[ES] Una de las principales preocupaciones de los centros de datos actuales es maximizar la utilización de los servidores. En cada servidor se ejecutan simultáneamente varias aplicaciones para aumentar la eficiencia de los recursos. Sin embargo, las prestaciones dependen en gran medida de la proporción de recursos que recibe cada aplicación. El mayor número de núcleos (y de aplicaciones ejecutándose) con cada nueva generación de procesadores hace que crezca la preocupación por la interferencia en los recursos compartidos. Esta tesis se centra en mitigar la interferencia cuando diferentes aplicaciones se consolidan en un mismo procesador desde dos perspectivas: computación de alto rendimiento (HPC) y computación en la nube. En el contexto de HPC, esta tesis propone políticas de gestión para dos de los recursos más críticos: la caché de último nivel (LLC) y los núcleos del procesador. La LLC desempeña un papel clave en las prestaciones de los procesadores actuales al reducir considerablemente el número de accesos de alta latencia a memoria principal. Se proponen estrategias de particionado de la LLC tanto para cachés inclusivas como no inclusivas, ambos diseños presentes en los procesadores para servidores actuales. Para los esquemas, se detectan nuevos comportamientos problemáticos y se asigna un mayor espacio de caché a las aplicaciones que hacen mejor uso de este. En cuanto a los núcleos del procesador, muchas aplicaciones paralelas (como aplicaciones de grafos) no escalan bien con un mayor número de núcleos. Además, el planificador de Linux aplica una estrategia de tiempo compartido que no ofrece buenas prestaciones cuando se ejecutan aplicaciones de grafo. Para maximizar la utilización del sistema, esta tesis propone ejecutar múltiples aplicaciones de grafo en el mismo procesador, asignando a cada una el número óptimo de núcleos (y adaptando el número de hilos creados) dinámicamente. En cuanto a la computación en la nube, esta tesis aborda tres grandes retos: la compleja infraestructura de estos sistemas, las características de sus aplicaciones y el impacto de la interferencia entre máquinas virtuales (MV). Primero, esta tesis presenta la plataforma experimental desarrollada con los principales componentes de un sistema en la nube. Luego, se presenta un amplio estudio de caracterización sobre un conjunto de aplicaciones de latencia crítica representativas con el fin de identificar los puntos que los proveedores de servicios en la nube deben tener en cuenta para mejorar el rendimiento y la utilización de los recursos. Por último, se realiza una propuesta que permite detectar y estimar dinámicamente la interferencia entre MV. El enfoque usa métricas que pueden monitorizarse fácilmente en la nube pública, ya que las MV deben tratarse como "cajas negras". Toda la investigación descrita se lleva a cabo respetando las restricciones y cumpliendo los requisitos para ser aplicable en entornos de producción de nube pública. En resumen, esta tesis aborda la contención en los principales recursos compartidos del sistema en el contexto de la consolidación de servidores. Los resultados experimentales muestran importantes ganancias sobre Linux. En los procesadores con LLC inclusiva, el tiempo de ejecución (TT) se reduce en más de un 40%, mientras que se mejora el IPC más de un 3%. Con una LLC no inclusiva, la equidad y el TT mejoran en un 44% y un 24%, respectivamente, al mismo tiempo que se mejora el rendimiento hasta un 3,5%. Al distribuir los núcleos del procesador de forma eficiente, se alcanza una equidad casi perfecta (94%), y el TT se reduce hasta un 80%. En entornos de computación en la nube, la degradación del rendimiento puede estimarse con un error de un 5% en la predicción global. Todas las propuestas presentadas han sido diseñadas para ser aplicadas en procesadores comerciales sin requerir ninguna información previa, tomando las decisiones dinámicamente con datos recogidos de los contadores de prestaciones. / [CAT] Una de les principals preocupacions dels centres de dades actuals és maximitzar la utilització dels servidors. A cada servidor s'executen simultàniament diverses aplicacions per augmentar l'eficiència dels recursos. Tot i això, el rendiment depèn en gran mesura de la proporció de recursos que rep cada aplicació. El nombre creixent de nuclis (i aplicacions executant-se) amb cada nova generació de processadors fa que creixca la preocupació per l'efecte causat per les interferències en els recursos compartits. Aquesta tesi se centra a mitigar la interferència en els recursos compartits quan diferents aplicacions es consoliden en un mateix processador des de dues perspectives: computació d'alt rendiment (HPC) i computació al núvol. En el context d'HPC, aquesta tesi proposa polítiques de gestió per a dos dels recursos més crítics: la memòria cau d'últim nivell (LLC) i els nuclis del processador. La LLC exerceix un paper clau a les prestacions del sistema en els processadors actuals reduint considerablement el nombre d'accessos d'alta latència a la memòria principal. Es proposen estratègies de particionament de la LLC tant