Toward dynamic social-aware networking beyond fifth generation

The rise of the intelligent information world presents significant challenges for the telecommunication industry in meeting the service-level requirements of future applications and incorporating societal and behavioral awareness into the Internet of Things (IoT) objects. Social Digital Twins (SDTs), or Digital Twins augmented with social capabilities, have the potential to revolutionize digital transformation and meet the connectivity, computing, and storage needs of IoT devices in dynamic Fifth-Generation (5G) and Beyond Fifth-Generation (B5G) networks. This research focuses on enabling dynamic social-aware B5G networking. The main contributions of this work include: (i) the design of a reference architecture for the orchestration of SDTs at the network edge to accelerate the service discovery procedure across the Social Internet of Things (SIoT); (ii) a methodology to evaluate the highly dynamic system performance considering jointly communication and computing resources; (iii) a set of practical conclusions and outcomes helpful in designing future digital twin-enabled B5G networks. Specifically, we propose an orchestration for SDTs and an SIoT-Edge framework aligned with the Multi-access Edge Computing (MEC) architecture ratified by the European Telecommunications Standards Institute (ETSI). We formulate the optimal placement of SDTs as a Quadratic Assignment Problem (QAP) and propose a graph-based approximation scheme considering the different types of IoT devices, their social features, mobility patterns, and the limited computing resources of edge servers. We also study the appropriate intervals for re-optimizing the SDT deployment at the network edge. The results demonstrate that accounting for social features in SDT placement offers considerable improvements in the SIoT browsing procedure. Moreover, recent advancements in wireless communications, edge computing, and intelligent device technologies are expected to promote the growth of SIoT with pervasive sensing and computing capabilities, ensuring seamless connections among SIoT objects. We then offer a performance evaluation methodology for eXtended Reality (XR) services in edge-assisted wireless networks and propose fluid approximations to characterize the XR content evolution. The approach captures the time and space dynamics of the content distribution process during its transient phase, including time-varying loads, which are affected by arrival, transition, and departure processes. We examine the effects of XR user mobility on both communication and computing patterns. The results demonstrate that communication and computing planes are the key barriers to meeting the requirement for real-time transmissions. Furthermore, due to the trend toward immersive, interactive, and contextualized experiences, new use cases affect user mobility patterns and, therefore, system performance

L’emergere del nuovo mondo dell’informazione intelligente crea sfide senza precedenti per l’industria delle telecomunicazioni per soddisfare i requisiti di servizio stringenti delle applicazioni future e gestire l’esigenza di incorporare una nuova consapevolezza sociale e comportamentale negli oggetti della Internet of Things (IoT). I Social Digital Twins (SDTs), ovvero Digital Twins potenziati con capacità sociali, sembrano essere il fattore chiave per consentire la trasformazione digitale e soddisfare i requisiti di connettività, elaborazione e archiviazione dei dispositivi IoT in reti di quinta generazione (5G) e evoluzioni future (B5G). Questo lavoro di ricerca è finalizzato alla progettazione di soluzioni di networking per il supporto dei SDT nel contesto beyond 5G. I principali contributi della tesi includono: (i) progettazione di un’architettura di riferimento e di soluzioni per l’orchestrazione dei SDT alla periferia (edge) della rete finalizzate ad accelerare la procedura di scoperta dei servizi attraverso il paradigma di Social Internet of Things (SIoT); (ii) un insieme di metodologie per valutare le prestazioni delle soluzioni progettate che tengano conto sia delle risorse di comunicazione che di calcolo; (iii) una serie di conclusioni pratiche e risultati utili per la progettazione della futura evoluzione della rete 5G basata sull’uso esteso del concetto di digital twin. Nello specifico, si propone un’orchestrazione per i SDTs e un framework SIoT-Edge allineato con l’architettura MEC standardizzata dall’European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Si formula il posizionamento ottimale di SDTs come QAP e si propone uno schema di approssimazione basato su grafi considerando i diversi tipi di dispositivi IoT, le loro caratteristiche sociali, i modelli di mobilità e le limitate risorse di calcolo dei server perimetrali. Inoltre, si esplorano gli intervalli di ri-ottimizzazione per la distribuzione dei SDT all’edge della rete. I risultati dimostrano che tenere conto delle caratteristiche sociali nel posizionamento SDT possa offrire notevoli miglioramenti nella procedura di navigazione SIoT. Inoltre, i recenti progressi nelle comunicazioni wireless, nell’edge computing e nelle tecnologie dei dispositivi intelligenti promuoveranno la crescita di SIoT con capacità di rilevamento e calcolo pervasive, garantendo connessioni senza soluzione di continuità tra gli oggetti SIoT. Si offre una metodologia di valutazione delle prestazioni per i servizi XR nelle reti wireless edge assistite e si propone un’approssimazione fluida per caratterizzare l’evoluzione del contenuto XR. L’approccio cattura le dinamiche temporali e spaziali del processo di distribuzione dei contenuti nella sua fase transitoria, che include carichi variabili nel tempo, cioè carichi che sono una funzione del tempo e dipendono dai processi di arrivo, transizione e partenza. Si indaga gli impatti della mobilità degli utenti XR dal punto di vista della comunicazione e dell’informatica. I risultati dimostrano che sia i piani di comunicazione che quelli informatici sono le principali barriere per soddisfare il requisito della trasmissione in tempo reale dei servizi XR. Inoltre, a causa della tendenza verso esperienze immersive, interattive e contestualizzate, i nuovi casi d’uso influenzano la mobilità degli utenti e, quindi, le prestazioni del sistema