Resource management in sliced converged optical-wireless 6G networks: from strategic dimensioning to dynamic service provisioning
Mohammadreza Mosahebfard · 2026
(English) The evolution toward the 6th Generation (6G) networks relies on converged optical-wireless infrastructures and virtualization technologies like Network Functions Virtualization (NFV) to support diverse services through Network Slicing. While enabling flexibility, these paradigms introduce profound complexity in managing shared computational and com-municational resources. This thesis addresses this challenge by identifying a fundamental temporal duality in resource management, spanning the strategic need for agile capacity planning to the operational necessity of real-time service provisioning. This complexity is further aggravated by the presence of various network slices, each with distinct Quality of Service (QoS) requirements. To resolve this dichotomy, distinct methodologies are developed within this PhD thesis. To address the strategic domain, where Mobile Virtual Network Operators (MVNOs) require rapid dimensioning tools for flexible resource leasing, this PhD thesis develops a computationally efficient analytical framework based on one-dimensional Markov chains. Uniquely, this model captures resource occupancy at two levels: physical resources governing Service Function Chain (SFC) instantiation, and virtual resources governing user admission. This stratified modeling avoids state-space explosion while accurately calculating admission ratios, achieving relative errors typically below 2% compared to simulations. The framework is applied to determine the minimum resources required to achieve target admission ratios under varying arrival rates, as well as to identify the necessary capacity to meet different target admission rates under constant traffic loads. This capability enables rapid offline dimensioning to guarantee Quality of Service (QoS) thresholds, offering a scalable alternative to time-consuming simulations and resource-exhaustive optimization approaches. Complementing this, the operational challenge of online SFC Embedding (SFCE) is addressed. Recognizing the NP-hardness of the embedding problem with the objective of jointly minimizing holistic power consumption and blocking probability, HORIZON, a novel holistic heuristic designed to optimize Mobile Virtual Network Operator (MVNO) operational efficiency, is developed. It employs a proactive backward placement strategy coupled with power and latency-aware segmental routing, and integrates comprehensive power models for both servers and Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexers (ROADMs). By enforcing strict inter-slice isolation while maximizing intra-slice efficiency, HORIZON achieves power efficiency within 15% of optimal Integer Linear Programming (ILP) bounds under resource-constrained scenarios. Evaluations across four realistic network topologies demonstrate execution times of 10–18 ms per service request (38–67 times faster than optimal solvers), power savings up to 23.6% compared to state-of-the-art heuristics, and negligible blocking rates, enabling MVNOs to minimize OPerational EXpenditure (OPEX) while strictly adhering to Service Level Agreements (SLAs). (Català) L’evolució cap a les xarxes 6G es basa en infraestructures convergents òptico-sense fils i tecnologies com la Virtualització de Funcions de Xarxa (NFV) per suportar serveis via Network Slicing. Tot i la flexibilitat, aquests paradigmes compliquen la gestió de recursos compartits. Aquesta tesi aborda el repte identificant una dualitat temporal en la gestió: des de la planificació estratègica de capacitat fins a l’aprovisionament tàctic en temps real. Aquesta complexitat s’agreuja per la coexistència de slices amb diferents requisits de Qualitat de Servei (QoS). Per resoldre aquesta dicotomia, es desenvolupen metodologies específiques. Per abordar el domini estratègic, on els Operadors de Xarxes Virtuals (MVNOs) requereixen eines de dimensionament ràpid per a l’arrendament flexible de recursos, aquesta tesi doctoral desenvolupa un marc analític computacionalment eficient basat en cadenes de Markov unidimensionals. De manera única, aquest model captura l’ocupació de recursos en dos nivells: recursos físics que governen la instanciació de Cadenes de Funcions de Servei (SFC), i recursos virtuals que governen l’admissió d’usuaris. Aquest modelatge estratificat evita l’explosió de l’espai d’estats mentre calcula amb precisió les taxes d’admissió, assolint errors relatius típicament inferiors al 2% en