per a caus inclusives com no inclusives, ambdós dissenys presents en els processadors actuals. Per als dos esquemes, se detecten nous comportaments problemàtics i s'assigna un major espai de memòria cau a les aplicacions que en fan un millor ús. Pel que fa als nuclis del processador, moltes aplicacions paral·leles (com les aplicacions de graf) no escalen bé a mesura que s'incrementa el nombre de nuclis. A més, el planificador de Linux aplica una estratègia de temps compartit que no ofereix bones prestacions quan s'executen aplicacions de graf. Per maximitzar la utilització del sistema, aquesta tesi proposa executar múltiples aplicacions de grafs al mateix processador, assignant a cadascuna el nombre òptim de nuclis (i adaptant el nombre de fils creats) dinàmicament. Pel que fa a la computació al núvol, aquesta tesi aborda tres grans reptes: la complexa infraestructura d'aquests sistemes, les característiques de les seues aplicacions i l'impacte de la interferència entre màquines virtuals (MV). En primer lloc, aquesta tesi presenta la plataforma experimental desenvolupada amb els principals components d'un sistema al núvol. Després, es presenta un ampli estudi de caracterització sobre un conjunt d'aplicacions de latència crítica representatives per identificar els punts que els proveïdors de serveis al núvol han de tenir en compte per millorar el rendiment i la utilització dels recursos. Finalment, es fa una proposta que de manera dinàmica permet detectar i estimar la interferència entre MV. L'enfocament es basa en mètriques que es poden monitoritzar fàcilment al núvol públic, ja que les MV han de tractar-se com a "caixes negres". Tota la investigació descrita es duu a terme respectant les restriccions i complint els requisits per ser aplicable en entorns de producció al núvol públic. En resum, aquesta tesi aborda la contenció en els principals recursos compartits del sistema en el context de la consolidació de servidors. Els resultats experimentals mostren que s'obtenen importants guanys sobre Linux. En els processadors amb una LLC inclusiva, el temps d'execució (TT) es redueix en més d'un 40%, mentres que es millora l'IPC en més d'un 3%. En una LLC no inclusiva, l'equitat i el TT es milloren en un 44% i un 24%, respectivament, al mateix temps que s'obté una millora del rendiment de fins a un 3,5%. Distribuint els nuclis del processador de manera eficient es pot obtindre una equitat quasi perfecta (94%), i el TT pot reduir-se fins a un 80%. En entorns de computació al núvol, la degradació del rendiment pot estimar-se amb un error de predicció global d'un 5%. Totes les propostes presentades en aquesta tesi han sigut dissenyades per a ser aplicades en processadors de servidors comercials sense requerir cap informació prèvia, prenent decisions dinàmicament amb dades recollides dels comptadors de prestacions. / [EN] One of the main concerns of today's data centers is to maximize server utilization. In each server processor, multiple applications are executed concurrently, increasing resource efficiency. However, performance and fairness highly depend on the share of resources that each application receives, leading to performance unpredictability. The rising number of cores (and running applications) with every new generation of processors is leading to a growing concern for interference at the shared resources. This thesis focuses on addressing resource interference when different applications are consolidated on the same server processor from two main perspectives: high-performance computing (HPC) and cloud computing. In the context of HPC, resource management approaches are proposed to reduce inter-application interference at two major critical resources: the last level cache (LLC) and the processor cores. The LLC plays a key role in the system performance of current multi-cores by reducing the number of long-latency main memory accesses. LLC partitioning approaches are proposed for both inclusive and non-inclusive LLCs, as both designs are present in current server processors. In both cases, newly problematic LLC behaviors are identified and efficiently detected, granting a larger cache share to those applications that use best the LLC space. As for processor cores, many parallel applications, like graph applications, do not scale well with an increasing number of cores. Moreover, the default Linux time-sharing scheduler performs poorly when running graph applications, which process vast amounts of data. To maximize system utilization, this thesis proposes to co-locate multiple graph applications on the same server processor by assigning the optimal number of cores to each one, dynamically adapting the number of threads spawned by the running applications. When studying the impact of system-shared resources on cloud computing, this thesis addresses three major challenges: the complex infrastructure of cloud systems, the nature of cloud applications, and the impact of inter-VM interference. Firstly, this thesis presents the experimental platform developed to perform representative cloud studies with the main cloud system components (hardware and software). Secondly, an extensive characterization study is presented on a set of representative latency-critical workloads which must meet strict quality of service (QoS) requirements. The aim of the studies is to outline issues cloud providers should consider to improve performance and resource utilization. Finally, we propose an online approach that detects and accurately estimates inter-VM interference when co-locating multiple latency-critical VMs. The approach relies on metrics that can be easily monitored in the public cloud as VMs are handled as ``black boxes''. The research described above is carried out following the restrictions and requirements to be applicable to public cloud production systems. In summary, this thesis addresses contention in the main system shared resources in the context of server consolidation, both in HPC and cloud computing. Experimental results show that important gains are obtained over the Linux OS scheduler by reducing interference. In inclusive LLCs, turnaround time (TT) is reduced by over 40% while improving IPC by more than 3%. In non-inclusive LLCs, fairness and TT are improved by 44% and 24%, respectively, while improving performance by up to 3.5%. By distributing core resources efficiently, almost perfect fairness can be obtained (94%), and TT can be reduced by up to 80%. In cloud computing, performance degradation due to resource contention can be estimated with an overall prediction error of 5%. All the approaches proposed in this thesis have been designed to be applied in commercial server processors without requiring any prior information, making decisions dynamically with data collected from hardware performance counters. / Pons Escat, L. (2023). Interference Analysis and Resource Management in Server Processors: from HPC to Cloud Computing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195840

Time Sensitive Networking (TSN) defined in the IEEE 802.1 working group, is an important enabler for industrial Internet of things, specifically industry 4.0. 3GPP release 16 specifications includes the 5G system as a logical TSN bridge, thus promoting the integration of 5G technology with TSN. This combination provides wireless deterministic communication thus ensuring low, bounded delay and near-zero packet loss. In this thesis, we implement a 5G system in- tegration with TSN using a discrete event network simulator (NS-3). Further, we propose a simplified per egress port scheduling algorithm based on IEEE 802.1Q (scheduled traffic standard) running in the Centralized Network Con- troller (CNC). Average packet delay, average jitter, average throughput and the packet loss is measured for comparing the performance difference when our TSN scheduler is used versus when it is not. The designed system is tested by measuring it’s network impact in terms of average delay and packet loss. The 5GS logical bridge behavior is simulated by varying the 5G bridge de- lay dynamically. For every frame transmission in the queue, the processing delay of a particular bridge is varied with pre-defined set of values. Two sets of 5GS bridge delay variations are considered, i.e. between 1-10ms and 5- 10ms respectively. On calculating the network impact, we conclude that the overall impact on the network decreases as the variation range for the delay gets smaller. This proves that higher delay variations have a significant impact whereas smaller delay variations have a negligible impact on the network. For the latter case, the system delay is considerably stable and thus can be used for industrial applications in real-life TSN scenarios. / Tidskritiska nätverk (TSN) definierat i IEEE 802.1-arbetsgruppen, är en vik- tig faktor för det industriella Sakernas Internet, särskilt när det gäller Industri4.0. Specifikationer enligt 3GPP release 16 inkluderar 5G-system som en lo- gisk TSN-brygga, som främjar integrationen av 5G-teknik med TSN. 5G med TSN ger trådlös deterministisk kommunikation som säkerställer låg, begrän- sad fördröjning och nästan noll paketförlust. I denna rapport implementerar vi en 5G-systemintegration med TSN med hjälp av en diskret händelse simu- lator (NS-3). Dessutom föreslår vi en förenklad algoritm för schemaläggning av portar per utgång baserat på IEEE 802.1Q (Scheduled Traffic Standard) som körs i en centraliserad nätverks-controller (CNC). Genomsnittlig paket- fördröjning, genomsnittlig fördröjningsvariation, genomsnittlig genomström- ning och paketförlust mäts för att jämföra prestandaskillnaden när vår TSN- schemaläggare används jämfört med när den inte används. Det utformade sy- stemet testas genom att mäta nätverkets påverkan i termer av genomsnittlig fördröjning och paketförlust. 5GS logiska bryggbeteende simuleras genom att dynamiskt variera 5G-bryggfördröjningen. För varje bildöverföring varieras bryggans bearbetningsfördröjning med en fördefinierad uppsättning värden. Två fördefinierade uppsättningar av 5GS-fördröjningsvariationer beaktas som ligger mellan 1-10ms respektive 5-10ms. När vi beräknar nätverkspåverkan drar vi slutsatsen att den totala effekten på nätverket minskar när variationen i fördröjningen blir mindre. Detta visar att högre fördröjningsvariationer har en signifikant effekt medan mindre fördröjningsvariationer har en försumbar effekt. I det senare fallet är systemfördröjningen betydligt stabilare och kan användas för tillämpningar i verkliga TSN-scenarier.