Improved planning and resource management in next generation green mobile communication networks

Abstract

In upcoming years, mobile communication networks will experience a disruptive reinventing process through the deployment of post 5th Generation (5G) mobile networks. Profound impacts are expected on network planning processes, maintenance and operations, on mobile services, subscribers with major changes in their data consumption and generation behaviours, as well as on devices itself, with a myriad of different equipment communicating over such networks. Post 5G will be characterized by a profound transformation of several aspects: processes, technology, economic, social, but also environmental aspects, with energy efficiency and carbon neutrality playing an important role. It will represent a network of networks: where different types of access networks will coexist, an increasing diversity of devices of different nature, massive cloud computing utilization and subscribers with unprecedented data-consuming behaviours. All at greater throughput and quality of service, as unseen in previous generations. The present research work uses 5G new radio (NR) latest release as baseline for developing the research activities, with future networks post 5G NR in focus. Two approaches were followed: i) method re-engineering, to propose new mechanisms and overcome existing or predictably existing limitations and ii) concept design and innovation, to propose and present innovative methods or mechanisms to enhance and improve the design, planning, operation, maintenance and optimization of 5G networks. Four main research areas were addressed, focusing on optimization and enhancement of 5G NR future networks, the usage of edge virtualized functions, subscriber’s behavior towards the generation of data and a carbon sequestering model aiming to achieve carbon neutrality. Several contributions have been made and demonstrated, either through models of methodologies that will, on each of the research areas, provide significant improvements and enhancements from the planning phase to the operational phase, always focusing on optimizing resource management. All the contributions are retro compatible with 5G NR and can also be applied to what starts being foreseen as future mobile networks. From the subscriber’s perspective and the ultimate goal of providing the best quality of experience possible, still considering the mobile network operator’s (MNO) perspective, the different proposed or developed approaches resulted in optimization methods for the numerous problems identified throughout the work. Overall, all of such contributed individually but aggregately as a whole to improve and enhance globally future mobile networks. Therefore, an answer to the main question was provided: how to further optimize a next-generation network - developed with optimization in mind - making it even more efficient while, simultaneously, becoming neutral concerning carbon emissions. The developed model for MNOs which aimed to achieve carbon neutrality through CO2 sequestration together with the subscriber’s behaviour model - topics still not deeply focused nowadays – are two of the main contributions of this thesis and of utmost importance for post-5G networks.

Nos próximos anos espera-se que as redes de comunicações móveis se reinventem para lá da 5ª Geração (5G), com impactos profundos ao nível da forma como são planeadas, mantidas e operacionalizadas, ao nível do comportamento dos subscritores de serviços móveis, e através de uma miríade de dispositivos a comunicar através das mesmas. Estas redes serão profundamente transformadoras em termos tecnológicos, económicos, sociais, mas também ambientais, sendo a eficiência energética e a neutralidade carbónica aspetos que sofrem uma profunda melhoria. Paradoxalmente, numa rede em que coexistirão diferentes tipos de redes de acesso, mais dispositivos, utilização massiva de sistema de computação em nuvem, e subscritores com comportamentos de consumo de serviços inéditos nas gerações anteriores. O trabalho desenvolvido utiliza como base a release mais recente das redes 5G NR (New Radio), sendo o principal focus as redes pós-5G. Foi adotada uma abordagem de "reengenharia de métodos” (com o objetivo de propor mecanismos para resolver limitações existentes ou previsíveis) e de “inovação e design de conceitos”, em que são apresentadas técnicas e metodologias inovadoras, com o principal objetivo de contribuir para um desenho e operação otimizadas desta geração de redes celulares. Quatro grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: melhorias e otimização generalizada de redes pós-5G, a utilização de virtualização de funções de rede, a análise comportamental dos subscritores no respeitante à geração e consumo de tráfego e finalmente, um modelo de sequestro de carbono com o objetivo de compensar as emissões produzidas por esse tipo de redes que se prevê ser massiva, almejando atingir a neutralidade carbónica. Como resultado deste trabalho, foram feitas e demonstradas várias contribuições, através de modelos ou metodologias, representando em cada área de investigação melhorias e otimizações, que, todas contribuindo para o mesmo objetivo, tiveram em consideração a retro compatibilidade e aplicabilidade ao que se prevê que sejam as futuras redes pós 5G. Focando sempre na perspetiva do subscritor da melhor experiência possível, mas também no lado do operador de serviço móvel – que pretende otimizar as suas redes, reduzir custos e maximizar o nível de qualidade de serviço prestado - as diferentes abordagens que foram desenvolvidas ou propostas, tiveram como resultado a resolução ou otimização dos diferentes problemas identificados, contribuindo de forma agregada para a melhoria do sistema no seu todo, respondendo à questão principal de como otimizar ainda mais uma rede desenvolvida para ser extremamente eficiente, tornando-a, simultaneamente, neutra em termos de emissões de carbono. Das principais contribuições deste trabalho relevam-se precisamente o modelo de compensação das emissões de CO2, com vista à neutralidade carbónica e um modelo de análise comportamental dos subscritores, dois temas ainda pouco explorados e extremamente importantes em contexto de redes futuras pós-5G.