QoS-aware AI-empowered resource orchestration towards distributed, privacy-aware and sustainable wireless communications

Abstract

The rapid evolution of mobile communication systems is steering the world towards a new era, supporting innovative and challenging use cases and applications such as fully autonomous vehicles, pervasive connectivity and digital twins. 5G Advanced, followed by further evolution to 6G, is expected to advance the capabilities of existing potential technologies, offering increased speed, highly reliable low-latency communications, massive connectivity, and intelligent system coordination. This shift will also support the development of more intelligent environments and infrastructures, where connectivity, automation, energy efficiency, and resource management are of paramount importance. As a result, it is becoming increasingly evident that next-generation networks must integrate a number of key enabling technologies including innovative energy-efficient architectures, advanced AI-driven network management, integrated sensing, and communication capabilities. The incorporation of AI-enabled edge computing and the expansion of distributed networks as a critical enabler toward supporting real-time processing requirements, especially for latency-sensitive applications, is anticipated. These emerging use case scenarios, applications and technologies will inevitably give rise to a number of new challenges, including those related to network reliability, data privacy, and energy efficiency. The proliferation of devices and the expanding scope of connected applications bring unique requirements for the network leading to a consistent adherence to QoS requirements, even under the most demanding network conditions. The increasing tendency in device connectivity will also lead to massive data generation and transfer throughout the network, especially in beyond 5G networks where AI will act as a key enabler. Collecting and analyzing vast amounts of heterogeneous data will inevitably raise privacy concerns. Additionally, as the demand for data and connectivity increases, it becomes apparent that so does the energy consumption of next generation cellular networks. Towards this direction, the current thesis introduces AURORA, a QoS-aware AI-empowered resource orchestrator designed to address the emerging challenges. By leveraging cutting edge technologies in the field of AI and predictive analytics, AURORA directly contributes to data privacy preservation, network reliability, energy efficient resource allocation and proactive service management. This thesis presents six key contributions to support the new requirements foreseen in next generation mobile networks. The first key contribution of the current thesis, is a privacy-aware distributed AI framework for Quality of Service (QoS) prediction. This framework represents a novel approach to predicting QoS for end users in a timely and accurate manner while addressing critical challenges such as data privacy, signaling overhead, and computational efficiency. To realize this, this framework shifts the prediction functionality from the core network to the edge, enabling edge network entities and end users to collaborate in the prediction process. To ensure privacy preservation, the framework incorporates techniques to encode any raw input data into highly complex, compressed, and irreversible latent representations before any transmission. The second significant contribution of this thesis is a comprehensive framework for service placement, addressing the critical challenge of efficiently allocating Virtual Network Functions (VNFs) and their associated traffic paths across the underlying network infrastructure. The proposed framework integrates intelligent orchestration that ensures alignment with resource constraints and optimal routing of traffic between VNFs, while also minimizing end-to-end delays. This contribution enables the delivery of high-quality services in next-generation networks, where resource optimization and performance guarantees are crucial. The third contribution of this thesis addresses the critical challenge of service scaling by providing a mechanism to dynamically and proactively adjust resource allocation in response to future traffic loads and service requirements. This framework monitors network conditions and proactively anticipates changes in resource requirements, enabling seamless service autoscaling. By incorporating real-time traffic analysis and predictive capabilities, the framework ensures that sufficient resources are allocated to maintain service quality. The fourth contribution introduces an intelligent energy saving framework that optimized the energy efficiency of distributed AI processes in wireless communication networks, addressing challenges such as high energy consumption, resource utilization inefficiencies, and environmental impact. The framework orchestrates computational and communication resources, emphasizing on device heterogeneity, data distribution, and complexity of the examined distributed AI framework. It also incorporates a simulated distributed AI environment, allowing for energy-efficient solution exploration without reducing the high computational and energy related costs that a real-world execution requires. The fifth contribution is SIM+, a holistic and implementation-agnostic Information Model (IM) designed to support AI-driven optimizations in forthcoming Beyond 5G network systems. SIM+ addresses the emerging challenges by standardizing data formats, enabling interoperable communication between network entities, and simplifying infrastructure complexities through a hierarchical abstraction. The flexibility of SIM+ is demonstrated through its application to two prominent AI-driven solutions. The last contribution of this thesis is a potential approach for deploying the AURORA scheme within existing cellular architectures. Given the ongoing evolution of architectural design for both 5G Advanced and 6G networks, and the lack of a standardized architecture, this contribution uses the 5G system (5GS) architecture as a reference point. It proposes a conceptual integration referencing the relevant network functions at the core, edge and RAN and how each one can contribute to the AURORA scheme.