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται τεχνικές για την βελτιστοποίηση της ποιότητας των παρεχομένων υπηρεσιών στους χρήστες σύγχρονων ασύρματων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων που ως τεχνολογίες πρόσβασης έχουν την πολλαπλή πρόσβαση ορθογωνικής διαίρεσης συχνότητας και την πολλαπλή πρόσβαση διαίρεσης κώδικα. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν αφορούν επαναληπτικούς αλγόριθμους κατανομής των διαθέσιμων ραδιοπόρων και εφαρμόζοναι κυρίως στην κατερχόμενη των ασύρματων συστημάτων. Ως παράμετροι της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών θεωρούνται: το ελάχιστο απαιτούμενο επίπεδο ρυθμού μετάδοσης των δεδομέων, ο ρυθμός των λανθασμέων bit, και η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα ραδιοπόρων σε κάθε χρήστη. Η αξιολόγηση των τεχνικών που προτείνονται γίνεται μέσω δεικτών της απόδοσής τους, οι οποίοι είναι: η πιθανότητα παραβίασης της ποιότητας της υπηρεσίας, ο δείκτης δικαιοσύνης του συστήματος, ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων στα άκρα της κυψέλης και η χωρητικότητα της κυψέλης. Για την εξαγωγή των δεικτών αυτών είναι απαραίτητα στατιστικά δεδομένα, τα οποία συλλέγονται μέσα από μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων. / This doctoral thesis proposes QoS optimization techniques in modern wireless telecommunication systems, whereby orthogonal frequency division multiple access and code division are used. The proposed techniques are iterative resource allocation algorithms which are mainly suitable for the downlink of wireless networks. The minimum required level of data rate, the bit error rate and the minimum number of resources per user are considered as quality of service parameters. The validation of the proposed techniques is done through the performance of performance metrics like the : the quality of service violation probability, the system fairness index, the cell-edge data rate and the cell capacity. Statistical data are required which are collected through extensive simulation

[pt] Este trabalho descreve uma ferramenta de simulação esenvolvida para analisar o gerenciamento dos recursos de rádio e parâmetros de QoS (Quality of Service) dos sistemas móveis celulares. Pela natureza de um sistema real de telefonia celular, é extremamente difícil que as variáveis de saída de um simulador sejam derivadas de um conjunto real de funções. Isso se deve à grande quantidade de parâmetros que devem ser considerados no comportamento da mobilidade, nas condições de tráfego, nas características geográficas e morfológicas da região, na modelagem complexa do canal rádio propagação móvel, entre outras. Visando a desenvolver uma ferramenta de simulação próxima da realidade, adotam-se modelos de propagação, de mobilidade e de tráfego que sejam satisfatoriamente adequados ao caso real. A contribuição deste trabalho é oferecer uma ferramenta de simulação flexível, aqui adequada ao sistema norte-americano TDMA (IS-136), que possibilite ao usuário, além de analisar a capacidade do sistema,também avaliar novos algoritmos de controle de potência, novas estratégias de handoff, novos esquemas de alocação de canal e modelos de propagação. A ferramenta será validada seguindo o processo de um projeto real de telefonia celular e ao final, será aplicada a um sistema celular com sobreposição macro-células/micro-células, analisando-se algumas estratégias de handoff dedicadas a esses sistemas. / [en] This work describes a simulation tool, which was developed to analyze the radio resources and QoS (Quality of Service) parameters in mobile systems. Because of the complex characteristics of an actual cellular network, it is extremely difficult having the outputs of the simulator being derived from a real set of functions, due to the large amount of parameters that have to be considered such as the mobility behavior, the traffic conditions, the geographic and morphologic characteristics of the region, the complex modeling of mobile radio propagation channel, and so on. In order to develop a simulation tool as near as possible to the reality, models that are satisfactorily adequate to the real case have been considered. So, propagation, mobility and traffic models were adapted from the IS-136 American system. The contribution of this work is to offer a flexible simulation tool that allows the user, in addition to analyzing the capacity of the system, to evaluate new algorithms of power control, handoff strategies, channel allocation schemes and propagation models. The tool will be validated following the process of a real project of cellular telephony and at the end, it will be applied to a cellular system with overlapped macro- cells/micro-cells, and some handoff strategies dedicated to those systems will be analyzed.

