Optimizing total cost of ownership (TCO) for 5G multi-tenant mobile backhaul (MBH) optical transport networks

Haddaji, Nassim (2019). Optimizing total cost of ownership (TCO) for 5G multi-tenant mobile backhaul (MBH) optical transport networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Legacy network elements are reaching end-of-life and packet-based transport networks are not efficiently optimized. In particular, high density cell architecture in future 5G networks will face big technical and financial challenges due to avalanche of traffic volume and massive growth in connected devices. Raising density and ever-increasing traffic demand within future 5G Heterogeneous Networks (HetNets) will result in huge deployment, expansion and operating costs for upcoming Mobile BackHaul (MBH) networks with flat revenue generation. Thus, the goal of this dissertation is to provide an efficient physical network planning mechanism and an optimized resource engineering tool in order to reduce the Total Cost of Ownership (TCO) and increase the generated revenues. This will help Service Providers (SPs) and Mobile Network Operators (MNOs) to improve their network scalability and maintain positive Project Profit Margins (PPM).

In order to meet this goal, three key issues are required to be addressed in our framework and are summarized as follows: i) how to design and migrate to a scalable and reliable MBH network in an optimal cost?, ii) how to control the deployment and activation of the network resources in such MBH based on required traffic demand in an efficient and cost-effective way?, and iii) how to enhance the resource sharing in such network and maximize the profit margins in an efficient way?

As part of our contributions to address the first issue highlighted above and to plan the MBH with reduced network TCO and improved scalability, we propose a comprehensive migration plan towards an End-to-End Integrated-Optical-Packet-Network (E2-IOPN) for SP optical transport networks. We review various empirical challenges faced by a real SP during the transformation process towards E2-IOPN as well as the implementation of an as-built plan and a high-level design (HLD) for migrating towards lower cost-per-bit GPON, MPLS-TP, OTN and next-generation DWDM technologies. Then, we propose a longer-term strategy based on SDN and NFV approach that will offer rapid end-to-end service provisioning with costefficient centralized network control. We define CapEx and OpEx cost models and drive a cost comparative study that shows the benefit and financial impact of introducing new low-cost packet-based technologies to carry traffic from legacy and new services.

To address the second issue, we first introduce an algorithm based on a stochastic geometry model (Voronoi Tessellation) to more precisely define MBH zones within a geographical area and more accurately calculate required traffic demands and related MBH infrastructure. In order to optimize the deployment and activation of the network resources in the MBH in an efficient and cost-effective way, we propose a novel method called BackHauling-as-a-Service (BHaaS) for network planning and Total Cost of Ownership (TCO) analysis based on required traffic demand and a "You-pay-only-for-what-you-use" approach. Furthermore, we enhance BHaaS performance by introducing a more service-aware method called Traffic-Profile-asa- Service (TPaaS) to further drive down the costs based on yearly activated traffic profiles. Results show that BHaaS and TPaaS may enhance by 22% the project benefit compared to traditional TCO model.

Finally, we introduce a new cost (CapEx and OpEx) models for 5G multi-tenant Virtualized MBH (V-MBH) as part of our contribution to address the third issue. In fact, in order to enhance the resource sharing and maximize the network profits, we drive a novel pay-as-yougrow and optimization model for the V-MBH called Virtual-Backhaul-as-a-Service (VBaaS). VBaaS can serve as a planning tool to optimize the Project Profit Margin (PPM) while considering the TCO and the yearly generated Return-on-Investment (ROI). We formulate an MNO Pricing Game (MPG) for TCO optimization to calculate the optimal Pareto-Equilibrium pricing strategy for offered Tenant Service Instances (TSI). Then, we compare CapEx, OpEx, TCO, ROI and PPM for a specific use-case known in the industry as CORD project using Traditional MBH (T-MBH) versus Virtualized MBH (V-MBH) as well as using randomized versus Pareto-Equilibrium pricing strategies.

The results of our framework offer SPs and MNOs a more precise estimation of traffic demand, an optimized infrastructure planning and yearly resource deployment as well as an optimized TCO analysis (CapEx and OpEx) with enhanced pricing strategy and generated ROI. Numerical results show more than three times increase in network profitability using our proposed solutions compared with Traditional MBH (T-MBH) methods.

Titre traduit

Optimisation du coût total de possession (TCO) des réseaux de transport optiques multi-clients pour les réseaux mobiles 5G

Résumé traduit

Les éléments de réseau existants atteignent leur fin de vie et les réseaux de transport par paquets ne sont pas optimisés de manière efficace. En particulier, l’architecture des cellules à haute densité dans les futurs réseaux 5G sera confrontée à de grands défis techniques et financiers en raison de l’avalanche de trafic et de la croissance massive des périphériques connectés. La constante augmentation de la densité et de la demande de trafic au sein des futurs réseaux hétérogènes 5G (HetNets) entraînera des coûts de déploiement, d’extension et d’exploitation énormes pour les futurs réseaux Mobile BackHaul (MBH). L’objectif de cette thèse est donc de fournir un mécanisme efficace de planification du réseau physique et un outil d’ingénierie des ressources optimisé afin de réduire le coût total de possession (TCO) et d’augmenter les revenus générés. Cela aidera les fournisseurs de services (SP) et les opérateurs de réseaux mobiles (MNO) à améliorer l’évolutivité de leur réseau et à maintenir des marges de profit des projets (PPM) positives.

