Mannheim, Univ., Diss., 2008.

Latency is an inherent problem of computing systems. Each computation takes time until the result is available. Virtual reality systems use elaborated computer resources to create virtual experiences. The latency of those systems is often ignored or assumed as small enough to provide a good experience. This cumulative thesis is comprised of published peer reviewed research papers exploring the behaviour and effects of latency. Contrary to the common description of time invariant latency, latency is shown to fluctuate. Few other researchers have looked into this time variant behaviour. This thesis explores time variant latency with a focus on randomly occurring latency spikes. Latency spikes are observed both for small algorithms and as end to end latency in complete virtual reality systems. Most latency measurements gather close to the mean latency with potentially multiple smaller clusters of larger latency values and rare extreme outliers. The latency behaviour differs for different implementations of an algorithm. Operating system schedulers and programming language environments such as garbage collectors contribute to the overall latency behaviour. The thesis demonstrates these influences on the example of different implementations of message passing. The plethora of latency sources result in an unpredictable latency behaviour. Measuring and reporting it in scientific experiments is important. This thesis describes established approaches to measuring latency and proposes an enhanced setup to gather detailed information. The thesis proposes to dissect the measured data with a stacked z-outlier-test to separate the clusters of latency measurements for better reporting. Latency in virtual reality applications can degrade the experience in multiple ways. The thesis focuses on cybersickness as a major detrimental effect. An approach to simulate time variant latency is proposed to make latency available as an independent variable in experiments to understand latency's effects. An experiment with modified latency shows that latency spikes can contribute to cybersickness. A review of related research shows that different time invariant latency behaviour also contributes to cybersickness. / Latenz ist ein inhärentes Problem in Computersystemen. Jede Berechnung benötigt Zeit bis das Ergebnis verfügbar ist. Virtual Reality Systeme verwenden komplexe Rechenressourcen um virtuelle Erfahrungen zu erstellen. Die Latenz dieser Systeme wird oft ignoriert oder als klein genug angesehen um eine gute Erfahrung zu ermöglichen. Diese kumulative Doktorarbeit ist aus peer reviewten Forschungspublikationen zusammengesetzt, die das Verhalten und Effekte von Latenz erforschen. Gegensätzlich zu der landläufig verwendeten Beschreibung als zeitinvariante Latenz, wird gezeigt, dass Latenz fluktuiert. Wenige Forscher haben dieses zeitvariable Verhalten genauer untersucht. Diese Arbeit erforscht zeitvariable Latenz mit einem Fokus auf zufällig auftretende Latenzspitzen. Latenzspitzen wurden sowohl für die Ausführung kleiner Algorithmen als auch als End-to-End Latenz in kompletten Virtual Reality Systemen beobachtet. Die meisten Latenzmessungen sammeln sich nahe eines Durchschnittswertes wobei es mehrere Ballungen von höheren Latenzwerten gibt und einige seltene extreme Ausreißer. Das Latenzverhalten unterscheidet sich bei unterschiedlichen Implementierungen eines Algorithmusses. Betriebssystemsscheduler und Programmiersprachenumgebungen wie Garbage Collektoren tragen zu dem Gesamtlatenzverhalten bei. Diese Arbeit beschreibt diese Einflüsse am Beispiel unterschiedlicher Implementierungen von Nachrichtenaustausch. Die Vielfalt an Latenzquellen resultiert in einem unvorhersehbaren Latenzverhalten. Das Messen und Dokumentieren von Latenz ist wichtig in wissenschaftlichen Experimenten. Diese Arbeit beschreibt etablierte Ansätze um Latenz zu messen und schlägt einen verbesserten Ansatz vor um detaillierte Messungen zu sammeln. Diese Arbeit beschreibt wie gemessene Daten mit Hilfe eines stacked z-Testes in separate Cluster geteilt werden können um das Verhalten besser beschreiben zu können. Latenz in Anwendungen der Virtuellen Realität kann die Erfahrung in verschiedenen Arten verschlechtern. Diese Arbeit fokussiert sich auf Cybersickness als einen bedeutenden negativen Einfluss. Es wird ein Ansatz vorgestellt um Latenz zeit-variant zu simulieren damit Latenz als unabhängige Variable in Experimenten, die Auswirkungen von Latenz untersuchen, verwendet werden kann. Ein Experiment mit modifizierter Latenz zeigt, dass Latenzspitzen zu Cybersickness beitragen können. Ein Review verwandter Arbeiten zeigt, dass auch andere Latenzverhalten Cybersickness negativ beeinflussen können.