Η ταχεία εξέλιξη των συστημάτων κινητών επικοινωνιών οδηγεί τον κόσμο σε μια νέα εποχή, υποστηρίζοντας καινοτόμα και απαιτητικά σενάρια χρήσης και εφαρμογές, όπως τα πλήρως αυτόνομα οχήματα, τη διάχυτη συνδεσιμότητα και τα ψηφιακά δίδυμα. Το 5G Advanced, που θα ακολουθηθεί από περαιτέρω εξέλιξη στο 6G, αναμένεται να υπερβεί τις δυνατότητες των υφιστάμενων τεχνολογιών, προσφέροντας αυξημένη ταχύτητα, εξαιρετικά αξιόπιστες επικοινωνίες χαμηλής καθυστέρησης, μαζική συνδεσιμότητα και έξυπνο συντονισμό συστημάτων. Αυτή η μετάβαση υποστηρίζει επίσης την ανάπτυξη πιο έξυπνων περιβαλλόντων και υποδομών, όπου η συνδεσιμότητα, η αυτοματοποίηση, η ενεργειακή απόδοση και η διαχείριση πόρων είναι υψίστης σημασίας. Ως αποτέλεσμα, γίνεται ολοένα και πιο εμφανές ότι τα δίκτυα επόμενης γενιάς πρέπει να ενσωματώνουν έναν αριθμό κρίσιμων τεχνολογιών-κλειδιά, όπως καινοτόμες αρχιτεκτονικές ενεργειακής απόδοσης, προηγμένη διαχείριση δικτύου βασισμένη στην τεχνητή νοημοσύνη (ΤΝ), ολοκληρωμένες δυνατότητες ανίχνευσης και επικοινωνίας. Η ενσωμάτωση της τεχνολογίας ΤΝ στα δίκτυα αιχμής και η επέκταση των κατανεμημένων δικτύων ως κρίσιμος παράγοντας για την υποστήριξη των απαιτήσεων πραγματικού χρόνου, ειδικά για εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή καθυστέρηση, είναι αναμενόμενη. Αυτά τα αναδυόμενα σενάρια χρήσης, εφαρμογές και τεχνολογίες θα οδηγήσουν αναπόφευκτα σε μια σειρά νέων προκλήσεων, συμπεριλαμβανομένων αυτών που σχετίζονται με την αξιοπιστία του δικτύου, την προστασία των δεδομένων και την ενεργειακή απόδοση. Η εξάπλωση των συσκευών και η διευρυνόμενη εμβέλεια των συνδεδεμένων εφαρμογών φέρνουν μοναδικές απαιτήσεις για το δίκτυο, οδηγώντας σε συνεπή συμμόρφωση με τις απαιτήσεις ποιότητας υπηρεσίας, ακόμη και υπό τις πιο απαιτητικές συνθήκες δικτύου. Η αυξανόμενη τάση συνδεσιμότητας συσκευών θα οδηγήσει επίσης σε μαζική δημιουργία και μεταφορά δεδομένων σε όλο το δίκτυο, ειδικά στα δίκτυα άνω της 5ης γενιάς, όπου η ΤΝ θα λειτουργεί ως βασικός παράγοντας. Η συλλογή και ανάλυση τεράστιων ποσοτήτων ετερογενών δεδομένων θα εγείρει αναπόφευκτα ζητήματα ιδιωτικότητας. Επιπλέον, καθώς αυξάνεται η ζήτηση για δεδομένα και συνδεσιμότητα, γίνεται φανερό ότι αυξάνεται και η ενεργειακή κατανάλωση των δικτύων κινητής τηλεφωνίας επόμενης γενιάς. Προς αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει το AURORA, έναν ενορχηστρωτή πόρων βασισμένο στην ΤΝ και με επίγνωση της ποιότητας υπηρεσίας, σχεδιασμένο να αντιμετωπίσει τις αναδυόμενες προκλήσεις. Με την αξιοποίηση τεχνολογιών στον τομέα της ΤΝ και της προγνωστικής ανάλυσης, το AURORA συμβάλλει άμεσα στη διατήρηση της ιδιωτικότητας των δεδομένων, την αξιοπιστία του δικτύου, την ενεργειακά αποδοτική κατανομή πόρων και τη διαχείριση υπηρεσιών με προδραστικό τρόπο. Η διατριβή αυτή παρουσιάζει έξι βασικές συνεισφορές για την υποστήριξη των νέων απαιτήσεων που προβλέπονται στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας επόμενης γενιάς. Η πρώτη βασική συνεισφορά της παρούσας διατριβής είναι ένα πλαίσιο κατανεμημένης ΤΝ με επίγνωση της ιδιωτικότητας για την πρόβλεψη της ποιότητας υπηρεσίας. Το πλαίσιο αυτό αντιπροσωπεύει μια νέα προσέγγιση για την έγκαιρη και ακριβή πρόβλεψη της ποιότητας υπηρεσίας για τους τελικούς χρήστες, αντιμετωπίζοντας κρίσιμες προκλήσεις όπως η προστασία των δεδομένων, η μείωση του φόρτου σηματοδότησης και η αποδοτικότητα υπολογισμών. Για την επίτευξη αυτών, το πλαίσιο μεταφέρει τη λειτουργικότητα πρόβλεψης από τον πυρήνα του δικτύου στο άκρο, επιτρέποντας στους κόμβους του δικτύου και τους τελικούς χρήστες