La quinta generación de redes móviles (5G) se encuentra a la vuelta de la esquina. Se espera provea de beneficios extraordinarios a la población y que resuelva la mayoría de los problemas de las redes 4G actuales. El éxito de 5G, cuya primera fase de estandarización ha sido completada, depende de tres pilares: comunicaciones tipo-máquina masivas, banda ancha móvil mejorada y comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (mMTC, eMBB y URLLC, respectivamente). En esta tesis nos enfocamos en el primer pilar de 5G, mMTC, pero también proveemos una solución para lograr eMBB en escenarios de distribución masiva de contenidos. Específicamente, las principales contribuciones son en las áreas de: 1) soporte eficiente de mMTC en redes celulares; 2) acceso aleatorio para el reporte de eventos en redes inalámbricas de sensores (WSNs); y 3) cooperación para la distribución masiva de contenidos en redes celulares. En el apartado de mMTC en redes celulares, esta tesis provee un análisis profundo del desempeño del procedimiento de acceso aleatorio, que es la forma mediante la cual los dispositivos móviles acceden a la red. Estos análisis fueron inicialmente llevados a cabo por simulaciones y, posteriormente, por medio de un modelo analítico. Ambos modelos fueron desarrollados específicamente para este propósito e incluyen uno de los esquemas de control de acceso más prometedores: access class barring (ACB). Nuestro modelo es uno de los más precisos que se pueden encontrar en la literatura y el único que incorpora el esquema de ACB. Los resultados obtenidos por medio de este modelo y por simulación son claros: los accesos altamente sincronizados que ocurren en aplicaciones de mMTC pueden causar congestión severa en el canal de acceso. Por otro lado, también son claros en que esta congestión se puede prevenir con una adecuada configuración del ACB. Sin embargo, los parámetros de configuración del ACB deben ser continuamente adaptados a la intensidad de accesos para poder obtener un desempeño óptimo. En la tesis se propone una solución práctica a este problema en la forma de un esquema de configuración automática para el ACB; lo llamamos ACBC. Los resultados muestran que nuestro esquema puede lograr un desempeño muy cercano al óptimo sin importar la intensidad de los accesos. Asimismo, puede ser directamente implementado en redes celulares para soportar el tráfico mMTC, ya que ha sido diseñado teniendo en cuenta los estándares del 3GPP. Además de los análisis descritos anteriormente para redes celulares, se realiza un análisis general para aplicaciones de contadores inteligentes. Es decir, estudiamos un escenario de mMTC desde la perspectiva de las WSNs. Específicamente, desarrollamos un modelo híbrido para el análisis de desempeño y la optimización de protocolos de WSNs de acceso aleatorio y basados en cluster. Los resultados muestran la utilidad de escuchar el medio inalámbrico para minimizar el número de transmisiones y también de modificar las probabilidades de transmisión después de una colisión. En lo que respecta a eMBB, nos enfocamos en un escenario de distribución masiva de contenidos, en el que un mismo contenido es enviado de forma simultánea a un gran número de usuarios móviles. Este escenario es problemático, ya que las estaciones base de la red celular no cuentan con mecanismos eficientes de multicast o broadcast. Por lo tanto, la solución que se adopta comúnmente es la de replicar e contenido para cada uno de los usuarios que lo soliciten; está claro que esto es altamente ineficiente. Para resolver este problema, proponemos el uso de esquemas de network coding y de arquitecturas cooperativas llamadas nubes móviles. En concreto, desarrollamos un protocolo para la distribución masiva de contenidos, junto con un modelo analítico para su optimización. Los resultados demuestran que el modelo propuesto es simple y preciso, y que el protocolo puede reducir el con / La cinquena generació de xarxes mòbils (5G) es troba molt a la vora. S'espera que proveïsca de beneficis extraordinaris a la població i que resolga la majoria dels problemes de les xarxes 4G actuals. L'èxit de 5G, per a la qual ja ha sigut completada la primera fase del qual d'estandardització, depén de tres pilars: comunicacions tipus-màquina massives, banda ampla mòbil millorada, i comunicacions ultra fiables i de baixa latència (mMTC, eMBB i URLLC, respectivament, per les seues sigles en anglés). En aquesta tesi ens enfoquem en el primer pilar de 5G, mMTC, però també proveïm una solució per a aconseguir eMBB en escenaris de distribució massiva de continguts. Específicament, les principals contribucions són en les àrees de: 1) suport eficient de mMTC en xarxes