NFV orchestration in edge and fog scenarios (2021)

Esta tesis pretende ayudar en la definición y el diseño de la quinta generación de redes de telecomunicaciones (5G) a través del modelado matemático de las diferentes cualidades que las caracterizan. En general, la ambición de estos modelos es realizar una optimización de las redes, ensalzando sus capacidades recientemente adquiridas para mejorar la eficiencia de los futuros despliegues tanto para los usuarios como para los operadores. El periodo de realización de esta tesis se corresponde con el periodo de investigación y definición de las redes 5G, y, por lo tanto, en paralelo y en el contexto de varios proyectos europeos del programa H2020. Por lo tanto, las diferentes partes del trabajo presentado en este documento cuadran y ofrecen una solución a diferentes retos que han ido apareciendo durante la definición del 5G y dentro del ámbito de estos proyectos, considerando los comentarios y problemas desde el punto de vista de todos los usuarios finales, operadores y proveedores. Así, el primer reto a considerar se centra en el núcleo de la red, en particular en cómo integrar tráfico fronthaul y backhaul en el mismo estrato de transporte. La solución propuesta es un marco de optimización para el enrutado y la colocación de recursos que ha sido desarrollado teniendo en cuenta restricciones de retardo, capacidad y caminos, maximizando el grado de despliegue de Unidades Distribuidas (DU) mientras se minimizan los agregados de las Unidades Centrales (CU) que las soportan. El marco y los algoritmos heurísticos desarrollados (para reducir la complexidad computacional) son validados y aplicados a redes tanto a pequeña como a gran (nivel de producción) escala. Esto los hace útiles para los operadores de redes tanto para la planificación de la red como para el ajuste dinámico de las operaciones de red en su infraestructura (virtualizada). Moviéndonos más cerca de los usuarios, el segundo reto considerado se centra en la colocación de servicios en entornos de nube y borde (cloud/edge). En particular, el problema considerado consiste en seleccionar la mejor localización para cada función de red virtual (VNF) que compone un servicio en entornos de robots en la nube, que implica restricciones estrictas en las cotas de retardo y fiabilidad. Los robots, vehículos y otros dispositivos finales proveen competencias significativas como impulsores, sensores y computación local que son esenciales para algunos servicios. Por contra, estos dispositivos están en continuo movimiento y pueden perder la conexión con la red o quedarse sin batería, cosa que reta aún más la entrega de servicios en este entorno dinámico. Así, el análisis realizado y la solución propuesta abordan las restricciones de movilidad y batería. Además, también se necesita tener en cuenta los aspectos temporales y los objetivos conflictivos de fiabilidad y baja latencia en el despliegue de servicios en una red volátil, donde los nodos de cómputo móviles actúan como una extensión de la infraestructura de cómputo de la nube y el borde. El problema se formula como un problema de optimización para colocación de VNFs minimizando el coste y también se propone un heurístico eficiente. Los algoritmos son evaluados de forma extensiva desde varios aspectos por simulación en escenarios que reflejan la realidad de forma detallada. Finalmente, el último reto analizado se centra en dar soporte a servicios basados en el borde, en particular, aprendizaje automático (ML) en escenarios del Internet de las Cosas (IoT) distribuidos. El enfoque tradicional al ML distribuido se centra en adaptar los algoritmos de aprendizaje a la red, por ejemplo, reduciendo las actualizaciones para frenar la sobrecarga. Las redes basadas en el borde inteligente, en cambio, hacen posible seguir un enfoque opuesto, es decir, definir la topología de red lógica alrededor de la tarea de aprendizaje a realizar, para así alcanzar el resultado de aprendizaje deseado. La solución propuesta incluye un modelo de sistema que captura dichos aspectos en el contexto de ML supervisado, teniendo en cuenta tanto nodos de aprendizaje (que realizan las computaciones) como nodos de información (que proveen datos). El problema se formula para seleccionar (i) qué nodos de aprendizaje e información deben cooperar para completar la tarea de aprendizaje, y (ii) el número de iteraciones a realizar, para minimizar el coste de aprendizaje mientras se garantizan los objetivos de error predictivo y tiempo de ejecución. La solución también incluye un algoritmo heurístico que es evaluado ensalzando una topología de red real y considerando tanto las tareas de clasificación como de regresión, y cuya solución se acerca mucho al óptimo, superando las soluciones alternativas encontradas en la literatura.