Wireless network virtualization : a techno-economic analysis and a service differentiation strategy

Rahman, Mohammad Moshiur (2016). Wireless network virtualization : a techno-economic analysis and a service differentiation strategy. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Virtualization of wireless networks can significantly lower the capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX) by enabling resource sharing among multiple parties. Virtual network operators (VNOs), i.e. mobile virtual network operators (MVNOs) and over the top service providers (SPs) are becoming prominent players in wireless network markets with their differentiated service provisioning. This changing business model is beneficial for both the network operators and the VNOs, as network operators can increase their revenues by leasing resources to the VNOs who in turn, can implement their own network without having to deploy expensive physical networks.

In future 5G networks, VNOs will play even more important role by providing various differentiated services using different wireless technologies. This requires provisioning of technologyagnostic physical infrastructure on which VNOs will be able to build their customized, isolated network slices tailored for optimal performance of the intended services. Research on Wireless network virtualization is a fairly recent trend and there is lack of an end-to-end solution for wireless network virtualization architectures in the open literature. In this respect, in this thesis, three architectural frameworks for wireless network virtualization have been proposed that differ in their degree of segregation between the signal processing and the radio accessunits. The frameworks also differ in terms of their associated CAPEX & OPEX as well as in terms of their achievable quality of service (QoS). For this reason, selection of a particular virtualization model for a particular service deployment is a multi-dimensional problem. Hence, a multi-criteria utility model has been developed that accounts for network cost & QoS trade-offs in order to enable the design and optimization of wireless access virtualization architectures that best comply with the investment and service-level requirements of network operators (and/or service providers).

The second phase of the thesis focuses on the architectural requirements for provisioning heterogeneous virtual networks on a common physical substrate. It has been argued that software defined network (SDN) and cloud computing technologies are the key enablers for deploying such a network model. The existing proposals in the open literature focus on wireless network solutions for a particular radio access technology (RAT), e.g., WiFi, cellular, wireless sensor network (WSN), etc. or a particular part of a network (e.g., cellular core vs access networks). But an integral solution for programmable, elastic, virtualized heterogeneous networks is not available in the open literature. Hence, a blueprint for the deployment of an end-to-end programmable & flexible heterogeneous virtual wireless network (HVWN) infrastructure using SDN & cloud computing has been laid out in this chapter. Open problems and challenges in realizing a programmable, elastic HVWN have also been identified.

Next, in the third phase of the thesis, the case of provisioning differentiated services in a cloud-based software-defined virtual wireless network environment has been studied. We have focused on a particular part of the generalized architecture proposed in the second part of the thesis, i.e., the case of programmable virtualized wireless networks that consists of cellular and fixed WiFi networks. More specifically we have studied how differentiated services can be provided in such a programmable virtualized platform. We have proposed to use the spare bits of OpenFlow packet structure to implement virtual network entities. Use of northbound APIs has been emphasized for composing complex wireless network applications. Emulation results show that the SDN-based virtualized wireless networks are able to meet the critical performance requirements of carrier networks.

In the final part of the thesis, we focused on full duplex (FD) deployment of multi-cell networks. Current cellular networks are suffering from spectrum ossification problem. In a virtualized environment where multiple VNOs will compete for access to shared radio resources, the spectrum scarcity problem will be more severe. In such context, FD systems can provide an efficient solution by doubling the spectrum efficiency. In our research, we have identified the critical challenges for real world deployment of multi-tier FD multi-cell networks. We have analyzed FD performance trade-offs for a dense urban multi-tier cellular network. We have used the Madrid grid model proposed by METIS project that consists of macro and pico cells. We also have investigated the impact of co-located BS interference in FD performance for a single-tier homogeneous network deployment. We have proposed intelligent proportional fair joint user selection and power control algorithms to harness the gain of FD deployment. We have developed algorithms for both cloud radio access network (C-RAN) and traditional distributed RAN (D-RAN) network models. Extensive system-level simulation results show that using the devised algorithms the FD systems are able to achieve significant performance gain .

Titre traduit

Virtualisation des réseaux sans fil : une analyse technico-économique et une stratégie de différenciation de service

Résumé traduit

La virtualisation des réseaux sans fil peut réduire de manière significative les dépenses en capital (CAPEX) ainsi que les dépenses d’exploitation (OPEX) en permettant le partage des ressources entre plusieurs parties. Les opérateurs de réseaux virtuels (VNOs), c’est-à-dire les opérateurs de réseaux mobiles virtuels (MVNOs) et les fournisseurs de services (SPs) sont devenus des acteurs décisifs du marché des réseaux sans fil grâce aux services différenciés.

L’évolution de ce modèle d’affaires est bénéfique pour les opérateurs de réseaux ainsi que pour les VNOs. En effet, les opérateurs réseaux peuvent augmenter leurs revenus en louant des ressources aux VNOs, ce qui leurs permet le déploiement des réseaux sans avoir recours à des ressources réseaux physiques coûteuses.

Les VNOs joueront un rôle important dans le futur réseau 5G, en fournissant divers services différenciés et en utilisant différentes technologies sans fil. Cela nécessite la mise à disposition d’une technologie qui permet l’approvisionnement des infrastructures physiques sur lesquels les VNOs peuvent déployer des entités virtuelles (slices) personnalisées, en garantissant l’isolation ainsi que les performances exigées par les services.