cel·lulars; 2) accés aleatori per al report d'esdeveniments en xarxes sense fils de sensors (WSNs); i 3) cooperació per a la distribució massiva de continguts en xarxes cel·lulars. En l'apartat de mMTC en xarxes cel·lulars, aquesta tesi realitza una anàlisi profunda de l'acompliment del procediment d'accés aleatori, que és la forma mitjançant la qual els dispositius mòbils accedeixen a la xarxa. Aquestes anàlisis van ser inicialment dutes per mitjà de simulacions i, posteriorment, per mitjà d'un model analític. Els models van ser desenvolupats específicament per a aquest propòsit i inclouen un dels esquemes de control d'accés més prometedors: el access class barring (ACB). El nostre model és un dels més precisos que es poden trobar i l'únic que incorpora l'esquema d'ACB. Els resultats obtinguts per mitjà d'aquest model i per simulació són clars: els accessos altament sincronitzats que ocorren en aplicacions de mMTC poden causar congestió severa en el canal d'accés. D'altra banda, també són clars en què aquesta congestió es pot previndre amb una adequada configuració de l'ACB. No obstant això, els paràmetres de configuració de l'ACB han de ser contínuament adaptats a la intensitat d'accessos per a poder obtindre unes prestacions òptimes. En la tesi es proposa una solució pràctica a aquest problema en la forma d'un esquema de configuració automàtica per a l'ACB; l'anomenem ACBC. Els resultats mostren que el nostre esquema pot aconseguir un acompliment molt proper a l'òptim sense importar la intensitat dels accessos. Així mateix, pot ser directament implementat en xarxes cel·lulars per a suportar el trànsit mMTC, ja que ha sigut dissenyat tenint en compte els estàndards del 3GPP. A més de les anàlisis descrites anteriorment per a xarxes cel·lulars, es realitza una anàlisi general per a aplicacions de comptadors intel·ligents. És a dir, estudiem un escenari de mMTC des de la perspectiva de les WSNs. Específicament, desenvolupem un model híbrid per a l'anàlisi de prestacions i l'optimització de protocols de WSNs d'accés aleatori i basats en clúster. Els resultats mostren la utilitat d'escoltar el mitjà sense fil per a minimitzar el nombre de transmissions i també de modificar les probabilitats de transmissió després d'una col·lisió. Pel que fa a eMBB, ens enfoquem en un escenari de distribució massiva de continguts, en el qual un mateix contingut és enviat de forma simultània a un gran nombre d'usuaris mòbils. Aquest escenari és problemàtic, ja que les estacions base de la xarxa cel·lular no compten amb mecanismes eficients de multicast o broadcast. Per tant, la solució que s'adopta comunament és la de replicar el contingut per a cadascun dels usuaris que ho sol·liciten; és clar que això és altament ineficient. Per a resoldre aquest problema, proposem l'ús d'esquemes de network coding i d'arquitectures cooperatives anomenades núvols mòbils. En concret, desenvolupem un protocol per a realitzar la distribució massiva de continguts de forma eficient, juntament amb un model analític per a la seua optimització. Els resultats demostren que el model proposat és simple i precís / The 5th generation (5G) of mobile networks is just around the corner. It is expected to bring extraordinary benefits to the population and to solve the majority of the problems of current 4th generation (4G) systems. The success of 5G, whose first phase of standardization has concluded, relies in three pillars that correspond to its main use cases: massive machine-type communication (mMTC), enhanced mobile broadband (eMBB), and ultra-reliable low latency communication (URLLC). This thesis mainly focuses on the first pillar of 5G: mMTC, but also provides a solution for the eMBB in massive content delivery scenarios. Specifically, its main contributions are in the areas of: 1) efficient support of mMTC in cellular networks; 2) random access (RA) event-reporting in wireless sensor networks (WSNs); and 3) cooperative massive content delivery in cellular networks. Regarding mMTC in cellular networks, this thesis provides a thorough performance analysis of the RA procedure (RAP), used by the mobile devices to switch from idle to connected mode. These analyses were first conducted by simulation and then by an analytical model; both of these were developed with this specific purpose and include one of the most promising access control schemes: the access class barring (ACB). To the best of our knowledge, this is one of the most accurate analytical models reported in the literature and the only one that incorporates the ACB scheme. Our results clearly show that the highly-synchronized accesses that occur in mMTC applications can lead to severe congestion. On the other