Time Sensitive Networking (TSN) defined in the IEEE 802.1 working group, is an important enabler for industrial Internet of things, specifically industry 4.0. 3GPP release 16 specifications includes the 5G system as a logical TSN bridge, thus promoting the integration of 5G technology with TSN. This combination provides wireless deterministic communication thus ensuring low, bounded delay and near-zero packet loss. In this thesis, we implement a 5G system in- tegration with TSN using a discrete event network simulator (NS-3). Further, we propose a simplified per egress port scheduling algorithm based on IEEE 802.1Q (scheduled traffic standard) running in the Centralized Network Con- troller (CNC). Average packet delay, average jitter, average throughput and the packet loss is measured for comparing the performance difference when our TSN scheduler is used versus when it is not. The designed system is tested by measuring it’s network impact in terms of average delay and packet loss. The 5GS logical bridge behavior is simulated by varying the 5G bridge de- lay dynamically. For every frame transmission in the queue, the processing delay of a particular bridge is varied with pre-defined set of values. Two sets of 5GS bridge delay variations are considered, i.e. between 1-10ms and 5- 10ms respectively. On calculating the network impact, we conclude that the overall impact on the network decreases as the variation range for the delay gets smaller. This proves that higher delay variations have a significant impact whereas smaller delay variations have a negligible impact on the network. For the latter case, the system delay is considerably stable and thus can be used for industrial applications in real-life TSN scenarios. / Tidskritiska nätverk (TSN) definierat i IEEE 802.1-arbetsgruppen, är en vik- tig faktor för det industriella Sakernas Internet, särskilt när det gäller Industri4.0. Specifikationer enligt 3GPP release 16 inkluderar 5G-system som en lo- gisk TSN-brygga, som främjar integrationen av 5G-teknik med TSN. 5G med TSN ger trådlös deterministisk kommunikation som säkerställer låg, begrän- sad fördröjning och nästan noll paketförlust. I denna rapport implementerar vi en 5G-systemintegration med TSN med hjälp av en diskret händelse simu- lator (NS-3). Dessutom föreslår vi en förenklad algoritm för schemaläggning av portar per utgång baserat på IEEE 802.1Q (Scheduled Traffic Standard) som körs i en centraliserad nätverks-controller (CNC). Genomsnittlig paket- fördröjning, genomsnittlig fördröjningsvariation, genomsnittlig genomström- ning och paketförlust mäts för att jämföra prestandaskillnaden när vår TSN- schemaläggare används jämfört med när den inte används. Det utformade sy- stemet testas genom att mäta nätverkets påverkan i termer av genomsnittlig fördröjning och paketförlust. 5GS logiska bryggbeteende simuleras genom att dynamiskt variera 5G-bryggfördröjningen. För varje bildöverföring varieras bryggans bearbetningsfördröjning med en fördefinierad uppsättning värden. Två fördefinierade uppsättningar av 5GS-fördröjningsvariationer beaktas som ligger mellan 1-10ms respektive 5-10ms. När vi beräknar nätverkspåverkan drar vi slutsatsen att den totala effekten på nätverket minskar när variationen i fördröjningen blir mindre. Detta visar att högre fördröjningsvariationer har en signifikant effekt medan mindre fördröjningsvariationer har en försumbar effekt. I det senare fallet är systemfördröjningen betydligt stabilare och kan användas för tillämpningar i verkliga TSN-scenarier.