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In Würzburg wird seit 1997 ein Hörscreening unter Verwendung akustisch evozierter Potentiale durchgeführt. Der zu Anfang verwendete Click-Reiz wurde im März 2006 durch den auf dem Cochlea-Modell beruhenden Chirp-Reiz ersetzt. Für diesen Reiz werden auf Grund der Kompensation der Wanderwellenverzögerung der Cochlea größere Potentialamplituden beschrieben. Für diese Arbeit wurden die akustisch evozierten Potentiale von 96 Neugeborenen mit dem Maico-MB11-BERAphon aufgezeichnet. Ausgewertet und verglichen wurden die bei 40 dB HL und 60 dB HL mittels Click und Chirp generierten Potentiale I, III und V hinsichtlich ihrer Auswertbarkeit sowie ihrer Latenzzeiten und Amplitudenwerte. Besonderes Interesse galt den Latenzzeiten des Chirp und dabei der Fragestellung, in wie weit sich die Reizstruktur des Chirps in einer Verkürzung der Latenzzeiten auswirken würde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Chirp im Vergleich zum Click zu einer deutlichen Verkürzung der Latenzen der akustisch evozierten Potentiale führt. Bei allen untersuchten Potentialen ergaben sich beim Chirp kürzere mittlere Latenzen als beim Click. Die Unterschiede erwiesen sich als statistisch signifikant. Der Chirp bewirkt eine Vergrößerung der Antwort-Amplituden. Die Mittelwerte aller Amplituden waren bei Verwendung des Chirp-Reizes größer. Eine Verbesserung der Auswertbarkeit wurde für alle untersuchten Potentiale I, III und V nachgewiesen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass nach Chirp-Reizung die einzelnen Wellen der akustisch evozierten Potentiale also deutlicher, mit größerer Amplitude und mit kürzerer Latenz zur Darstellung kommen als nach Click-Reizung. Die in dieser Untersuchung im Standard-BERA-Verfahren ermittelten Unterschiede zwischen den Reizen Click und Chirp unterstreichen die Vorteile des Chirp auch für den Einsatz beim Hörscreening und der Hörschwellenbestimmung. Die durch diesen Reiz evozierte Potentialantwort führt bei kürzeren Messzeiten zu deutlich zuverlässigeren Ergebnissen, was eine Verbesserung der Qualität der Hörschwellenbestimmung und der Hörscreening-Untersuchung darstellt. / Since 1997 there is a Hearingscreening established in Wuerzburg which is based on auditory evoked potenials. In March 2006 the formerly used click-stimulus was substituted by a chirp-stimulus based on the cochlea-model. For this stimulus larger amplitudes of the potentials are discribed due to a compensation of travelling wave delay. For this study the auditory evoked potentials of 96 newborns were recorded with the Maico-MB11-BERAphon. Potentials I, III and V were evaluated and compared in terms of evaluability as well as latency and amplitude values. The latencies of the chirp-stimulus and the question, to which extent the structure of the chirp-stimulus would result in a reduction of latency times were of main interest. The results show that compared to the click the chirp-stimulus causes a clear shortening of latencies of auditory evoked potentials. For all examined potentials the chirp-stimulus showed shorter mean-latencies than the click. The differences were statistically significant. The chirp causes an increase in response amplitudes. Mean values of amplitudes were larger when using the chirp stimulus. An improvement of the evaluability was demonstrated for all investigated potentials I, III and V. In summary it can be seen that after Chirp excitation the individual waves of auditory evoked potentials occur more clearly, with greater amplitude and shorter latency than after click excitation. The differences between the click and chirp stimuli identified in these standard ABR procedures also emphasize the benefits of the chirp-stimulus for use in hearing screening and the defining of hearing thresholds. The potential response evoked by this stimulus leads to more reliable results implying significantly shorter measuring times and thus improves the quality of the defining of hearing thresholds and hearing screening examination.