Le domaine de la virtualisation de réseau sans fil est un domaine de recherche d’actualité qui est caractérisé par l’absence d’une solution de bout en bout pour les architectures de virtualisation dans la revue de littérature. A cet effet, nous proposons dans cette thèse trois cadres d’architecture pour la virtualisation de réseau sans fil qui diffèrent dans leurs degrés de ségrégation entre le traitement du signal et les unités d’accès radio. Les cadre diffèrent également en termes de CAPEX et OPEX associés ainsi qu’en fonction de la qualité de service (QoS) assurée. Pour cette raison, le choix d’un modèle de virtualisation particulier afin de déployer un service spécifique est un problème multidimensionnel. Par conséquent, un modèle d’utilité multi-critères a été développé afin de permettre la conception et l’optimisation des architectures d’accès réseau sans fil virtuel en prenant en considération les exigences d’investissement et le niveau de service exigée par les opérateurs réseau (et / ou les fournisseurs de services). En effet, ce nouveau modèle proposé prend en charge les deux critères, à savoir le coût d’investissement ainsi que la qualité de service demandée.

La deuxième phase de la thèse porte sur les exigences en matière d’architecture pour les réseaux virtuels hétérogènes. La technologie SDN (Software Defined Network) ainsi que les technologies de cloud computing sont les outils clés pour le déploiement d’un tel modèle de réseau. Les propositions existantes dans la revue de littérature se focalisent sur des solutions sans fil qui se basent sur une technologie d’accès radio (RAT) particulière, (par exemple, WiFi, cellulaire, réseau de capteurs sans fil (WSN), etc.,) ou une partie particulière d’un réseau (par exemple, le noyau cellulaire vs les réseaux d’accès). De plus, la littérature ne propose pas de solutions intégrales pour les réseaux programmables, hétérogènes, élastiques et virtualisés. Par conséquent, un plan pour le déploiement de bout en bout de réseaux sans fil programmables, hétérogènes, flexible et virtuels (HVWN) utilisant les deux technologies SDN & cloud computing a été proposé dans ce chapitre. Les problèmes et les défis pour la réalisation d’un tel modèle (HVWN) ont également été identifiés.

La troisième phase de la thèse, nous avons étudié le cas des services différenciés dans un environnement réseau sans fil virtuel basé sur la technologie de nuage (cloud). Nous nous sommes concentrés sur une partie particulière de l’architecture généralisée proposé dans la deuxième partie de la thèse, à savoir, le cas des réseaux sans fil virtualisés programmables qui se compose de réseaux WiFi et cellulaires fixes. Plus précisément, nous avons étudié comment les services différenciés peuvent être fournis dans une telle plate-forme virtualisée programmable. Nous avons proposé d’utiliser les bits de rechange de OpenFlow (McKeown et al., 2008) structure de paquet pour mettre en oeuvre des entités de réseau virtuel. L’utilisation de l’API Northbound a été soulignée pour la composition des applications complexes de réseau sans fil. Les résultats d’émulation montrent que les réseaux sans fil virtualisés basés sur le SDN sont en mesure de répondre aux exigences de performance critiques des opérateurs réseaux.

Dans la dernière partie de la thèse, nous nous sommes concentrés sur le déploiement de réseaux multi-cellulaires full duplex (FD). Les réseaux cellulaires actuels souffrent du problème d’ossification du spectre. Dans un environnement virtualisé où plusieurs VNOs seront en compétition pour l’accès aux ressources radio partagées, le problème de la rareté du spectre sera plus sévère. Dans un tel contexte, les systèmes FD peuvent fournir une solution efficace en doublant l’efficacité du spectre. Dans notre recherche, nous avons identifié les défis critiques pour le déploiement du monde réel FD réseaux multi-cellulaires multi-niveaux. Nous avons analysé les performances FD pour un réseau urbain dense multi-niveaux cellulaire. Nous avons utilisé le modèle de grille Madrid proposée par le projet METIS (Agyapong and et al., 2013) qui se compose de cellules macro et pico. Nous avons également étudié l’impact d’interférence de la BS co-localisés dans un FD pour le déploiement d’un réseau homogène à palier unique (single-tier). Nous avons proposé des algorithmes proportionnels intelligents de sélection d’utilisateur conjointe et de contrôle de puissance afin d’exploiter le gain de déploiement FD. Nous avons développé des algorithmes pour les deux modelés, à savoir C-RAN (cloud radioaccess network) et D-RAN (traditional distributed RAN). Les résultats de simulation montrent que l’utilisation des algorithmes conçus pour les systèmes FD sont en mesure d’obtenir un gain de performance significatif.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 165-176.
Mots-clés libres:	Transmission sans fil. Réseaux SDN. Qualité de service (Réseaux d'ordinateurs) Réseaux d'ordinateurs Architectures. duplex, full, hétérogène, mobile, opérateur, virtualisation, virtuel, réseau sans fil, bénéfices d’analyse des coûts, informatique en nuage, systèmes de full duplex
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Despins, Charles
Codirecteur:	Codirecteur Affes, Sofiène
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	07 févr. 2017 15:11
Dernière modification:	07 févr. 2017 15:11
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1804

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