UN'ARCHITETTURA C-RAN BASATA SU SDN/NFV PER LE RETI MOBILI 5G

In these years, various standardization entities are defining the features regarding the future 5G Radio Access Network (RAN) architecture. A considerable innovation concerning the design of 5G mobile networks will be a concrete step towards enabling effective high throughput and low latency services. A novel architecture design for RANs to address critical elements in resources management and to achieve the 5G mobile networks performances is needed. In this context, Cloud-Radio Access Network (C-RAN), a new mobile network architecture characterized by a functionalities redistribution, is considered as the most suitable solution. The principle of C-RAN is related to a functional splitting turning the monolithic 4G evolved NodeB (eNB) into a two or three tier Node B, namely Next Generation NodeB (gNB), comprising two or three types of entities, the remote unit (RU), the distributed unit (DU) and the centralized unit (CU). Software Defined Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV) and Self Organized Network (SON) are considered the enabling technologies to achieve these goals. SDN focuses on decoupling control and data plane, NFV performs the functionalities abstraction from the underlying hardware, whereas SON permits to maximize automation of various the aspects. In this dissertation, a hierarchical layered software-defined architecture for future 5G networks is proposed. The architecture relies on SDN, NFV and SON principles. As further contribution, our solution aims to provide new features in order to facilitate SDN/NFV/SON application in mobile networks. The research project related to my PhD has been conducted in the context of an international academic collaboration between the University of Glasgow and the University of Catania. I have technically coordinated this research activity and the relative participation of our team, in representation of the University of Catania, to the “Mosaic5G” research project, as contributor member. In order to implement the aforementioned software defined architecture, we design and implement a flexible SDN/NFV-based SON testbed for future 5G mobile networks. The main contribute of our work is to cover the need for a SDN/NFV-based SON testbed, enabling the investigation of the potential of these paradigms for practical implementations. We exploit, FlexRAN, as a Software Defined RAN (SD-RAN) platform enabling the SDN concept and OpenAirInterface, as an open source software-based implementation of the 3GPP full protocol stack. Research work led to two different Testbed deployments. A first Testbed in Catania (TestbedCT), based on NFV to set-up an entirely emulated environment. A subsequent Testbed in Glasgow (TestbedGLA), as a real environment deployment, using Software Defined Radios (SDRs) and real user equipments. Both the testbed deployments enable novel research and provides teaching opportunities in next generation RAN architectures and several other areas of system-level research. Furthermore, they act as benchmark for many use cases with a significant proximity to real network deployment criticalities. The research activities during the PhD involve another research collaboration with Bristol Is Open, a joint venture between the University of Bristol and Bristol City Council, with the aim of deploying a SDN/NFV based testbed to prove the application of this two paradigms in the context of mobile core networks, exploiting OpenDaylight as SDN controller. Finally, a research collaboration with the telco research team in Milan of Altran, engineering consulting company, is conducted, focusing on the virtualization of the IP Multimedia Subsystem (IMS) network architecture in the context of the Voice over 5G (Vo5G).

In questi anni, diverse entità di standardizzazione stanno definendo le caratteristiche riguardanti l’architettura della futura rete di accesso radio 5G. Una notevole innovazione per quanto riguarda la progettazione delle reti mobili 5G sarà un passo concreto verso l'abilitazione di servizi efficaci ad alto throughput e bassa latenza. Un nuovo design dell’ architettura della RAN volto ad affrontare le criticità nella gestione delle risorse e per realizzare le prestazioni delle reti mobili 5G è necessario. In questo contesto, la Cloud-Radio Access Network (C-RAN), una nuova architettura di rete mobile caratterizzata da una ridistribuzione di funzionalità, è considerata come la soluzione più adatta. Software Defined Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV) e Self Organized Network (SON) sono considerate le tecnologie abilitanti per raggiungere questi obiettivi. In questa tesi, un’architettura software defined gerarchica a livelli per le future reti 5G viene proposta. L'architettura si basa sui principi SDN, NFV e SON. Come ulteriore contributo, la nostra soluzione mira a fornire nuove funzionalità al fine di facilitare l’applicazione di SDN / NFV / SON nelle reti mobili. Il progetto di ricerca relativo al mio dottorato di ricerca è stato condotto nel contesto di una collaborazione accademica internazionale tra l’Università di Glasgow e l’Università di Catania. Io ho coordinato tecnicamente questa attività di ricerca e la relativa partecipazione del nostro team, in rappresentanza dell'Università di Catania, come contributor member, al progetto di ricerca “Mosaic5G”. Al fine di implementare la suddetta architettura software defined, abbiamo progettato ed implementato un Testbed SON flessibile basato su SDN/NFV per future reti mobili 5G. Il contributo principale del nostro lavoro è quello di coprire la necessità di un testbed SON basato su SDN / NFV, consentendo l'indagine del potenziale di questi paradigmi per implementazioni pratiche. Sfruttiamo, FlexRAN, quale Software Defined RAN (SD-RAN), abilitando il concetto SDN ed OpenAirInterface, quale implementazione software open source dello stack protocollare 3GPP. Il lavoro di ricerca ha portato a due diversi setup del Testbed. Un primo Testbed a Catania (TestbedCT), basato su NFV volto a realizzare un ambiente interamente emulato. Un successivo Testbed a Glasgow (TestbedGLA), quale ambiente reale, utilizzando il Software Defined Radio (SDR) ed UE reali. Entrambe i setup del testbed consentono nuove ricerche e offrono opportunità di didattica riguardanti le architetture RAN di prossima generazione e diverse altre aree di ricerca a livello di sistema. Inoltre, fungono da punto di riferimento per molti casi d'uso data la significativa vicinanza alle criticità della rete reale.