The fifth generation (5G) of mobile communication networks is envisioned to enable a variety of novel applications. These applications demand requirements from the network, which are diverse and challenging. Consequently, the mobile network has to be not only capable to meet the demands of one of these applications, but also be flexible enough that it can be tailored to different needs of various services. Among these new applications, there are use cases that require low latency as well as an ultra-high reliability, e.g., to ensure unobstructed production in factory automation or road safety for (autonomous) transportation. In these domains, the requirements are crucial, since violating them may lead to financial or even human damage. Hence, an ultra-low probability of failure is necessary. Based on this, two major questions arise that are the motivation for this thesis. First, how can ultra-low failure probabilities be evaluated, since experiments or simulations would require a tremendous number of runs and, thus, turn out to be infeasible. Second, given a network that can be configured differently for different applications through the concept of network slicing, which performance can be expected by different parameters and what is their optimal choice, particularly in the presence of other applications. In this thesis, both questions shall be answered by appropriate mathematical modeling of the radio interface and the radio access network. Thereby the aim is to find the distribution of the (end-to-end) latency, allowing to extract stochastic measures such as the mean, the variance, but also ultra-high percentiles at the distribution tail. The percentile analysis eventually leads to the desired evaluation of worst-case scenarios at ultra-low probabilities. Therefore, the mathematical tool of queuing theory is utilized to study video streaming performance and one or multiple (low-latency) applications. One of the key contributions is the development of a numeric algorithm to obtain the latency of general queuing systems for homogeneous as well as for prioritized heterogeneous traffic. This provides the foundation for analyzing and improving end-to-end latency for applications with known traffic distributions in arbitrary network topologies and consisting of one or multiple network slices. / Es wird erwartet, dass die fünfte Mobilfunkgeneration (5G) eine Reihe neuartiger Anwendungen ermöglichen wird. Allerdings stellen diese Anwendungen sowohl sehr unterschiedliche als auch überaus herausfordernde Anforderungen an das Netzwerk. Folglich muss das mobile Netz nicht nur die Voraussetzungen einer einzelnen Anwendungen erfüllen, sondern auch flexibel genug sein, um an die Vorgaben unterschiedlicher Dienste angepasst werden zu können. Ein Teil der neuen Anwendungen erfordert hochzuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz, um beispielsweise unterbrechungsfreie Produktion in der Fabrikautomatisierung oder Sicherheit im (autonomen) Straßenverkehr zu gewährleisten. In diesen Bereichen ist die Erfüllung der gestellten Anforderungen besonders kritisch, da eine Verletzung finanzielle oder sogar personelle Schäden nach sich ziehen könnte. Eine extrem niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit ist daher von größter Wichtigkeit. Daraus ergeben sich zwei wesentliche Fragestellungen, welche diese Arbeit motivieren. Erstens, wie können extrem niedrige Ausfallwahrscheinlichkeiten evaluiert werden. Ihr Nachweis durch Experimente oder Simulationen würde eine extrem große Anzahl an Durchläufen benötigen und sich daher als nicht realisierbar herausstellen. Zweitens, welche Performanz ist für ein gegebenes Netzwerk durch unterschiedliche Konfigurationen zu erwarten und wie kann die optimale Konfiguration gewählt werden. Diese Frage ist insbesondere dann interessant, wenn mehrere Anwendungen gleichzeitig bedient werden und durch sogenanntes Slicing für jeden Dienst unterschiedliche Konfigurationen möglich sind. In dieser Arbeit werden beide Fragen durch geeignete mathematische Modellierung der Funkschnittstelle sowie des Funkzugangsnetzes (Radio Access Network) adressiert. Mithilfe der Warteschlangentheorie soll die stochastische Verteilung der (Ende-zu-Ende-) Latenz bestimmt werden. Dies liefert unterschiedliche stochastische Metriken, wie den Erwartungswert, die Varianz und insbesondere extrem hohe Perzentile am oberen Rand der Verteilung. Letztere geben schließlich Aufschluss über die gesuchten schlimmsten Fälle, die mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit eintreten können. In der Arbeit werden Videostreaming und ein oder mehrere niedriglatente Anwendungen untersucht. Zu den wichtigsten Beiträgen zählt dabei die Entwicklung einer numerischen Methode, um die Latenz in allgemeinen Warteschlangensystemen für homogenen sowie für priorisierten heterogenen Datenverkehr zu bestimmen. Dies legt die Grundlage für die Analyse und Verbesserung von Ende-zu-Ende-Latenz für Anwendungen mit bekannten Verkehrsverteilungen in beliebigen Netzwerktopologien mit ein oder mehreren Slices.

Die Validierung und Etablierung einer zuverlässigen Methode zur Erfassung der Narkosetiefe bleibt bis heute, speziell in der Kinderanästhesie, problematisch. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erstellung einer deskriptiven Verlaufsanalyse akustisch evozierter Potentiale mittlerer Latenz (MLAEP‘s) im Kindesalter. Unter Allgemeinanästhesie wurde mit Hilfe des AEPex-Monitors die Validität, Reagibilität und Korrelation der MLAEP‘s im Vergleich zu den beiden wichtigen hämodynamischen Parametern Herzfrequenz und mittlerer arterieller Blutdruck untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt hierbei lag auf der Untersuchung der Praktikabilität des eingesetzten AEP-Monitorings. Dazu wurden 56 Kinder, davon 29 unter total intravenöser Anästhesie und 27 unter balancierter Anästhesie in die Studie eingeschlossen. Die Steuerung der Narkosetiefe erfolgte nach rein klinischen Kriterien. Nachträglich wurden die zu analysierenden Patienten in 3 verschiedene Altersgruppen (2-<4, 4-<10 und 10-<17 Lebensjahr) unterteilt und auf Auffälligkeiten hin untersucht. Die Anwendung des AEPex-Monitors war unkompliziert und ohne größeren personellen oder zeitlichen Aufwand in den Anästhesiearbeitsplatz zu integrieren. Während unter inhalativer Anästhesie zum Teil eine Zunahme der Amplituden Na/Pa und Pa/Nb bei der visuellen Inspektion des Signals beobachtet wurde, waren die Ergebnisse unter total intravenöser Anästhesie denen Erwachsener vergleichbar. Sowohl die Veränderungen des Blutdruckes als auch des AEPex waren ein- bis eineinhalb Minuten nach Applikation eines Propofolbolus als zuverlässiges Korrelat für eine Veränderung im Sedierungslevel darstellbar. Zusätzlich konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass akustisch evozierte Potentiale mittlerer Latenz mit dem mittleren arteriellen Blutdruck, aber nicht mit der Herzfrequenz, unter intraoperativ hämodynamisch stabilen Bedingungen korrelieren (HI: rs(xy•z) = 0,583; p = 0,003). Jüngere Kinder (2-<4 LJ.) zeigten entweder tendenziell oder signifikant höhere Werte. Nach der Integration altersspezifischer Besonderheiten in der Weiterentwicklung prozessierter AEP-Parameter und der Überwindung gerätespezifischer Unzulänglichkeiten scheint auch im Kindesalter eine Hypnosetiefenbestimmung möglich.