Graphics Processing Units (GPUs) are emerging as the most popular accelerator for many applications, powering the core of Machine Learning applications and many computing-intensive workloads. GPUs have typically been consideredas accelerators, with Central Processing Units (CPUs) in charge of the mainapplication logic, data movement, and network connectivity. In these architectures,input and output data of network-based GPU-accelerated application typically traverse the CPU, and the Operating System network stack multiple times, getting copied across the system main memory. These increase application latency and require expensive CPU cycles, reducing the power efficiency of systems, and increasing the overall response times. These inefficiencies become of higher importance in latency-bounded deployments, or with high throughput, where copy times could easily inflate the response time of modern GPUs. The main contribution of this dissertation is towards a GPU-centric network architecture, allowing GPUs to initiate network transfers without the intervention of CPUs. We focus on commodity hardware, using NVIDIA GPUs and Remote Direct Memory Access over Converged Ethernet (RoCE) to realize this architecture, removing the need of highly homogeneous clusters and ad-hoc designed network architecture, as it is required by many other similar approaches. By porting some rdma-core posting routines to GPU runtime, we can saturate a 100-Gbps link without any CPU cycle, reducing the overall system response time, while increasing the power efficiency and improving the application throughput.The second contribution concerns the analysis of Clockwork, a State-of-The-Art inference serving system, showing the limitations imposed by controller-centric, CPU-mediated architectures. We then propose an alternative architecture to this system based on an RDMA transport, and we study some performance gains that such a system would introduce. An integral component of an inference system is to account and track user flows,and distribute them across multiple worker nodes. Our third contribution aims to understand the challenges of Connection Tracking applications running at 100Gbps, in the context of a Stateful Load Balancer running on commodity hardware. / <p>QC 20240315</p>

[ES] Las redes móviles de quinta generación (5G) destacan por su robustez, superando las prestaciones ofrecidas por sus predecesoras. Estas redes, comúnmente denominadas 5G, posibilitan mejoras significativas en los indicadores clave de rendimiento (KPIs, por sus siglas en inglés) con el propósito de respaldar casos de uso y servicios avanzados. Estos KPIs se clasifican en tres escenarios fundamentales: Banda Ancha Móvil Mejorada (eMBB, por sus siglas en inglés), Comunicaciones Ultra Fiables y de Baja Latencia (uRLLC, por sus siglas en inglés) y Comunicaciones Masivas entre Máquinas (mMTC, por sus siglas en inglés). El escenario eMBB se orienta primordialmente hacia servicios que demandan elevadas tasas de transmisión y recepción para garantizar una experiencia de usuario mejorada. En contraste, uRLLC aborda situaciones que requieren estrictos estándares de baja latencia y alta confiabilidad en la red, como es el caso de aplicaciones en tiempo real, donde la pronta respuesta de la red es indispensable. Por su parte, el escenario mMTC se refiere a aplicaciones y servicios que solicitan el respaldo de la red para la conectividad masiva de dispositivos por kilómetro cuadrado, además de una eficiencia energética mejorada. Entre los servicios y aplicaciones más destacados, se encuentran aquellos basados en comunicaciones vehiculares mediante la red celular, conocidos en el estándar como comunicaciones V2X. En términos generales, la comunicación V2X engloba el intercambio de paquetes entre vehículos y diversos elementos de la red. Cuando estas comunicaciones se efectúan mediante estándares basados en redes móviles, ya sea en LTE o NR, la interfaz radio de 5G, se denominan C-V2X. En este contexto, las comunicaciones Vehículo a Vehículo (V2V) posibilitan el intercambio de paquetes entre vehículos, mientras que las comunicaciones de Vehículos con Infraestructuras (V2I) facilitan el intercambio entre vehículos e infraestructuras de red. Por su parte, las comunicaciones de Vehículos con Peatones (V2P) comprenden la transferencia de paquetes entre vehículos y dispositivos portados por peatones, y las comunicaciones Vehículo a Red (V2N) permiten el intercambio de tráfico V2X entre vehículos y la red. Cada tipo