Towards resilient wireless networks: mesh backhauls for 5G ultra-dense networks and rural Internet service provision

Abstract

(English) This thesis aims to investigate the efficacy and applicability of Wireless Backhaul Network (WBN) in two divergent contexts: ultra-dense urban networks for 5G and connectivity solutions for rural or digitally divided areas. WBN offer an adaptable and resilient framework for data transmission, making them an attractive option for the next generation of wireless networks, particularly 5G. In dense urban settings, where the demand for high data rates is pressing, wireless mesh backhauls can serve as a strategic asset in achieving the promised data throughput for 5G networks. These networks inherently require a dense deployment of nodes to deliver on their promise of high-speed, low-latency communication. Therefore, we analyze the role that wireless mesh backhauls can play in such densely populated areas, emphasizing their potential to meet or even exceed 5G’s high data rate expectations.

Conversely, in rural or digitally divided areas, the economic feasibility of deploying traditional last-mile copper or fiber-optic networks often proves to be prohibitive. In such cases, WBN, deployed either as Wireless Community Network (WCN) or as part of a Wireless Internet Service Provider (WISP)’s infrastructure, can offer a viable alternative. This technology could bridge the digital divide by providing robust, cost-effective internet connectivity to underserved regions.

To substantiate my findings, I leveraged Geographic Information Systems (GIS) technology and GPU-based computational methods together with graph analysis and simulations. GIS technology, leveraging different open datasets such as Digital Surface Models (DSM) and vectorial maps, make a detailed understanding of the geographical landscape possible, crucial for building detailed feasibility models in various environments. GPU-based computational methods accelerate the model analysis, enabling an in-depth evaluation within a reasonable timeframe. As a result I was able to optimize various network aspects, such as node placement, network topology and energy consumption, which are critical parameters for the effective deployment of these networks.

This work integrates these computational methods and technologies to offer a comprehensive view of how wireless mesh backhauls can be efficiently deployed in both urban and rural settings. The results offer valuable insights into the network architecture best suited for each context, with particular attention to scalability and resiliency. In summary, this thesis contributes to a broader understanding of the potential that wireless mesh backhauls hold in addressing the connectivity requirements of diverse settings, ranging from the ultra-dense urban environment required for 5G to the unique challenges posed by rural and digitally divided regions.

(Català) Aquesta tesi té com a objectiu investigar l'eficàcia i l'aplicabilitat de la xarxa de backhaul sense fil (WBN) en dos contextos divergents: xarxes urbanes ultradenses per a 5G i solucions de connectivitat per a zones rurals o dividides digitalment. WBN ofereix un marc adaptable i resistent per a la transmissió de dades, cosa que els converteix en una opció atractiva per a la propera generació de xarxes sense fils, especialment 5G. En entorns urbans densos, on la demanda d'elevades taxes de dades és urgent, els backhauls de malla sense fils poden servir com un actiu estratègic per assolir el rendiment de dades promès per a les xarxes 5G. Aquestes xarxes requereixen inherentment un desplegament dens de nodes per complir la seva promesa de comunicació d'alta velocitat i baixa latència. Per tant, analitzem el paper que poden tenir els backhauls de malla sense fils en zones densament poblades, posant èmfasi en el seu potencial per complir o fins i tot superar les expectatives d'alta velocitat de dades de 5G.

Per contra, a les zones rurals o digitalment dividides, la viabilitat econòmica de desplegar xarxes tradicionals de coure o fibra òptica d'última milla sovint resulta prohibitiva. En aquests casos, WBN, desplegat com a xarxa comunitària sense fils (WCN) o com a part de la infraestructura d'un proveïdor de serveis d'Internet sense fils (WISP), pot oferir una alternativa viable. Aquesta tecnologia podria reduir la bretxa digital proporcionant una connectivitat d'Internet robusta i rendible a les regions poc ateses.

Per corroborar les meves troballes, vaig aprofitar la tecnologia de sistemes d'informació geogràfica (GIS) i mètodes computacionals basats en GPU juntament amb anàlisis i simulacions de gràfics. La tecnologia GIS, aprofitant diferents conjunts de dades oberts com ara els models de superfície digital (DSM) i els mapes vectorials, fan possible una comprensió detallada del paisatge geogràfic, crucial per construir models de viabilitat detallats en diversos entorns. Els mètodes computacionals basats en GPU acceleren l'anàlisi del model, permetent una avaluació en profunditat en un període de temps raonable. Com a resultat, vaig poder optimitzar diversos aspectes de la xarxa, com ara la col·locació de nodes, la topologia de la xarxa i el consum d'energia, que són paràmetres crítics per al desplegament efectiu d'aquestes xarxes.

Aquest treball integra aquests mètodes i tecnologies computacionals per oferir una visió completa de com es poden desplegar de manera eficient els backhauls de malla sense fil tant en entorns urbans com rurals. Els resultats ofereixen informació valuosa sobre l'arquitectura de xarxa més adequada per a cada context, amb especial atenció a l'escalabilitat i la resiliència. En resum, aquesta tesi contribueix a una comprensió més àmplia del potencial que tenen els backhauls de malla sense fil per abordar els requisits de connectivitat de diversos entorns, que van des de l'entorn urbà ultradens requerit. per 5G als reptes únics que plantegen les zones rurals i digitalment dividides.