolucionario 5G, Network Slicing (NS) es la encarnación del concepto de ejecutar múltiples lógicas redes como operaciones comerciales prácticamente independientes en una infraestructura física común de manera eficiente y económica[2]. NS permite compartir elementos funcionales RAN 5G y la red de transporte (TN), asegurando la asignación efectiva y priorización de los limitados recursos disponibles, y oferta al cliente de mejora en la flexibilidad y escalabilidad del servicio. Por combinando soluciones 5G y NS, los proveedores de servicios (SP) allanarán el camino hacia campos industriales de vanguardia como Massive IoT, servicios de video bajo demanda de alta resolución, fabricación inteligente y soluciones avanzadas como Realidad Aumentada (AR), Realidad Virtual (VR) y juegos en la nube, obteniendo acceso a posibles nuevas fuentes de ingresos y soluciones más inteligentes para ayudar a los clientes finales[3]. Esta disertación proporciona una contribución al diseño, análisis y evaluación de técnicas novedosas de RAN NS multiusuario para la orquestación dinámica de los recursos de radio en 5G NR. Nuestra investigación tiene como objetivo definir en tiempo real la asignación óptima de recursos por segmento, capaz de superar el problema de aprovisionamiento insuficiente de los recursos, al explotar las últimas características y flexibilidad de 5G NR principios de la infraestructura 5G. Todos los modelos matemáticos propuestos han sido ampliamente validados utilizando la simulación 5G plataformas y/o configuraciones reales de banco de pruebas 4G-5G. Las principales contribuciones de tesis se dividen en dos partes. En la primera parte,comenzando a partir de un escenario de referencia común, se presentan cuatro marcos de orquestación de recursos diferentes, donde el problema de optimización se refina gradualmente a través de la explotación de distintos modelos matemáticos, características 5G y métricas. En la segunda parte, el se ha propuesto el diseño de una nueva arquitectura Open-RAN (O-RAN) Functional Split (FS) para radio definida por software (SDR); este concepto innovador representa un paso adelante en la creación de un entorno RAN compartido para la coexistencia justa de múltiples proveedores soluciones, como se promueve masivamente en 5G. Durante la elaboración de esta tesis, se han planteado dos conclusiones generales clave extraído. En primer lugar, se puede lograr un mayor rendimiento, estabilidad del sistema y personalización avanzada del servicio utilizando NS en tiempo real en la RAN, superando las limitaciones actuales del estado de la técnica. Esto es posible a través del nuevo conjunto de capacidades, compartir principio y escalabilidad de infraestructura introducidos en 5G NR. En segundo lugar, destacamos el papel de la virtualización\softwareización de lafuncionalidades de red en 5G, que ilustran las ventajas de una infraestructura compartida en comparación con el enfoque de un solo proveedor. [2] Asociación GSMA, ”Introducción a la división de redes”, White Paper, 2017.2Asociación GSMA, ”Introducción a la división de redes”, White Paper, 2017. [3] Ericsson, ”5G RAN Slicing: Capture nuevos ingresos comerciales en la era 5G”, Ericsson Business Review, octubre de 2021.