de comunicación posibilita la implementación de diversos servicios, desde funciones básicas hasta aplicaciones avanzadas que exigen potenciales requerimientos por parte de la red. En esta Tesis Doctoral, se llevó a cabo una revisión exhaustiva del estándar para comunicaciones V2X LTE y NR V2X, destacando particularmente los modos de comunicación descentralizados, como se mencionó anteriormente. Posteriormente, se realizó una campaña de simulaciones a nivel de sistema para configurar escenarios V2X conforme a las especificaciones del 3GPP. Los resultados obtenidos permitieron evidenciar que las prestaciones del modo 4 en LTE son adecuadas para servicios básicos que no requieren un alto throughput, bajas latencias o estrictos criterios de fiabilidad en la red. En contraste, mediante el modo 2 de NR V2X, se observó un rendimiento mejorado, lo que permite la adaptación a servicios V2X avanzados. Asimismo, se demostró que altas numerologías contribuyen a un mejor comportamiento del sistema al proporcionar una mayor diversidad de recursos, reduciendo la probabilidad de que dos vehículos utilicen los mismos recursos para sus transmisiones en el modo descentralizado. Además, se comprobó que en NR V2X es crucial una combinación adecuada de numerologías, anchos de banda de canal y tamaño de los subcanales sidelink, según los servicios V2X a implementar. Finalmente, se analizó la incorporación de tecnologías de múltiples accesos radio (multi-RAT) con el fin de respaldar servicios avanzados y mejorar la interoperabilidad mediante el uso de tecnologías de acceso basadas en LTE y NR, especialmente en escenarios con múltiples operadores de red móvil (MNOs), interfaces de conexión y modos de comunicación. / [CA] Les xarxes mòbils de cinquena generació (5G) destaquen per la seva robustesa, superant les característiques que ofereixen els seus predecessors. Aquestes xarxes, comunament anomenades 5G, permeten millores significatives en els indicadors de rendiment clau (KPI) per donar suport a casos i serveis d'ús avançats. Aquests KPI es classifiquen en tres escenaris fonamentals: banda ampla mòbil millorada (eMBB), comunicacions de baixa latència i fiabilitat (uRLLC) i comunicacions massives entre màquines (mMTC). L'escenari eMBB s'orienta principalment a serveis que exigeixen altes taxes de transmissió i recepció per garantir una millor experiència d'usuari. En canvi, uRLLC aborda situacions que requereixen estàndards estrictes de baixa latència i alta fiabilitat de la xarxa. Aquesta necessitat es manifesta, per exemple, en aplicacions en temps real on la resposta ràpida a la xarxa és un factor indispensable. Pel que fa a l'escenari mMTC, es refereix a aplicacions i serveis que sol·liciten suport de xarxa per a una connectivitat massiva de dispositius per quilòmetre quadrat, a més d'una millora de l'eficiència energètica. Entre els serveis i aplicacions esmentats, destaquen els basats en comunicacions vehiculars a través de la xarxa cel·lular, coneguts segons la norma com a comunicacions V2X. En termes generals, la comunicació V2X engloba l'intercanvi de paquets entre vehicles i diversos elements de xarxa. Quan aquestes comunicacions es realitzen utilitzant estàndards basats en xarxes mòbils, ja sigui en Evolució a llarg termini (LTE) o Nova Ràdio (NR), s'anomenen C-V2X. En aquest context, les comunicacions Vehicle-to-Vehicle (V2V) permeten l'intercanvi de paquets entre vehicles, mentre que les comunicacions Vehicle-to-Infraestructura (V2I) faciliten l'intercanvi entre vehicles i infraestructures de xarxa. Per la seva banda, les comunicacions Vehicle-to-Pedestrian (V2P) inclouen la transferència de paquets entre vehicles i dispositius transportats per vianants, i les comunicacions Vehicle a Xarxa (V2N) permeten l'intercanvi de trànsit V2X entre vehicles i la xarxa. Cada tipus de comunicació permet la implementació de diversos serveis, des de funcions bàsiques fins a aplicacions avançades que requereixen possibles requisits de la xarxa. En aquesta tesi, es va dur a terme una revisió exhaustiva de les directrius estàndard per a les comunicacions V2X LTE i NR V2X, destacant especialment els modes de comunicació descentralitzats, com s'ha esmentat anteriorment. Posteriorment, es va dur a terme una campanya de simulació a nivell de sistema per configurar escenaris V2X segons les especificacions del Projecte d'Associació de Tercera Generació (3GPP). Els resultats obtinguts van mostrar que el rendiment del mode 4 en LTE és adequat per a serveis bàsics que no requereixen