BaseBand unit hotelling architectures for fixed-mobile converged next-generation access and aggregation networks

To enable and sustain the "Internet Society" in the next future, characterized by an exponential growth of bandwidth and Quality-of-Service requirements by users, communication networks must be continuously evolved, by resorting to novel technologies and architectural solutions to improve cost and energy efficiency. In the realm of access and aggregation networks, such process causes severe issues to network owners. In fact, from one side such networks are much more expensive to evolve and consume a relevant quota of the energy consumption, with respect to core/backbone; from the other side, they often constitute the bottleneck of the whole network performance. Among the main trends that are expected to guide the evolution of such networks towards cost and energy efficiency, we focus on two promising principles. The first one is the Fixed/Mobile Convergence (FMC), i.e., the concept of designing and optimizing networks as "a whole" resorting to infrastructure and equipment sharing among fixed and mobile networks. The second one is the BBU Hotelling (also known as C-RAN, Centralized/Cloud Radio Access Network), i.e., the new mobile access paradigm in which base stations are splitted among BaseBand Units (BBU) and Remote Radio Heads (RRH) and BBUs are centralized into hotels, with the consequent introduction of the new "fronthaul" traffic. In this thesis, we investigate some FMC architectures incorporating the concept of BBU hotelling, for next-generation access and aggregation networks. After a survey of the relevant state-of-the-art BBU hotelling technological solutions, we make an energy-consumption comparison of some mobile network architectures that enable such schemes. Then, we identify optical WDM aggregation networks as the ideal substrate to perform hotelling, therefore we devise some alternative architectures. For these, a novel "BBU placement" optimization problem can be identified. An energy-minimization version of the model is formalized by Integer Linear Programming (ILP) and solved for multistage trees topologies. To deal with larger instances, a greedy-based heuristic algorithm is formulated, with a generic cost function. Finally, the model is further extended to consider the joint placement of hotels, the installation of aggregation electronic switches, and different options for fronthaul transport. The results show the cost and energy advantages of BBU hotelling architectures with respect to classical RANs, due to ``consolidation'' of BBUs into a few sites, and give insights on the interaction of BBU placement with other degrees of freedom, like electronic aggregation switching, wavelength routing and number of available wavelengths and fibers.

Per rendere possibile e sostenere la società basata su Internet nel prossimo futuro, caratterizzata da una crescita esponenziale della banda e dei requisiti di Qualità del Servizio da parte degli utenti, le reti di comunicazione devono essere costantemente evolute, affidandosi a tecnologie e architetture innovative per migliorare l’efficienza di costo ed energetica. Nell’ambito delle reti di accesso e aggregazione, questo processo è causa di questioni critiche per i proprietari della rete. Infatti, da un lato tali reti sono ben più costose da aggiornare e consumano una parte rilevante del fabbisogno energetico; dall’altro esse rappresentano il collo di bottiglia per la prestazione dell’intera rete. Tra le varie tendenze che ci si aspetta guideranno l’evoluzione di tali reti verso l’efficienza di costo e energetica, ci si sofferma su due principi promettenti. Il primo è la Convergenza Fisso/Mobile (FMC), cioè il concetto di progettare e ottimizzare le reti "come un tutt’uno" grazie alla condivisione delle infrastrutture e degli apparati tra differenti reti fisse e mobili. Il secondo è il BBU "Hotelling" (anche noto come C-RAN, Centralized/Cloud Radio Access Network), cioè il nuovo paradigma di accesso mobile secondo il quale le stazioni radio base sono separate in BaseBand Unit (BBU) e Remote Radio heads (RRH) e le BBU vengono centralizzate in siti denominati "hotel", con conseguente introduzione del nuovo traffico "fronthaul". In questa tesi, vengono investigate alcune architetture FMC che incorporano il concetto di BBU hotelling, per reti di accesso e di aggregazione di prossima generazione. Dopo una panoramica dello stato dell’arte delle soluzioni tecnologiche rilevanti per il BBU hotelling, viene presentato un confronto di alcune architetture di rete mobile che abilitano tali soluzioni. Successivamente, vengono indentificate le reti di aggregazione ottiche basate su WDM come il substrato ideale per l’hotelling, per le quali vengono definite diverse architetture. Per queste, un nuovo problema di ottimizzazione denominato "Posizionamento di BBU" può essere identificato. Una versione di tale problema, volta alla minimizzazione del consumo energetico, è formalizzata tramite Programmazione Lineare Intera (ILP) e risolta per topologie ad albero multi-stadio. Per gestire istanze di dimensioni maggiori, un algoritmo euristico di tipo "greedy" è formulato, adoperante una funzione di costo generalizzata. Infine, il modello è esteso per considerare il posizionamento congiunto di hotel, l’installazione di apparati elettronici di aggregazione nei nodi intermedi, e diverse opzioni per il trasporto del traffico fronthaul. I risultati mostrano i vantaggi in termini di costo e di energia del BBU hotelling, rispetto alla RAN tradizionale, dovuti alla "consolidazione" delle BBU in un numero inferiore di siti. Inoltre, essi gettano luce sull’interazione tra il posizionamento delle BBU e altri gradi di libertà, come la modalità di aggregazione elettronica, il tipo di instradamento delle lunghezze d’onda e il numero di canali WDM e fibre disponibili.