Die Validierung und Etablierung einer zuverlässigen Methode zur Erfassung der Narkosetiefe bleibt bis heute, speziell in der Kinderanästhesie, problematisch. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Erstellung einer deskriptiven Verlaufsanalyse akustisch evozierter Potentiale mittlerer Latenz (MLAEP‘s) im Kindesalter. Unter Allgemeinanästhesie wurde mit Hilfe des AEPex-Monitors die Validität, Reagibilität und Korrelation der MLAEP‘s im Vergleich zu den beiden wichtigen hämodynamischen Parametern Herzfrequenz und mittlerer arterieller Blutdruck untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt hierbei lag auf der Untersuchung der Praktikabilität des eingesetzten AEP-Monitorings. Dazu wurden 56 Kinder, davon 29 unter total intravenöser Anästhesie und 27 unter balancierter Anästhesie in die Studie eingeschlossen. Die Steuerung der Narkosetiefe erfolgte nach rein klinischen Kriterien. Nachträglich wurden die zu analysierenden Patienten in 3 verschiedene Altersgruppen (2-<4, 4-<10 und 10-<17 Lebensjahr) unterteilt und auf Auffälligkeiten hin untersucht. Die Anwendung des AEPex-Monitors war unkompliziert und ohne größeren personellen oder zeitlichen Aufwand in den Anästhesiearbeitsplatz zu integrieren. Während unter inhalativer Anästhesie zum Teil eine Zunahme der Amplituden Na/Pa und Pa/Nb bei der visuellen Inspektion des Signals beobachtet wurde, waren die Ergebnisse unter total intravenöser Anästhesie denen Erwachsener vergleichbar. Sowohl die Veränderungen des Blutdruckes als auch des AEPex waren ein- bis eineinhalb Minuten nach Applikation eines Propofolbolus als zuverlässiges Korrelat für eine Veränderung im Sedierungslevel darstellbar. Zusätzlich konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass akustisch evozierte Potentiale mittlerer Latenz mit dem mittleren arteriellen Blutdruck, aber nicht mit der Herzfrequenz, unter intraoperativ hämodynamisch stabilen Bedingungen korrelieren (HI: rs(xy•z) = 0,583; p = 0,003). Jüngere Kinder (2-<4 LJ.) zeigten entweder tendenziell oder signifikant höhere Werte. Nach der Integration altersspezifischer Besonderheiten in der Weiterentwicklung prozessierter AEP-Parameter und der Überwindung gerätespezifischer Unzulänglichkeiten scheint auch im Kindesalter eine Hypnosetiefenbestimmung möglich.

Network softwarization plays a significantly important role in the development and deployment of the latest communication system for 5G and beyond. A more flexible and intelligent network architecture can be enabled to provide support for agile network management, rapid launch of innovative network services with much reduction in Capital Expense (CAPEX) and Operating Expense (OPEX). Despite these benefits, 5G system also raises unprecedented challenges as emerging machine-to-machine and human-to-machine communication use cases require Ultra-Reliable Low Latency Communication (URLLC). According to empirical measurements performed by the author of this dissertation on a practical testbed, State of the Art (STOA) technologies and systems are not able to achieve the one millisecond end-to-end latency requirement of the 5G standard on Commercial Off-The-Shelf (COTS) servers. This dissertation performs a comprehensive introduction to three innovative approaches that can be used to improve different aspects of the current software-driven network data plane. All three approaches are carefully designed, professionally implemented and rigorously evaluated. According to the measurement results, these novel approaches put forward the research in the design and implementation of ultra-reliable low-latency, energy-efficient and computing-first software data plane for 5G communication system and beyond.

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