comparació amb simulacions. El marc s’aplica per determinar els recursos mínims requerits per assolir taxes d’admissió objectiu sota taxes d’arribada variables, així com per identificar la capacitat necessària per complir amb diferents objectius d’admissió sota càrregues de trànsit constants. Aquesta capacitat permet un dimensionament ràpid fora de línia per garantir llindars de QoS, oferint una alternativa escalable a simulacions que consumeixen molt de temps i enfocaments d’optimització exhaustius en recursos. Complementant això, s’aborda el repte tàctic de la Incrustació de SFC en línia (SFCE). Reconeixent la duresa NP del problema d’incrustació amb l’objectiu de minimitzar conjuntament el consum d’energia holístic i la probabilitat de bloqueig, es desenvolupa HORIZON, una nova heurística holística dissenyada per optimitzar l’eficiència operativa dels MVNO. Utilitza una estratègia de col·locació proactiva cap enrere acoblada amb enrutament segmentat conscient de potència i latència, i integra models de potència integrals tant per a servidors com per a Multiplexors d’Inserció-Extracció Òptica Reconfigurables (ROADMs). En imposar un estricte aïllament entre slices mentre maximitza l’eficiència intra-slice, HORIZON assoleix una eficiència energètica dins del 15% dels límits òptims ILP en escenaris amb recursos limitats. Les avaluacions en quatre topologies realistes demostren temps d’execució de 10–18 ms per sol·licitud (38–67 vegades més ràpid que solucions òptimes), estalvis d’energia de fins al 23.6% comparat amb heurístiques de l’estat de l’art, i baixes taxes de bloqueig, permetent als MVNO minimitzar OPEX mentre s’adhereixen estrictament als SLAs. (Español) La evolución hacia las redes 6G se basa en infraestructuras convergentes óptico-inalámbricas y tecnologías de virtualización como la Virtualización de Funciones de Red (NFV) para soportar diversos servicios a través del Network Slicing. Si bien permiten flexibilidad, estos paradigmas introducen una profunda complejidad en la gestión de recursos computacionales y comunicacionales compartidos. Esta tesis aborda este desafío identificando una dualidad temporal fundamental en la gestión de recursos, que abarca distintas escalas de tiempo: desde la necesidad estratégica de una planificación ágil de la capacidad hasta la necesidad táctica de aprovisionamiento de servicios en tiempo real. Esta complejidad se ve exacerbada por la presencia de varios slices de red, cada uno con distintos requisitos de Calidad de Servicio (QoS). Para resolver esta dicotomía, en esta tesis doctoral se desarrollan metodologías distintas. Para el dominio estratégico, donde los Operadores de Redes Virtuales (MVNOs) requieren dimensionamiento rápido, se desarrolla un marco analítico eficiente basado en cadenas de Markov unidimensionales. Este modelo captura la ocupación de recursos en dos niveles: físicos (instanciación de Cadenas de Funciones de Servicio, SFC) y virtuales (admisión de usuarios). Este enfoque estratificado evita la explosión de estados y calcula tasas de admisión con errores inferiores al 2% respecto a simulaciones. El marco determina los recursos mínimos para lograr objetivos de admisión bajo cargas variables o constantes. Esto permite un dimensionamiento rápido fuera de línea para garantizar la QoS, ofreciendo una alternativa escalable a simulaciones lentas y optimizaciones costosas. Complementando esto, se aborda el desafío táctico de la Incrustación de SFC en línea (SFCE). Reconociendo la dureza NP del problema de incrustación con el objetivo de minimizar conjuntamente el consumo de energía holístico y la probabilidad de bloqueo, se desarrolla HORIZON, una novedosa heurística holística diseñada para optimizar la eficiencia operativa de los MVNO. Emplea una estrategia de colocación proactiva hacia atrás acoplada con enrutamiento segmentado consciente de potencia y latencia, e integra modelos de potencia integrales tanto para servidores como para Multiplexores de Inserción-Extracción Óptica Reconfigurables (ROADMs). Al imponer un estricto aislamiento entre slices mientras maximiza la eficiencia intra-slice, HORIZON logra una eficiencia energética dentro del 15% de los límites óptimos ILP en escenarios con recursos limitados. Las evaluaciones en cuatro topologías realistas demuestran tiempos de ejecución de 10–18 ms por solicitud (38–67 veces más rápido que soluciones óptimas), ahorros de energía hasta del 23.6% comparado con heurísticas del estado del arte, y bajas tasas de bloqueo, permitiendo a los MVNO minimizar OPEX mientras se adhieren estrictamente a los SLAs.