Design and Development of Laboratory Infrastructure for 5G LAN Network Environments

Abstract

With the advent of 5G technology, a range of application scenarios and use cases emerges, facilitated by its specific characteristics. Research in this domain is a priority to understand and fully exploit the possibilities offered by the ecosystem and associated services. However, gaining access to production infrastructures and real-world scenarios is complex, as they are considered essential services foe which availability is a priority, being typically managed by telecommunications operators. Similarly, establishing a 5G network with the corresponding radio infrastructure for laboratory purposes requires licenses and spectrum usage authorizations, often slow and challenging to obtain.Therefore, the purpose of this thesis is to conceive and implement a high-fidelity 5G test environment for 5G Local Area Networks (LANs) use cases, providing the key elements for an Industrial Internet of Things (IoT) ecosystem over 5G. The goal is to create a hybrid laboratory environment, comprising a combination of real, emulated, or virtualized components, facilitating Research and Development (R\D) activities focused on exploring use cases, integrating components, and managing infrastructure. This environment has undergone an experimental validation process to assess its functional characteristics and performance, which has confirmed its capabilities for the intended purposes. The validation effort has also helped identify strategic action points for future development and improvement activities.

Com o advento da tecnologia 5G, emerge igualmente um conjunto de cenários de aplicação e casos de uso viabilizados pelas suas características específicas, cuja investigação se reveste como uma prioridade, no sentido de compreender e melhor explorar todas as possibilidades oferecidas pelo ecossistema e serviços associados. Contudo, o acesso a infraestruturas de produção e cenários reais reveste-se de um considerável grau de complexidade, visto serem considerados serviços essenciais cuja disponibilidade é prioritária, sendo a sua responsabilidade operacional assegurada pelos operadores de telecomunicações. Do mesmo modo, a criação de uma rede 5G com o correspondente estabelecimento de uma infraestrutura rádio para fins laboratoriais está pendente de licenciamentos e autorizações de utilização de espectro, frequentemente morosas e difíceis de obter.Assim sendo, o propósito desta tese é o de conceber e implementar um ambiente de testes 5G de alta-fidelidade para casos de uso de Redes de Área Locais (LANs) 5G, que proporcione os elementos principais de um ecossistema de Internet das Coisas (IoT) industrial sobre 5G. Deste modo, pretendeu-se disponibilizar um ambiente laboratorial híbrido, composto por um misto de componentes reais e emulados ou virtualizados, que permita o desenvolvimento de atividades de Inovação e Desenvolvimento (I\D) focadas na exploração de casos de uso, integração de componentes e gestão de infraestrutura.Este ambiente foi ainda sujeito a um processo de validação experimental, para aferir as suas características funcionais e em termos de performance. Este esforço de validação permitiu também identificar pontos-chave para futuros desenvolvimentos da plataforma.