Tesis doctoral 

A día de hoy, para la mayoría de la población, los teléfonos móviles se han convertido en el principal instrumento a través del cual interactuar con el mundo. Desde su servicio original de transmisión de voz, las comunicaciones móviles han evolucionado hasta proporcionar una variedad de servicios que apenas podían ser imaginados hace cuatro décadas. Desde ese punto inicial, en primer lugar, las redes celulares se mejoraron para soportar la transmisión de datos, lo que abrió la puerta a servicios como las videollamadas o la navegación web. Las siguientes mejoras persiguieron hacer eficientes a las redes en términos de consumo de energía y uso de recursos radio, a la vez que se mejoraba la calidad de experiencia percibida por los usuarios. Con el objetivo de, simultáneamente, reducir los costes de gestión de las redes, surgió el concepto de las redes autoorganizadas, o self-organizing networks (SON). Es decir, la automatización de las tareas de gestión de una red celular para disminuir los costes de infraestructura (capital expenditure, CAPEX) y de operación (operational expenditure, OPEX).

Las tareas de las SON se dividen en tres categorías: autoconfiguración, autooptimización y autocuración. La autoconfiguración tiene como objetivo automatizar las tareas requeridas cuando se despliega una nueva red, como la configuración inicial de sus parámetros de operación. Las tareas de autooptimización, por otro lado, persiguen maximizar la eficiencia de las redes en un entorno variable en el tiempo, lo que se traduce en múltiples mecanismos de optimización, que abordan desde problemas de movilidad y accesibilidad a cuestiones como la integridad de la comunicación. Finalmente, la autocuración se centra en la identificación y reparación de posibles fallos que aparezcan en la red durante su fase de operación.

Una de las tareas fundamentales de la autocuración es determinar la causa de un fallo, tarea también conocida root cause analysis (RCA). Las herramientas de RCA son sistemas automáticos que, en forma de sistemas de clasificación, buscan determinar una clase (o estado de la red) atendiendo a un conjunto de características (o indicadores clave de rendimiento, KPIs, por sus siglas en inglés, key performance indicators) que describen una observación o muestra. Aunque actualmente son varios los sistemas que se han propuesto como herramientas para RCA, aún hay un largo camino para el desarrollo de sistemas de RCA precisos, que puedan lidiar con la gran cantidad de información de rendimiento que normalmente se recoge en una red celular.

Junto con la autocuración, la autooptimización aparece como el grupo de funciones SON que más atención atrae desde los ámbitos industrial y académico. Esto se debe principalmente a las oportunidades de optimización que las nuevas funcionalidades de las futuras redes brindan. En particular, en la nueva generación de las comunicaciones móviles (la quinta generación o Fifth-Generation New Radio, 5G NR) cabe destacar la gestión de conexiones multienlace, y dentro de éstas, la multiconectividad (multi-connectivity, MC). Dada su novedad, sin embargo, las comunicaciones multienlace actualmente carecen de mecanismos de gestión eficientes, siendo éste uno de los temas de investigación más candentes en los próximos años.

El objetivo de esta tesis es la mejora de las funciones SON a través del desarrollo y uso de herramientas de aprendizaje automático (machine learning, ML) para la gestión de la red. En concreto, el objetivo de esta tesis es doble. Por un lado, se aborda la autocuración a través de la propuesta de una novedosa herramienta para RCA, consistente en la combinación de múltiples sistemas RCA independientes para el desarrollo de un sistema compuesto de RCA mejorado. A su vez, para aumentar la precisión de las herramientas de RCA mientras se reducen tanto el CAPEX como el OPEX, en esta tesis se proponen y evalúan herramientas de ML de reducción de dimensionalidad en combinación con herramientas de RCA.

Por otro lado, en esta tesis se estudian las funcionalidades multienlace dentro de la autocuración y se proponen técnicas para su gestión automática. En el campo de las comunicaciones mejoradas de banda ancha (enhanced mobile broadband, eMBB), se propone una herramienta para la gestión de portadoras, que permite la implementación de políticas del operador, mientras que en el campo de las comunicaciones vehiculares de baja latencia, se propone un mecanismo multi-camino para la redirección del tráfico a través de múltiples interfaces radio.

Muchos de los métodos propuestos en esta tesis se han evaluado usando datos provenientes de redes celulares reales, lo que ha permitido demostrar su validez en entornos realistas, así como su capacidad para ser desplegados en redes móviles actuales y futuras.