Low Earth orbit (LEO) satellite systems have been proposed as a resource for combating the challenges in 5G network coverage and expanding connectivity to a global realm. This research focuses on the current architecture of LEO satellite constellations, with an emphasis on satellite coverage, visibility patterns and coordination schemes. Key-elements of integrating LEO satellites into the eMBB component of 5G are presented and a breakdown of potential link channel characteristics and physical layer performance metrics are described. The produced information allows for a justified analysis on the conceptualized integration.

[ES] La tesis doctoral se enmarca en la línea de investigación de Economía y Regulación de las Telecomunicaciones, dentro del programa de Doctorado en Telecomunicaciones por la Universitat Politècnica de València. A lo largo del desarrollo de la tesis, se participó en los siguientes proyectos de I+D: Slicing dinámico en redes de acceso radio 5G - ATLAS (PGC2018-094151B-I00) y Evolución de la red de acceso hacia 6G para servicios masivos y de baja latencia (PID2021-123168NB-I00). Asimismo, se realizó una estancia doctoral en el IMT Atlantique en Rennes, Francia. Los resultados obtenidos se publicaron en una revista científica de ámbito internacional. En esta tesis, se estudia dos modelos de negocios y dos modelos de red para la compartición de recursos en redes de quinta generación (5G), enfocándose en servicios como Comunicaciones Ultra Confiables de Baja Latencia (URLLC), Banda Ancha Móvil Mejorada (eMBB) y Comunicaciones Masivas de Tipo Máquina (mMTC), y utilizando Network Slicing (NS). Se proponen dos escenarios. El escenario Red Compartida (SN) es una red 5G sin NS y el escenario Segmentación de red (NS) es una red 5G con NS. El escenario SN es modelado por una cola M/M/1 sin prioridad de servicio y el escenario NS es modelado por una cola M/M/1 con dos prioridades de servicio, asignando una prioridad alta al servicio URLLC por sus características con relación a la Calidad de Servicio (QoS). Además, se investigan las métricas clave de QoS como tiempo de transmisión de paquetes, sensibilidad al retardo y prioridad de servicio. Asimismo, la tesis evalúa la viabilidad económica de los modelos de negocio para operadores de redes 5G, considerando los escenarios planteados. Los modelos de negocio planteado son: el Integrado, en el cual un único operador de red ofrece ambos servicios, y el Especializado, donde dos operadores distintos ofrecen un servicio cada uno. Por otro lado, se realiza el análisis de los modelos de negocio desde el enfoque del sistema y la económica. La decisión de suscripción de los usuarios al operador se basa en su percepción de QoS y el precio, mientras que el concepto del equilibrio de Wardrop es utilizado para realizar el análisis. Asimismo, la teoría de juegos es aplicado en cada modelo de negocio para la evaluación de su viabilidad económica. La evaluación consiste en un juego de dos etapas, donde el juego se resuelve a través de la inducción hacia atrás, de manera que, se optimizan las funciones de utilidad del usuario y los beneficios de los operadores en base a la resolución de las funciones de Mejor respuesta (BR) y a diferentes valores de parámetros, consiguiendo el equilibrio de Nash. Además, se ha planteado el óptimo social, que es una situación que incorpora la participación de una entidad reguladora de servicios 5G en el mercado, quien tiene el objetivo de maximizar el bienestar social. Los resultados del óptimo social se comparan con los resultados de los dos modelos de negocio en función del bienestar social. Asimismo, se emplea conceptos de microeconomía, teoría de juegos y teoría de colas para evaluar la viabilidad económica de los diferentes modelos planteados. Esto permite entender las decisiones en equilibrio tomadas por los operadores y los usuarios, y analizar el impacto de estas decisiones en los beneficios de todos los actores involucrados. Además, se identifican los requisitos mínimos para la viabilidad de cada modelo. Los resultados muestran que, una red 5G con NS, los servicios URLLC y eMBB/mMTC pueden compartir recursos sin afectar la QoS de URLLC. Mientras que, una red 5G sin NS, la QoS de URLLC se ve afectada. Además, los operadores pueden fijar un precio más alto para URLLC debido a su QoS. Concluyendo que, la mejor opción para ofrecer los servicios URLLC y eMBB/mMTC es sobre una red 5G con NS y por un único operador. En resumen, la incorporación de NS en una red 5G, junto con un modelo de negocio Integrado, es la opción más favorable en cuanto al bienestar social. / [CA] La tesi doctoral s'emmarca en la línia d'investigació d'Economia i Regulació de les Telecomunicacions, dins del programa de Doctorat en Telecomunicacions per la Universitat Politècnica de València. Al llarg del desenvolupament de la tesi, es va participar en els següents projectes d'I+D: Slicing dinàmic en xarxes d'accés radie 5G - ATLES (PGC2018-094151B-I00) i Evolució de la xarxa d'accés cap a 6G per a servicis massius i de baixa latència (PID2021-123168NB-I00). Així mateix, es va realitzar una estada doctoral en el IMT Atlantique en Rennes, França. Els resultats obtinguts es van publicar en una revista científica d'àmbit internacional. En esta tesi, s'estudia dos models de negocis i dos models de xarxa per a la compartició de recursos en xarxes de quinta generació (5G), enfocant-se en servicis com a Comunicacions Ultres De confiança de Baixa Latència (URLLC), Banda Ampla Mòbil Millorada (eMBB) i Comunicacions Massives de Tipus Màquina (mMTC), i utilitzant Network Slicing (NS). Es proposen dos escenaris. L'escenari Xarxa Compartida (SN) és una xarxa 5G sense NS i l'escenari Segmentació de xarxa (NS) és una xarxa 5G amb NS. L'escenari SN és modelat per una cua M/M/1 sense prioritat de servici i l'escenari NS és modelat per una cua M/M/1 amb dos prioritats de servici, assignant una prioritat alta al servici URLLC per les seues característiques en relació amb la Qualitat de Servici (QoS). A més, s'investiguen les mètriques clau de QoS com a temps de transmissió de paquets, sensibilitat al retard i prioritat de servici. Així mateix, la tesi avalua la viabilitat econòmica dels models de negoci per a operadors de xarxes 