un alt rendiment, latències baixes o criteris estrictes de fiabilitat de la xarxa. En canvi, es va observar un rendiment millorat mitjançant el mode 2 NR V2X, permetent l'adaptació a serveis V2X avançats. A més, s'ha demostrat que les numerologies altes contribueixen a un millor rendiment, proporcionant una major diversitat de recursos i reduint la probabilitat que dos vehicles utilitzin els mateixos recursos per a les seves transmissions en mode descentralitzat. A més, es va trobar que a NR V2X una combinació adequada de numerologies, amplades de banda del canal i mida dels subcanals SL és crucial, depenent dels serveis V2X a implementar. Finalment, es va analitzar la incorporació de múltiples tecnologies d'accés a la ràdio (multi-RAT) per donar suport a serveis avançats i millorar la interoperabilitat mitjançant l'ús de tecnologies d'accés basades en LTE i NR, especialment en escenaris amb múltiples operadors de xarxa mòbil (MNO), diferents interfícies de connexió i modes de comunicació. / [EN] Fifth-generation mobile networks, commonly referred to as Fifth Generation (5G), are known for their robustness and surpassing the performance of their predecessors. They enable significant improvements in Key Performance Indicators (KPIs) to support advanced use cases and services. These KPIs are classified into three fundamental scenarios: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra-Reliable and Low Latency Communications (uRLLC), and massive Machine Type Communications (mMTC). The eMBB scenario focuses on services that require high transmission and reception rates to improve the user experience. In contrast, uRLLC addresses situations that demand strict low latency and high-reliability standards in the network. This need is particularly evident in real-time applications where prompt network response is essential. The mMTC scenario pertains to applications and services that require network support for massive device connectivity per square kilometer and enhanced energy efficiency. In particular, services and applications based on vehicular communications via the cellular network, referred to as Vehicle-to-everything (V2X) communications in the standard, are prominent. V2X communication refers to the communication between vehicles and infrastructures. When using mobile network standards such as Long Term Evolution (LTE) or New Radio (NR), it is referred to as Cellular-based V2X (C-V2X). Vehicle-to-Vehicle (V2V) communication enables packet exchange between vehicles, while Vehicle-to-Infrastructure (V2I) facilitates the exchange between vehicles and network infrastructures. Vehicle-to-Pedestrian (V2P) and Vehicle-to-Network (V2N) are two other types of communication that enable the transfer of packets between vehicles and devices carried by pedestrians and the exchange of V2X traffic between vehicles and the network, respectively. These types of communication enable the implementation of various services, from basic functions to advanced applications with potential network requirements. This thesis provides a comprehensive review of the standard guidelines for V2X LTE and NR V2X communications, with a particular focus on the decentralized communication modes mentioned above. Following this, system-level simulations were conducted to configure V2X scenarios according to 3GPP specifications. The results indicate that LTE mode 4 is sufficient for essential services that do not require high throughput, low latencies, or strict network reliability criteria. On the other hand, NR V2X mode 2 showed improved performance, allowing adaptation to advanced V2X services. High numerologies have been shown to contribute to better performance by providing greater resource diversity and reducing the probability that two vehicles use the same resources for their transmissions in decentralized mode. Additionally, it was found that in NR V2X, an adequate combination of numerologies, channel bandwidths, and sidelink subchannel sizes is crucial, depending on the V2X services to be implemented. Finally, the incorporation of multiple Radio Access Technologies (multi-RAT) was analyzed to support advanced services and improve interoperability through the use of LTE and NR-based access technologies, especially in scenarios with multiple Mobile Network Operators (MNOs), connection interfaces, and communication modes. / González Malla, EE. (2024). Performance Evaluation of 3GPP Standards for C-V2X Communications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214051