Performance improvements for multi-radio dual connectivity in mobile networks
Authors:   , Pupiales Yépez Carlos 
Published: February 2024

(English) Initial 5G networks were deployed to satisfy the users with higher data rates. Hence, to reduce the time to market and maximize the value of already deployed infrastructure, such deployments used the Non-Standalone architecture, which involves a complex coupling with 4G networks using the Multi-Radio Dual Connectivity (MR-DC) technology. This technology allows the user equipment (UE) to maintain a simultaneous connection with two base stations (BSs), i.e., 4G and 5G BSs. Hence, the UE in MR-DC operation can achieve higher data rates by utilizing both BSs for a given data stream. In principle, such a combination may result in data rate improvements. However, the heterogeneous radio link conditions experienced between the UE and each BS, the variable bandwidth resources assigned to the UE at each BS, and the non-zero delay backhaul connection between BSs may cause out-of-order packet reception, which can negatively affect the performance of transport layer protocols, especially for TCP.

This thesis, first, delves into the problem of data aggregation in MR-DC operation and, secondly, proposes solutions that allow the UE to achieve, or at least approximate, the theoretical aggregate throughput in static and mobile scenarios without diminishing data reliability and packet latency targets. In this regard, we first evaluate as realistically as possible the performance of TCP and UDP protocols in a Dual Connectivity testbed, which is implemented using the LTE/NR compliant Open Air Interface software and Software Defined Radios. Through our studies, we showed how the flow control and packet reordering decisions, done at the Packet Data Convergence Protocol (PDCP) layer, impact the performance of the aforesaid transport layer protocols. Specifically, we discovered that the achievable aggregate throughput depends on the timeout value chosen to wait for any delayed PDCP PDU and how the PDCP PDUs are shared between the BSs. Additionally, we showed that, unlike TCP, the out-of-order reception of PDUs is not a significant concern for UDP from the transport layer perspective. However, from the application layer's point of view, the out-of-order packet reception can be treated as packet loss.
Based on the outcomes described above, we focused on developing an efficient flow control mechanism, which, unlike other state-of-the-art flow control algorithms, approximates the ideal aggregate throughput for TCP and UDP transport layer protocols. The admirable feature of this novel mechanism is that it approximates the ideal aggregate throughput independently from the value chosen for the PDCP reordering timeout. Hence, this feature significantly simplifies the implementation and operation complexities of the proposed solution on production networks. We showcased the advantages of the proposed solution by benchmarking it against other state-of-the-art flow control algorithms under realistic scenarios using an LTE/NR testbed.

In the last part of this thesis, we studied the case where the UE aggregates data and handovers/failure events occur at the BSs. Results revealed that the UE's temporal disconnection from the BS can cause out-of-order reception or loss of PDCP PDUs, which makes the application stop receiving data for several hundreds of milliseconds. This problem challenges meeting the reliability and throughput targets defined by the application. Therefore, we introduced a novel mechanism that gives the BS acting as the master node the capability to identify and timely retransmit the missing PDCP PDUs. Our experimental evaluations demonstrated that the proposed solution achieves near-zero data interruption time at the application level and data reliability of more than 99.999% without transport layer retransmissions in all the assessed scenarios.

(Español) En sus inicios, las redes 5G se implementaron para satisfacer velocidades de datos más altas. Por lo tanto, para reducir el tiempo de comercialización y maximizar el valor de la infraestructura ya implementada, tales despliegues utilizaron la arquitectura Non-Standalone, la cual implica un complejo acoplamiento con redes 4G utilizando la tecnología Multi-Radio Dual Connectivity (MR-DC). Esta tecnología permite que el equipo de usuario (UE) mantenga una conexión simultánea con dos estaciones base (BSs) 4G y 5G. De esta manera, el UE puede lograr velocidades de datos más altas al utilizar ambas BSs para un mismo flujo de datos. En principio, tal combinación puede mejorar la tasa de transferencia de datos; sin embargo, las cambiantes condiciones de radio de los enlances entre el UE y cada BS, el variable ancho de banda asignado al UE en cada BS, y el retardo añadido en la conexión entre BSs, pueden causar pérdida en la secuencia de los paquetes recibidos. Esto puede afectar negativamente el rendimiento de los protocolos de la capa de transporte, especialmente a TCP.

Esta tesis, en primer lugar, profundiza en el problema de agregación de datos en operación MR-DC y, en segundo lugar, propone soluciones que permiten a la UE alcanzar, o al menos aproximar, la tasa de transferencia de datos teórica en escenarios estáticos y móviles, sin disminuir la confiabilidad de los datos ni aumentar la latencia de los paquetes. En este sentido, primero evaluamos de la manera más realista posible, el rendimiento de los protocolos TCP y UDP en un banco de pruebas de Conectividad Dual, que se implementa utilizando el software Open Air Interface y radios definidas por software. Nuestros resultados muestran como las decisiones de control de flujo y reordenación de paquetes, realizadas en la capa del Protocolo de Convergencia de Datos (PDCP), afectan el rendimiento de los protocolos antes mencionados. Específicamente, descubrimos que la tasa de transferencia de datos alcanzable depende del tiempo elegido en el mecanismo de reordenamiento de PDCP, y de como se distribuyen los paquetes entre las BSs. Además, mostramos que, a diferencia de TCP, la recepción desordenada de paquetes no es un problema importante para UDP, visto desde la perspectiva de la capa de transporte. Sin embargo, desde el punto de vista de la capa de aplicación, la recepción desordenada puede interpretarse como una pérdida de paquetes. Con base en los resultados descritos anteriormente, desarrollamos un mecanismo de control de flujo que aproxima la tasa de transferencia de datos al valor ideal tanto para TCP como para UDP. La característica admirable de nuestra propuesta es que el resultado es independientemente del valor de espera elegido en el mecanismo de reordenamiento de PDCP. Por lo tanto, esta característica simplifica significativamente las complejidades de implementación y operación de la solución propuesta en redes de producción reales. Las ventajas de la solución propuesta se comparan con otros algoritmos de control de flujo en escenarios realistas utilizando un banco de pruebas LTE/NR.

En la última parte de esta tesis, estudiamos el caso en que el UE agrega datos y ocurre una desconexión temporal de las BSs. Los resultados revelaron que éste problema puede provocar una pérdida en la secuencia de los paquetes o la pérdida completa de los paquetes, haciendo que la aplicación deje de recibir datos durante varios cientos de milisegundos. Éste problema hace difícil cumplir con los objetivos de confiabilidad y latencia definidos por la aplicación. Por lo tanto, presentamos un mecanismo que da a la BS que actúa como nodo maestro, la capacidad de identificar y retransmitir oportunamente los paquetes faltantes. Nuestras evaluaciones demostraron que la solución propuesta logra un tiempo de interrupción de datos cercano a cero a nivel de aplicación y una confiabilidad de datos de más del 99,999 % sin retransmisiones de la capa transporte en todos los escenarios evaluados.