Techno-economics of Optical Access Network Sharing

Several parallel trends, including the growing number of Internet reliant devices/services, increasing Internet penetration rates, and the continuing popularity of bandwidth-hungry multimedia content contribute to the exponential surge of Internet traffic. The combination of these trends could imply a considerable increase in network infrastructure investment for the telecom and broadband operators. In addition, the high cost of initial investment could escalate the market barriers to entry for the innovative service providers incapable of deploying their own network infrastructure. In this dissertation, we explore if and how enabling optical access network sharing could cultivate new network ownership and business models that simultaneously keep the end-user subscription fees low and facilitate the market entry for the smaller service providers. We aim to identify and address the technological and economic barriers of optical access network sharing. The broad scope of this dissertation concerns the inter-operator sharing of optical access networks which connect the end-users to the operators' network in the last-mile. The access segment of the communications network is recognized to be the most costly due to its deployment scale. Therefore, a reduction in cost in the access will have a multi-fold impact on the overall capital expenditure for network deployments. The dissertation focuses in particular on PONs as the most widespread type of optical access networks. The central argument of the present research is that network infrastructure/resource sharing has the potential to reduce the capital and operational expenditure of the network operators. This will allow for more competition as the market entrance cost decreases. We first address the lack of tenant operators' adequate control over the shared resources in a multi-tenant PON as a technological barrier. We provide a solution to strengthen the network operators' control over their share of the network in a multi-tenant PON. This is made possible by allowing the operators to schedule the transmission over the network using tailored algorithms to meet their requirements (e.g., latency and throughput). The dissertation argues that providing a virtual (software) instance of the DBA algorithm as opposed to the inflexible hardware implementation first enables the coexistence of various services on the PON and second, improves the overall utilization of the network capacity. While the virtualization of the DBA removes the technical barrier for the inter-operator resource sharing, it does not come with a natural incentive for the operators to share their resources with competitors. Therefore we tackle the lack of incentive for sharing excess network capacity in PON by providing monetary compensation in return for sharing. We model the multi-tenant optical access network with multiple coexisting operators as a market where they can exchange their excess capacity. We propose a sealed-bid multi-item double auction to enable capacity trading between the network operators. Through mathematical proof and market simulation/visualization, we prove that the proposed auction mechanism meets the essential requirements for an economic robust market mechanism (e.g., incentive compatibility, individual rationality, and budget balance). This provides trusted market conduct in the presence of a central authority (e.g., the public infrastructure provider) that all the operators trust.

Análisis de latencia en modelo FANS para servicios IoT

El presente trabajo plantea la creación de un escenario real de operación de una red de fibra óptica conformada en base al estándar FANS (Fixed Access Network Sharing) de Broadband Forum, en la que se simule el manejo de un tráfico modelo correspondiente a dispositivos IoT. Para esto se propone la realización de distintas maquetas que representen el modo de funcionamiento de una arquitectura FANS manejando las condiciones de tráfico correspondientes, de forma que se puedan extraer conclusiones sobre la latencia, que es el parámetro de mayor importancia considerado por la industria en contextos de uso sobre redes 5G que se interconecten por medio de redes de fibra óptica. El objetivo del estudio es determinar si alguno de los modelos del estándar podría ofrecer ventajas ante escenarios de redes compuestas por dispositivos IoT que sean sensibles a la latencia.

Managing networks and services based on artificial intelligence in heterogeneous broadband environments for 5th generation and beyond

