Exploring the Future of Small Cells: Network Function Virtualization and Time Sensitive Networking

[ES] La rápida expansión de las redes de comunicación móvil 5G introduce funcionalidades avanzadas, incluyendo la integración crítica de celdas pequeñas (small cells - SC) y la virtualización de funciones de red (Network Function Virtualization - NFV), para satisfacer las demandas de baja latencia, alta capacidad de datos y conectividad fiable. Esta tesis investiga la incorporación de redes sensibles al tiempo (Time-Sensitive Networks - TSN) en arquitecturas SC dentro de entornos 5G, con el objetivo de facilitar la sincronización de datos en tiempo real y con alta fiabilidad, esencial para aplicaciones industriales. A través de análisis detallados, se explora el potencial de las celdas pequeñas habilitadas para TSN para lograr una sincronización precisa, empleando mecanismos de doble conectividad, segmentación de red y técnicas a nivel de capa física para mantener la precisión. Además, se propone el uso de un bucle de bloqueo de tiempo (Time Locked Loop - TLL) y del protocolo de tiempo de precisión generalizado (generalized Precision Time Protocol - gPTP), los cuales permiten una sincronización mejorada en entornos automatizados, abordando eficazmente los requisitos únicos de aplicaciones industriales IoT y de comunicaciones ultraconfiables y de baja latencia (Ultra-Reliable Low Latency Communication - URLLC). Los hallazgos ilustran las capacidades mejoradas de sincronización de las SC a través de traductores TSN de alta precisión, posicionados a nivel de celda, logrando tolerancias de sincronización de hasta diez nanosegundos, lo que abre el camino para futuras implementaciones de celdas pequeñas en la Industria 4.0 y más allá. La tesis aborda el problema de la sincronización de manera holística, analizando aspectos de diseño de protocolos, arquitectura y virtualización. La arquitectura desarrollada optimiza significativamente los recursos de red, reduce la complejidad de la señalización y mejora la capacidad del 5G para soportar aplicaciones industriales críticas, estableciendo una base para redes 6G escalables y de baja latencia.

[CA] L’expansió ràpida de les xarxes de comunicació mòbil 5G introdueix funcionalitats avançades, incloent-hi la integració crítica de les cel·les petites (small cells - SC) i la virtualització de funcions de xarxa (Network Function Virtualization - NFV), per tal de satisfer les demandes de baixa latència, alta capacitat de dades i connectivitat fiable. Aquesta tesi investiga la incorporació de la xarxa sensible al temps (Time-Sensitive Network - TSN) en arquitectures SC en 5G, amb l’objectiu de facilitar la sincronització de dades en temps real i d’alta fiabilitat, essencial per a aplicacions industrials. A través d’anàlisis detallades, s’explora el potencial de les cel·les petites habilitades per a TSN per aconseguir una sincronització precisa, emprant mecanismes innovadors de doble connectivitat, segmentació de xarxa i tècniques a nivell de capa física per mantenir la precisió. A més, un bucle de bloqueig de temps (Time Locked Loop - TLL) i el protocol de temps de precisió generalitzat (generalized Precision Time Protocol - gPTP) permeten una sincronització millorada per a entorns automatitzats, abordant eficaçment els requisits únics de les aplicacions de l’Internet de les Coses Industrial (Industrial Internet of Things - IIoT) i de les comunicacions ultraconfiables i de baixa latència (Ultra-Reliable Low Latency Communication - URLLC). Els resultats il·lustren les capacitats millorades de sincronització de les SC a través de traductors TSN d’alta precisió posicionats a nivell de cel·la, aconseguint toleràncies de sincronització de fins a deu nanosegons, obrint així el camí per a futures implementacions de cel·les petites en la Indústria 4.0 i més enllà. La tesi aborda el problema de la sincronització de manera holística, analitzant aspectes de disseny de protocols, arquitectura i virtualització. L’arquitectura desenvolupada optimitza significativament els recursos de xarxa, redueix la complexitat de la senyalització i millora la capacitat del 5G per donar suport a aplicacions industrials crítiques, establint una base sòlida per a xarxes 6G escalables i de baixa latència.

[EN] The rapid expansion of 5G mobile communication networks introduces advanced functionalities, including the critical integration of Small Cells (SC) and Network Function Virtualization (NFV) to meet the demands for low latency, high data capacity, and reliable connectivity. This thesis investigates the incorporation of Time-Sensitive Networking (TSN) into 5G SC architectures to enable reliable, real-time data synchronization, which is essential for industrial applications. Through detailed analyses, it explores the potential of TSN-enabled small cells to achieve precise synchronization by employing novel dual connectivity mechanisms, network slicing, and physical layer techniques to maintain timing accuracy. Additionally, the use of a Time-Locked Loop (TLL) and the generalized Precision Time Protocol (gPTP) enhances synchronization in automated environments, effectively addressing the unique requirements of Industrial Internet of Things (IIoT) and Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC) applications. The findings demonstrate the improved synchronization capabilities of SCs through the deployment of high-precision TSN translators at the cell level, achieving synchronization tolerances as low as ten nanoseconds. These results pave the way for future deployments of small cells in Industry 4.0 and beyond. The thesis addresses the synchronization problem holistically, examining aspects of protocol design, network architecture, and virtualization. The proposed architecture optimizes network resources, reduces signaling complexity, and enhances the capacity of 5G networks to support critical industrial applications, thereby establishing a solid foundation for scalable, low-latency 6G networks.