Pour atteindre cet objectif, notre cadre de travail doit traiter trois problèmes clés, qui sont résumés comme suit: i) comment concevoir et migrer vers un réseau MBH fiable et évolutif à un coût optimal?, ii) comment contrôler le déploiement et l’activation des ressources du réseau dans un tel MBH en fonction de la demande de trafic requise de manière efficace et rentable?, et iii) comment améliorer le partage des ressources dans un tel réseau et maximiser les marges de profit de manière efficace?

Dans le cadre de nos contributions pour résoudre le premier problème évoqué ci-dessus et pour planifier le MBH avec un TCO réduit et une évolutivité améliorée, nous proposons un plan de migration complet vers un réseau de paquets optiques intégrés de bout en bout (E2-IOPN) pour les réseaux de transport optiques. Nous passons en revue divers défis empiriques rencontrés par un véritable fournisseur de services lors de son processus de transformation vers le réseau E2-IOPN, ainsi que la mise en oeuvre d’un plan tel-que-construit (as-built) et d’une conception de haut niveau (HLD) pour la migration vers des technlogies à coût-par-bit moins élevé tells que GPON, MPLS-TP, OTN et DWDM de prochaine génération. Ensuite, nous proposons une stratégie à plus long terme basée sur les approches SDN et NFV, qui offrira une creation de services rapide de bout en bout avec un contrôle de réseau centralisé rentable. Nous définissons des modèles de coûts CapEx et OpEx et conduisons une étude comparative des coûts qui montre les avantages et l’impact financier de l’introduction de nouvelles technologies à base de paquets à faible coût pour acheminer le trafic de services existants et nouveaux.

Pour aborder le deuxième problème, nous introduisons tout d’abord un algorithme basé sur un modèle de géométrie stochastique (Voronoi Tessellation) afin de définir plus précisément les zones MBH dans une zone géographique et de calculer plus précisément les demandes de traffic requises et l’infrastructure MBH associée. Afin d’optimiser le déploiement et l’activation des ressources du réseau MBH de manière efficace et rentable, nous proposons une nouvelle méthode appelée BackHauling-as-a-Service (BHaaS) pour la planification du réseau et l’analyse du TCO basée sur la demande de trafic requise et une approche consistant à «vous ne payez que pour ce que vous utilisez». En outre, nous améliorons les performances de la méthode BHaaS en introduisant une nouvelle méthode plus sensible au service, appelée Traffic-Profile-as-a-Service (TPaaS), afin de réduire encore les coûts liés aux profils de trafic activés chaque année. Les résultats montrent que BHaaS et TPaaS peuvent augmenter de 22 % le bénéfice du projet par rapport au modèle de TCO traditionnel.

Enfin, nous introduisons de nouveaux modèles de coûts (CapEx et OpEx) pour le MBH virtualize (V-MBH) multi-locataires du réseau 5G dans le cadre de notre contribution au troisième problème. En fait, afin d’améliorer le partage des ressources et d’optimiser les benefices du réseau, nous développons un nouveau modèle d’optimisation basée sur l’approche "Vous payez uniquement pour l’utilisation que vous en faites" appelé Virtual-Backhaul-as-a-Service
(VBaaS). VBaaS peut servir d’outil de planification pour optimiser la marge de profit du projet (PPM) tout en tenant compte du TCO et du retour sur investissement (ROI) généré chaque année. Nous formulons un jeu de tarification (MPG) pour les opérateurs de réseau mobile afin d’optimiser le TCO et de calculer la stratégie de tarification Pareto-Equilibrium optimale pour les instances de service aux locataires (TSI) offertes. Ensuite, nous comparons CapEx, OpEx, TCO, ROI et PPM pour un cas d’utilisation spécifique connu dans l’industrie sous le nom de projet CORD en utilisant le MBH traditionnel (T-MBH) et le virtualisé MBH (V-MBH), ainsi que l’utilisation de la stratégie de prix aléatoire versus la stratégie de prix d’équilibre.

Les résultats de notre méthode offrent aux SPs et aux MNOs une estimation plus précise de la demande de trafic, une planification optimisée de l’infrastructure et le déploiement annuel des ressources, ainsi qu’une analyse TCO optimisée (CapEx et OpEx) avec une stratégie de tarification améliorée et une augmentation du ROI généré. Les résultats numériques montrent que la rentabilité du réseau a été multipliée par trois avec les solutions proposées par rapport aux méthodes traditionnelles MBH (T-MBH).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 169-182).
Mots-clés libres:	5G, MBH, E2IOPN, TCO, ROI, PPM, CapEx, OpEx, SDN, NFV, CORD, BHaaS, TPaaS, VBaaS, traffic profiles, multi-location, virtualisation, découpage de réseau, théorie des jeux, Compétition des prix
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cheriet, Mohamed
Codirecteur:	Codirecteur Nguyen, Kim Khoa
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 avr. 2019 17:32
Dernière modification:	09 déc. 2019 19:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2295

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