hand, it is also clear that congestion can be prevented with an adequate configuration of the ACB scheme. However, the configuration parameters of the ACB scheme must be continuously adapted to the intensity of access attempts if an optimal performance is to be obtained. We developed a practical solution to this problem in the form of a scheme to automatically configure the ACB; we call it access class barring configuration (ACBC) scheme. The results show that our ACBC scheme leads to a near-optimal performance regardless of the intensity of access attempts. Furthermore, it can be directly implemented in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) cellular systems to efficiently handle mMTC because it has been designed to comply with the 3GPP standards. In addition to the analyses described above for cellular networks, a general analysis for smart metering applications is performed. That is, we study an mMTC scenario from the perspective of event detection and reporting WSNs. Specifically, we provide a hybrid model for the performance analysis and optimization of cluster-based RA WSN protocols. Results showcase the utility of overhearing to minimize the number of packet transmissions, but also of the adaptation of transmission parameters after a collision occurs. Building on this, we are able to provide some guidelines that can drastically increase the performance of a wide range of RA protocols and systems in event reporting applications. Regarding eMBB, we focus on a massive content delivery scenario in which the exact same content is transmitted to a large number of mobile users simultaneously. Such a scenario may arise, for example, with video streaming services that offer a particularly popular content. This is a problematic scenario because cellular base stations have no efficient multicast or broadcast mechanisms. Hence, the traditional solution is to replicate the content for each requesting user, which is highly inefficient. To solve this problem, we propose the use of network coding (NC) schemes in combination with cooperative architectures named mobile clouds (MCs). Specifically, we develop a protocol for efficient massive content delivery, along with the analytical model for its optimization. Results show the proposed model is simple and accurate, and the protocol can lead to energy savings of up to 37 percent when compared to the traditional approach. / Leyva Mayorga, I. (2018). On reliable and energy efficient massive wireless communications: the road to 5G [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484 / TESIS

[pt] Com o advento dos sistemas celulares de segunda e terceira gerações é esperado que as operadoras se vejam obrigadas a enfrentar um aumento dramático na carga de sinalização que trafega sobre a parte fixa da rede móvel. Apesar disso, são raros os provedores de serviços de comunicações móveis que possuem atualmente a capacidade de prever com relativa precisão o montante desse aumento. Este trabalho apresenta as etapas do desenvolvimento de uma ferramenta de simulação para análise de desempenho de redes de comunicação móvel celular com base na carga de sinalização gerada pelos procedimentos que a mantém em operação. A plataforma de simulação inclui um modelo de mobilidade e teletráfego para caracterizar o processo de geração dos cenários típicos de uma rede móvel celular e um modelo de retardos para representação da rede de sinalização. Ao final do estudo,são apresentados exemplos de aplicação da ferramenta na obtenção de resultados sobre gerência de status, gerência de localização, avaliação da carga de sinalização,dimensionamento da rede de sinalização e análise de desempenho para diferentes configurações de rede. / [en] The advent of second and third generation cellular systems make cellular operators face dramatic increase in the signaling traffic over the fixed part of the mobile network. In spite of this, rare mobile communications service providers are able to forecast the above mention increase and quantify it with reasonable precision. This work describes the development process of a simulation tool for performance analysis of cellular mobile network based on the signaling load generated by the procedures that keeps it working. The simulation platform inlcudes a mobility and teletraffic model to describe the generation process of cellular mobile networks tipical scenarios and a delay model to represent the signaling network. At the end, examples showing the application of the simulation tool to obtain results about status and location management, signaling load evaluation, signaling network planning and performance analysis for different network configurations are presented.