Réduction de la latence et de la gigue dans le réseau d’accès radio 5G

Reducing latency and jitter in 5G radio access networks

• Auteur / Autrice : Flavien Ronteix--Jacquet
• Direction : Xavier Lagrange, Isabelle Hamchaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Advanced technologies for operated networks - Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique - Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Orange (Firme)
• Jury : Président / Présidente : André-Luc Beylot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Lagrange, Isabelle Hamchaoui, Cédric Adjih, Alexandre Ferrieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Turletti, Philippe Martins

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ordonnancement (informatique)

Mesure

Gigue (électronique)

5G (téléphonie mobile)

Mots clés libres

5g

Latence

Gigue

Mesure

OpenAirInterface

Ordonnancement remontant

5g

Latency

Jitter

Measurements

OpenAirInterface

Uplink scheduler

Résumé

Les réseaux cellulaires présentent des latences importantes, en particulier au niveau du réseaux d’accès radio (RAN). La nouvelle génération de technologie cellulaire 5G, en plus d’augmenter les débits de transmission, doit offrir de faibles latences en connectivité mobile. L’objectif de cette thèse est de proposer des mécanismes de réduction de la latence dans le RAN. Dans cette perspective, nous avons mis en place une plateforme d’expérimentation software-defined RAN basée sur le projet OpenAirInterface et conçu un outil de mesure fine des latences internes au RAN appelé LatSeq. Nous montrons que la latence aller-retour atteint typiquement 30 ms en LTE répartie entre délais de traitement, de mis en file d’attente, de retransmissions et d’acquisition du medium. Nous avons aussi mesuré une gigue importante sur la voie remontante qui influe sur la latence du RAN mais aussi sur les performances des trafics TCP, très répandus sur Internet. LatSeq met en évidence le rôle du mécanisme d’allocation des ressources radio dans la gigue et la latence de la voie remontante. Nous montrons comment la connaissance imparfaite de la taille du buffer de transmission par l’algorithme d’ordonnancement à partir des rapports Buffer Status Reports (BSR) et des demandes d’accès (SR) induit une transmission par rafale, une gigue importante et une sous-utilisation de la capacité du canal radio. Nous proposons alors un nouveau mécanisme d’estimation de la taille du buffer de transmission des terminaux compatible avec les standards 3GPP LTE et 5G, et démontrons que cette méthode permet de réduire la latence de la voie remontante et la gigue subie par les flux de paquets.

Cellular networks present high latencies,especially in the Radio Acccess Network (RAN). The new generation of cellular technology 5G, in addition to increasing transmission throughput, must offer low latency in mobile connectivity. The objective of this thesis is to propose mechanisms for reducing latency in the RAN. In this perspective, we set up a software-defined RAN experimentation platform based on the OpenAirInterface project and designed a tool for fine-grained measurement of RAN internal latencies called LatSeq. We show that the round-time trip latency typically reaches 30 ms in LTE divided between processing, queueing, retransmission and medium acquisition delays. We also measure a significant jitter on the uplink that affects the RAN latency but also the performance of TCP traffics,which are very common on the Internet. LatSeq highlights the role of the radio resource allocation mechanism in the jitter and latency of the uplink channel. We show how the partial knowledge of the transmission buffer length by the scheduling algorithm from Buffer Status Reports (BSRs) and Scheduling Requests (SRs) induces bursts of transmissions, significant jitter and under-utilization of the radio channel capacity. We then propose a new mechanism for estimating the terminal transmission buffer length which is compatible with 3GPP LTE and 5G standards. We demonstrate that this method makes it possible to reduce the latency of the uplink channel and even more the jitter experienced by packet flows