A system-level perspective on new services and technologies for radio access networks

The evolution of mobile radio networks has always been characterized by a relentless increase in mobile data rate performance, trying to follow the demands of an ever-increasingly connected society. However, 5G has brought about a design shift by providing modern communications services beyond simple wireless data delivery, such as mission-critical applications, high-bandwidth services, and low-latency applications. However, behind these new use cases are a series of engineering challenges that require developing and adopting new concepts and technologies. These are being studied individually in great depth. However, the success of 5G-and-beyond lies in the fruitful integration of these heterogeneous new components into a cohesive whole. By adopting a system-level perspective, this dissertation aims at acquiring a holistic understanding of the interactions and trade-offs between a set of key enabling technologies and services, with the final goal of informing on effective integration strategies. We first focus on Network Slicing, showing how a resource management framework based on a fusion of technical and economic considerations yields significant performance gains against traditional approaches. Then we switch our focus to Open RAN (O-RAN), a Radio Access Network (RAN) architecture overhaul that offers unprecedented data collection and control capabilities, such as the ones required to enable the management framework described above. Here our contribution is both theoretical and experimental. In particular, we discuss the architecture extension required to integrate Integrated Access and Backhaul (IAB) into O-RAN and the deriving opportunities of enabling dynamic control for this technology. Then, to foster practical experimentation with O-RAN, we have modified a popular 5G software stack implementation making it O-RAN compatible. Additionally, we have designed the first open and accessible large-scale 5G IAB testbed. Finally, we propose our vision about a millimeter wave (mmWave) RAN empowered by Smart Radio Environments (SREs): a groundbreaking communication paradigm shift that had yet to be studied from a system-level perspective. Through purpose-designed network planning tools, we have produced and analyzed a large dataset of optimized network layouts. Our results inform on the opportunities of integrating SREs cinto large-scale mmWave RAN, highlighting the synergies between different technologies and showing how the integration can ultimately increase performance and decrease overall network costs.

L’evoluzione delle reti di comunicazione mobile è sempre stata caratterizzata da un incessante aumento delle prestazioni di velocità dei dati mobili, cercando di seguire le richieste di una società sempre più connessa. Tuttavia, il 5G ha portato un cambiamento di design fornendo servizi di comunicazione moderni oltre alla semplice consegna di dati wireless, come applicazioni critiche, servizi ad alta larghezza di banda e applicazioni a bassa latenza. Tuttavia, dietro questi nuovi casi d’uso si nascondono una serie di sfide ingegneristiche che richiedono lo sviluppo e l’adozione di nuovi concetti e tecnologie. Ad oggi, ognuna di queste è oggetto di studio in modo approfondito. Tuttavia, il successo del 5G e delle future generazioni di reti mobili risiede nell’integrazione fruttuosa di questi nuovi componenti eterogenei in un insieme coeso. Adottando una prospettiva a livello di sistema, questa dissertazione mira a acquisire una comprensione olistica delle interazioni e dei compromessi tra un insieme di tecnologie e servizi abilitanti chiave, con il obiettivo finale di informare sulle strategie di integrazione efficaci. Ci concentriamo prima su Network Slicing mostrando come un quadro di gestione delle risorse basato su una fusione di considerazioni tecniche ed economiche produca guadagni significativi in termini di prestazioni rispetto ai tradizionali approcci. Quindi passiamo alla nostra attenzione su Open RAN (O-RAN), una ristrutturazione dell’architettura RAN che offre capacità di raccolta e controllo dati senza precedenti, come quelle necessarie per abilitare il quadro di gestione descritto sopra. Qui la nostra contribuzione è sia teorica che sperimentale. In particolare, discutiamo l’estensione dell’architettura necessaria per integrare Integrated Access and Backhaul in O-RAN e le opportunità derivanti dall’abilitazione del controllo dinamico per questa tecnologia chiave. Successivamente, per favorire la sperimentazione pratica con O-RAN, abbiamo modificato un’implementazione popolare di stack software 5G rendendola compatibile con O-RAN. Inoltre, abbiamo progettato il primo testbed 5G IAB su larga scala aperto e accessibile. Infine, proponiamo la nostra visione di una RAN millimeter wave (mmWave) potenziata da Smart Radio Environment (SRE): una rivoluzionaria svolta del paradigma di comunicazione che ancora non era stata studiata da una prospettiva a livello di sistema. Attraverso strumenti di pianificazione di rete appositamente progettati, abbiamo prodotto e analizzato un ampio dataset di layout di rete ottimizzati. I nostri risultati informano sulle opportunità di integrazione di SRE in RAN mmWave su larga scala, evidenziando le sinergie tra diverse tecnologie e mostrando come l’integrazione possa aumentare le prestazioni e ridurre i costi complessivi della rete.