Tα κίνητρα αυτής της ερευνητικής δραστηριότητας προέρχονται από το γεγονός της εκθετικής αύξησης της ζήτησης δεδομένων που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια καθώς και στην προσέγγιση των θεωρητικών ορίων του capacity των δικτύων. Ταυτόχρονα η διαδικασία της αδειοδότησης και της απόκτησης νέων συχνοτήτων είναι ακριβή, χρονοβόρα και σε ορισμένες περιπτώσεις η αδειοδότηση είναι αδύνατη για πολλούς παρόχους. Σε συνδυασμό με την υποστήριξη του μεγάλου όγκου δεδομένων που προκαλούνται από τις καινούριες υπηρεσίες και εφαρμογές, πραγματοποιήθηκε έρευνα, βρέθηκαν, υλοποιήθηκαν και δοκιμάστηκαν λύσεις για την βέλτιστη διαχείριση των δικτύων. Η παρούσα διπλωματική εργασία διαρθρώνεται σε κεφάλαια και κάθε κεφάλαιο παρέχει μια λεπτομερή περιγραφή και τα αποτελέσματα των διεξαγόμενων ερευνητικών δραστηριοτήτων για την επίτευξη του γενικού στόχου διαχείρισης δικτύων και υπηρεσιών βασισμένων στην τεχνητή νοημοσύνη σε ετερογενή ευρυζωνικά περιβάλλοντα για 5η γενιά και μετά. Το Κεφάλαιο 1 παρέχει την κύρια εισαγωγή και το κίνητρο της εργασίας μας και θέτει τις απαιτήσεις της απαραίτητης έρευνας για τη διαχείριση δικτύων και υπηρεσιών που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη. Το Κεφάλαιο 2 διερευνά και αξιολογεί δίκτυα πλέγματος για την επίτευξη βελτιωμένης απόδοσης, ακόμη και όταν η συνδεσιμότητα είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί. Το Κεφάλαιο 3 επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση και ανάλυση της διαχείρισης για ετερογενείς υποδομές. Το Κεφάλαιο 4 επεξεργάζεται τη διαχείριση πόρων ραδιοσυχνοτήτων σε περιβάλλον πολλαπλών παρόχων, με έμφαση στο ιεραρχικό σχήμα διαχείρισης πόρων ραδιοφώνου. Το Κεφάλαιο 5 αναλύει την έννοια του τεμαχισμού δικτύου και πώς ο τεμαχισμός μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη παροχή υπηρεσιών σε απαιτητικά περιβάλλοντα συνδυάζοντας διαφορετικούς τύπους επισκεψιμότητας (π.χ. URLLC, eMBB, mMTC, κ.λπ.). Το Κεφάλαιο 6 παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την κοινή χρήση και την κατανομή πόρων με έμφαση στην εκχώρηση δυναμικού καναλιού για τις νέες υπηρεσίες 5G όπως το URLLC, το eMBB και το mMTC. Το Κεφάλαιο 7 επεξεργάζεται θέματα RRM σε περιβάλλον πολλαπλών συνδέσεων με έμφαση στη διαχείριση φορέα 5G και αξιολογείται με προσομοιώσεις σε επίπεδο συστήματος. Επιπλέον, αξιολογούνται οι απαιτήσεις για εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα σύνδεσης συσκευών IoT σε περιβάλλον mMTC. Η έρευνα των προτεινόμενων λύσεων κατέληξε σε διάφορες δημοσιεύσεις, εργασίες συνεδρίων, περιοδικά, βιβλία και σε πρότυπα όπως το ITU για μελέτη σχετικά με την αξιολόγηση του 5G. Το τελευταίο κεφάλαιο παρέχει το συμπέρασμα αυτής της διπλωματικής εργασίας και προτάσεις για μελλοντική έρευνα. Συγκεκριμένα αυτή η διατριβή παρείχε μια σε βάθος ανάλυση λύσεων για τη καλύτερη διαχείριση δικτύων και υπηρεσιών που βασίζονται σε ευφυείς αλγόριθμους και τεχνικές σε ετερογενή ευρυζωνικά περιβάλλοντα 5ης και επόμενων γενεών, λαμβάνοντας υπόψη την τρέχουσα κατάσταση και προσβλέποντας τις νέες προκλήσεις των δικτύων. Στόχος ήταν να αναλύσουμε, να προτείνουμε και να βελτιώσουμε τις state-of-the-art τεχνικές για να φέρουμε τα δίκτυα 5G ένα βήμα πιο κοντά σε αυτό που θεωρούμε ότι θα μπορούσε να είναι. Οι D2D / M2M, Mesh Networks, Ultra-densification, Dynamic channel selection, Network sharing, Network slicing, Multi-connectivity / Multi link, Carrier Aggregation και χρήση νέων συχνοτήτων 3.5GHz και narrowband είναι μερικές από τις καινοτομίες που αναλύθηκαν και παρουσιάστηκαν σε αυτή τη διατριβή πετυχαίνοντας πολύ καλά αποτελέσματα σε όλες τις περιπτώσεις που δοκιμάστηκαν. Οι λύσεις και οι τεχνικές που προτείνονται σε αυτή τη διατριβή θα μπορούσαν να δοκιμαστούν σε πραγματικά περιβάλλοντα και να διαμορφωθούν από την ερευνητική κοινότητα ώστε να ενσωματωθούν στις νέες εκδόσεις της 3GPP για δίκτυα 5G αλλά και επόμενων γενεών.