A heuristic approach for throughput enhancement in CRAN by intelligent controller placement

In today's society Internet plays a crucial role with more and more services available on the web. In parallel with the growth of the internet traffic, also Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE) requirements become more and more stringent, forcing operators to evolve their network architectures to cope with new challenges. With the transition from 3G to 4G mobile networks, the architecture has changed radically, enabling new protocols and technologies improving performances. Among many, we focus on BBU hotelling and CoMP. The BBU hotelling architecture consists of splitting the physical functions from L2/L3 functions of a base station (BS) in 4G networks. In detail, Remote Radio Heads (RRHs) provide the transmit and receive radio signal functions of the eNB, while BaseBand Units (BBUs) provide baseband digital processing functions. Splitting these two components means to centralize BBUs in a common location, denoted as BBU hotel, allowing operators to reduce the network complexity and Capital and Operational Expenditures. On the other hand, a new type of traffic (denoted as fronthaul) with stringent requirements is introduced. The second concept we focus on is CoMP, a technique reducing interference for users at cell-edge, improving their QoE. CoMP coordinates cluster of cells from a Radio Coordination Controller (RCC), exploiting the Channel State Information (CSI), and uses the X2 interface of each BS to enable them to communicate with each other. In this thesis we develop a heuristic algorithm in order to show that an intelligent placement of RCCs can increase the CoMP effectiveness on big and realistic network instances. In detail, we test the heuristic on three types of network topologies: ideal topologies, synthetic random topologies and one real topology. Comparing the results obtained on ideal topologies with the ones obtained by the ILP, we validate our heuristic; then, we obtain new results on random synthetic topologies varying the number of rings connecting the Central Offices (COs), the geotype (dense urban, urban, suburban, rural). Finally, we show the benefits brought by the heuristic on a real network instance representing the Radio Access Network of Milan. In detail, we compare the results varying some network parameters such as the RCC processing time (negligible, fixed, variable) and network architecture (with/without BBU hotelling, with common/separate S1-X2 traffic interfaces). We prove that an intelligent placement of RCC can bring improvements in term of coordination gain and interference reduction with respect to trivial RCC placement strategies (at core CO or at each main CO).

Nella società odierna, Internet riveste un ruolo fondamentale, con sempre più servizi disponibili sul web. Assieme all'aumento del traffico internet, anche i requisiti in termini di QoS (Quality of Service) e QoE (Quality of Experience) diventano sempre più stringenti, costringendo gli operatori ad aggiornare le loro reti per far fronte a nuove sfide. Con il passaggio dalle reti mobili 3G alle reti 4G, l'architettura di rete è cambiata radicalmente, rendendo possibili nuovi protocolli e tecnologie per migliorare le performance. Tra i tanti, ci focalizziamo sul BBU hotelling e su CoMP. L'architettura con BBU hotelling consiste nella separazione delle funzioni fisiche di una Base Station (BS) di una rete 4G da quelle di livello L2/L3. Nello specifico, i Remote Radio Heads (RRHs) si occupano delle funzioni di trasmissione/ricezione dei segnali, mentre le BaseBand Units (BBUs) offrono funzioni di digital processing in banda base. Separare questi due componenti significa centralizzare le BBUs in un unico luogo, detto BBU hotel, permettendo agli operatori di ridurre la complessità di rete e le spese di capitale e operative. D'altra parte, però, un nuovo tipo di traffico (detto di fronthaul) è introdotto sulla rete, con requisiti stringenti. Il secondo concetto su cui ci focalizziamo è CoMP, una tecnologia per ridurre l'interferenza per gli utenti a bordo cella, migliorando la loro QoE. CoMP si serve di un Radio Coordination Controller (RCC) per coordinare cluster di celle, sfruttando il segnale di Channel State Information (CSI); l'interfaccia X2 di ciascuna BS viene usata per permettere la reciproca comunicazione. In questa tesi sviluppiamo un'euristica in grado di mostrare che un posizionamento intelligente dei coordinatori può migliorare l'efficacia di CoMP su reti di dimensioni realistiche. Nello specifico, testiamo l'euristica su tre tipi di topologie di rete: topologie ideali, topologie sintetiche casuali e una topologia reale. Comparando i risultati ottenuti sulle topologie ideali attraverso l'euristica con quelli ottenuti con l'ILP, validiamo l'euristica; quindi, otteniamo nuovi risultati su topologie sintetiche casuali variando il numero di anelli che interconnettono i Central Offices (COs), il geotipo (dense urban, urban, suburban, rural). Quindi, mostriamo i benefici dati dall'euristica su una rete reale che rappresenta la rete di accesso mobile di Milano. Nel dettaglio, compariamo i risultati variando alcuni parametri di rete, come il tempo di processing degli RCC (trascurabile, fisso, variabile) e l'architettura di rete (con/senza BBU hotelling, con interfaccia per i traffici S1-X2 comune/separata). Proviamo che un posizionamento intelligente dei coordinatori può portare miglioramenti in termini di efficienza di CoMP e di riduzione dell'interferenza rispetto ai casi di posizionamento banale dei coordinatori (al core CO e in ogni main CO).