Virtualized mobility management for future slicing-based networks

Abstract

The increasing number of mobile devices and their usage for Internet access has been at the origin of new networking challenges. In fact, mobile devices have evolved and are now able to both consume and produce live stream videos, while moving and taking advantage of multiple wireless access technologies. In parallel, network operators have been relying on Software Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV) mechanisms for enabling the network to dynamically and flexibly adapt to the different traffic requirements and use cases. Furthermore, 3GPP envisions the upcoming fifth generation (5G) of networks, as a holistic architecture able to aggregate different access technologies, and serve multiple vertical use cases (e.g., automotive and eHealth) with different traffic requirements (e.g., low latency and high peak data rates). Here, network slicing appears as the game changer, by allowing the network infrastructure to be divided into logically-isolated networks for supporting certain service types. Nevertheless, this rises new challenges related to the mobility management on such a highly dynamic and flexible holistic architecture. Aligned with this vision, this thesis proposes a virtualized mobility management mechanism for future slice-based networks, capable of providing the means to flexibly adapt the network (through slicing mechanisms) to the user’s communication requirements, while enabling seamless handovers between different access technologies. This mechanism was supported by the design of an SDN/NFV-based architecture, that was further evolved to accommodate slice and orchestration mechanisms for the dynamic instantiation and orchestration of network slices. The thesis provides proof-of-concept implementation and evaluation of the different network components, with results showing its feasibility and providing indicators for further enhancement and commercial deployment.

O aumento do número de dispositivos móveis e a forma como são utilizados para o acesso à Internet tem estado na origem de diversos desafios de rede. Estes dispositivos têm vindo a evoluir e são agora capazes de consumir e produzir fluxos de vídeo em tempo real enquanto se movem e exploram múltiplos acessos a tecnologias sem-fios. Paralelamente, operadores de rede têm apostado em mecanismos de redes definidas por software (do inglês, SDN) e de funções de rede virtualizadas (do inglês, NFV), de forma a possibilitar a rede a adaptar-se de uma forma dinâmica e flexível a diversos tipos de requisitos de tráfego e casos de uso. Além disso, o 3GPP projecta a próxima rede de quinta geração (5G), como uma arquitetura holística capaz de agregar diferentes tecnologias de acesso, e servir múltiplos verticais (ex., indústria automóvel e saúde) com diferentes requisitos de tráfego (ex., baixa latência e elevados picos de transmissão de dados). Neste sentido, o particionamento de rede (do inglês, network slicing ou slicing) aparece como decisivo, permitindo a divisão da infra-estrutura de rede em redes logicamente isoladas, de forma a suportar determinados tipos de serviço. No entanto, isto levanta novos desafios relacionados com a gestão de mobilidade nesta arquitetura holística de redes altamente dinâmicas e flexíveis. Alinhada com esta visão, esta tese propõe um mecanismo de gestão virtualizada de mobilidade para redes futuras baseadas em particionamento de rede, capaz de adaptar a rede (através de mecanismos de slicing) aos requisitos de comunicação do utilizador, enquanto possibilita o handover transparente entre diferentes tecnologias de acesso. Este mecanismo foi suportado pelo desenho de uma arquitetura baseada em tecnologias SDN e NFV, sendo depois evoluída de forma a acomodar mecanismos de slicing e orquestração para instanciação e orquestração de network slices. A tese implementa e avalia provas de conceito dos diferentes componentes de rede, com os resultados a mostrar a sua viabilidade e providenciando indicadores para futuros melhoramentos e implementações comerciais.