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Queueing-Theoretic End-to-End Latency Modeling of Future Wireless Networks

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.

Identiferoai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:38696
Date11 March 2020
CreatorsSchulz, Philipp
ContributorsFettweis, Gerhard, Rupp, Markus, Technische Universität Dresden
Source SetsHochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden
LanguageEnglish
Detected LanguageGerman
Typeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text
Rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess

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