να συνεργάζονται στη διαδικασία πρόβλεψης. Για να εξασφαλιστεί η προστασία της ιδιωτικότητας, το πλαίσιο ενσωματώνει τεχνικές κωδικοποίησης δεδομένων εισόδου σε εξαιρετικά περίπλοκες, συμπιεσμένες και μη αναστρέψιμες αναπαραστάσεις πριν από οποιαδήποτε μετάδοση. Η δεύτερη σημαντική συνεισφορά αυτής της διατριβής είναι ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο τοποθέτησης υπηρεσιών, που αντιμετωπίζει την κρίσιμη πρόκληση της αποδοτικής κατανομής των Εικονικών Δικτυακών Λειτουργιών (VNFs) και των αντίστοιχων διαδικτυακών διαδρομών στο υποκείμενο δίκτυο. Το προτεινόμενο πλαίσιο ενσωματώνει ευφυή ενορχήστρωση πόρων που διασφαλίζει τη συμμόρφωση με τους περιορισμούς των διαθέσιμων πόρων και τη βέλτιστη δρομολόγηση της κυκλοφορίας μεταξύ των VNFs, ενώ παράλληλα ελαχιστοποιεί τις καθυστερήσεις από άκρο σε άκρο. Αυτή η συνεισφορά επιτρέπει την παροχή υπηρεσιών υψηλής ποιότητας στα δίκτυα επόμενης γενιάς, όπου η βελτιστοποίηση των πόρων και οι εγγυήσεις απόδοσης είναι κρίσιμες. Η τρίτη συνεισφορά της διατριβής αντιμετωπίζει την κρίσιμη πρόκληση της κλιμάκωσης υπηρεσιών, παρέχοντας έναν μηχανισμό για δυναμική και προδραστική προσαρμογή της κατανομής πόρων σε μελλοντικές απαιτήσεις υπηρεσιών. Αυτό το πλαίσιο παρακολουθεί τις συνθήκες του δικτύου και προβλέπει αλλαγές στις απαιτήσεις πόρων, επιτρέποντας την προδραστική και αυτόματη κλιμάκωση των υπηρεσιών. Με την ενσωμάτωση ανάλυσης κυκλοφορίας σε πραγματικό χρόνο και προγνωστικών δυνατοτήτων, το πλαίσιο εξασφαλίζει την κατανομή επαρκών πόρων για τη διατήρηση της ποιότητας των υπηρεσιών. Η τέταρτη συνεισφορά εισάγει ένα έξυπνο πλαίσιο εξοικονόμησης ενέργειας που βελτιστοποιεί την ενεργειακή αποδοτικότητα των κατανεμημένων διαδικασιών ΤΝ στα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών. Αντιμετωπίζει προκλήσεις, όπως η υψηλή κατανάλωση ενέργειας, οι αναποτελεσματικότητες στη χρήση πόρων και ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος. Το πλαίσιο συντονίζει τους υπολογιστικούς και επικοινωνιακούς πόρους, δίνοντας έμφαση στην ετερογένεια των συσκευών, τη διανομή δεδομένων και την πολυπλοκότητα του εξεταζόμενου κατανεμημένου πλαισίου ΤΝ. Επιπλέον, ενσωματώνει ένα προσομοιωμένο περιβάλλον κατανεμημένης ΤΝ, το οποίο επιτρέπει την εξερεύνηση ενεργειακά αποδοτικών λύσεων χωρίς να απαιτείται η υψηλή υπολογιστική και ενεργειακή κατανάλωση που παρατηρείται σε μια πραγματική εκτέλεση. Η πέμπτη συνεισφορά είναι το SIM+, ένα ολιστικό και ανεξάρτητο από την υλοποίηση μοντέλο πληροφορίας που έχει σχεδιαστεί για την υποστήριξη των βελτιστοποιήσεων που βασίζονται στην ΤΝ στα επερχόμενα δίκτυα άνω της 5ης γενιάς. Το SIM+ αντιμετωπίζει τις αναδυόμενες προκλήσεις τυποποιώντας τις μορφές δεδομένων, διευκολύνοντας την επικοινωνία μεταξύ των οντοτήτων του δικτύου και απλοποιώντας τις πολυπλοκότητες των υποδομών μέσω ιεραρχικής αφαίρεσης. Η ευελιξία του SIM+ αποδεικνύεται μέσω της εφαρμογής του σε δύο εξέχουσες λύσεις βασισμένες στην ΤΝ. Η τελευταία συνεισφορά αυτής της διατριβής είναι μια πιθανή προσέγγιση για την υλοποίηση του σχήματος AURORA στις υπάρχουσες αρχιτεκτονικές κινητής τηλεφωνίας. Δεδομένης της συνεχιζόμενης εξέλιξης του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού για τα δίκτυα 5G Advanced και 6G και της έλλειψης τυποποιημένης αρχιτεκτονικής, αυτή η συνεισφορά χρησιμοποιεί την αρχιτεκτονική του συστήματος 5G (5GS) ως σημείο αναφοράς. Προτείνει μια εννοιολογική ενσωμάτωση που αναφέρεται στις σχετικές λειτουργίες του δικτύου στον πυρήνα, το άκρο και το RAN, και πώς καθεμία μπορεί να συμβάλει στο σχήμα AURORA.