5G, considerant els escenaris plantejats. Els models de negoci plantejat són: l'Integrat, en el qual un únic operador de xarxa oferix tots dos servicis, i l'Especialitzat, on dos operadors diferents oferixen un servici cadascun. D'altra banda, es realitza l'anàlisi dels models de negoci des de l'enfocament del sistema i l'econòmica. La decisió de subscripció dels usuaris a l'operador es basa en la seua percepció de QoS i el preu, mentres que el concepte de l'equilibri de Wardrop és utilitzat per a realitzar l'anàlisi. Així mateix, la teoria de jocs és aplicat en cada model de negoci per a l'avaluació de la seua viabilitat econòmica. L'avaluació consistix en un joc de dos etapes, on el joc es resol a través de la inducció cap arrere, de manera que, s'optimitzen les funcions d'utilitat de l'usuari i els beneficis dels operadors sobre la base de la resolució de les funcions de Millor resposta (BR) i a diferents valors de paràmetres, aconseguint l'equilibri de Nash. A més, s'ha plantejat l'òptim social, que és una situació que incorpora la participació d'una entitat reguladora de servicis 5G en el mercat, qui té l'objectiu de maximitzar el benestar social. Els resultats de l'òptim social es comparen amb els resultats dels dos models de negoci en funció del benestar social. Així mateix, s'empra conceptes de microeconomia, teoria de jocs i teoria de cues per a avaluar la viabilitat econòmica dels diferents models plantejats. Això permet entendre les decisions en equilibri preses pels operadors i els usuaris, i analitzar l'impacte d'estes decisions en els beneficis de tots els actors involucrats. A més, s'identifiquen els requisits mínims per a la viabilitat de cada model. Els resultats mostren que, una xarxa 5G amb NS, els servicis URLLC i eMBB/mMTC poden compartir recursos sense afectar la QoS de URLLC. Mentres que, una xarxa 5G sense NS, la QoS de URLLC es veu afectada. A més, els operadors poden fixar un preu més alt per a URLLC a causa del seu QoS. Concloent que, la millor opció per a oferir els servicis URLLC i eMBB/mMTC és sobre una xarxa 5G amb NS i per un únic operador. En resum, la incorporació de NS en una xarxa 5G, juntament amb un model de negoci Integrat, és l'opció més favorable quant al benestar social. / [EN] The doctoral thesis is framed within the research line of Economics and Regulation of Telecommunications within the PhD program in Telecommunications at the Universitat Politècnica de València. Throughout the development of the thesis, we participated in the following R&D projects: Dynamic Slicing in 5G radio access networks - ATLAS (PGC2018-094151B-I00) and Evolution of the access network towards 6G for massive and low latency services (PID2021-123168NB-I00). A doctoral stay at the IMT Atlantique in Rennes, France, was also carried out. The results obtained were published in an international scientific journal. In this thesis, two business models and two network models for resource sharing in fifth-generation (5G) networks are studied, focusing on services such as Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC), Enhanced Mobile Broadband (eMBB), and Massive Machine Type Communications (mMTC), and using Network Slicing (NS). Two scenarios are proposed. The Network Sharing (SN) scenario is a 5G network without NS, and the Network Slicing (NS) scenario is a 5G network with NS. The SN scenario is modeled by an M/M/1 queue with no service priority, and the NS scenario is modeled by an M/M/1 queue with two service priorities, assigning a high priority to the URLLC service for its Quality of Service (QoS) characteristics. Furthermore, key QoS metrics such as packet transmission time, delay sensitivity, and service priority are investigated. Furthermore, the thesis evaluates the economic viability of business models for 5G network operators, considering the scenarios proposed. The business models proposed are Integrated, in which a single network operator offers both services and Specialised, where two different operators offer one service each. On the other hand, the business models are analyzed from a system and economic perspective. The users' subscription decision to the operator is based on their perception of QoS and price, while the Wardrop equilibrium concept is used to perform the analysis. Furthermore, game theory is applied to each business model for the evaluation of its economic viability. The evaluation consists of a two-stage game, where the game is solved through backward induction so that the user's utility functions and the operators' profits are optimized based on the resolution of the Best Response (BR) functions and different parameter values, achieving the Nash equilibrium. In addition, the social optimum has been considered, which is a situation that incorporates the participation of a 5G service regulator in the market, who has the objective of maximizing social welfare. The results of the social optimum are compared with the results of the two business models in terms of social welfare. Furthermore, concepts from microeconomics, game theory, and queueing theory are used to assess the economic viability of the different models proposed. This allows us to understand the equilibrium decisions made by operators and users and to analyze the impact of these decisions on the benefits of all the actors involved. In addition, the minimum requirements for the viability of each model are identified. The results show that a 5G network with NS, URLLC, and eMBB/mMTC services can share resources without affecting URLLC QoS. On the other hand, in a 5G network without NS, the QoS of URLLC is affected. In addition, operators can set a higher price for URLLC due to its QoS. Conclusion: The best option to offer URLLC and eMBB/mMTC services is over a 5G network with NS and by a single operator. In summary, the incorporation of NS in a 5G network, together with an Integrated business model, is the most favorable option in terms of social welfare. / Moreno Cardenas, EY. (2024). Análisis de Modelos de Negocio para Operadores de Redes 5G Soportados por Network Slicing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206184

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]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115484