Enhanced quality of service mechanisms for 5G networks
Authors:   , Irazabal Bengoa Mikel 
Published: September 2023

The heterogeneous services with stringent requirements that are envisioned to co-exist under the fifth generation of cellular networks (5G), inexorably challenge the current Long-Term Evolution (LTE) cellular network’s features. Consequently, an important amount of effort has been invested to reduce current latency while increasing the throughput and the reliability. As an example, 5G’s uplink granted free transmission procedure permits reserving Resource Blocks(RBs) in advance for a set of User Equipments (UEs), and thus, reduce the latency by eliminating the UEs resource request procedure. Likewise, the cellular network stack has experience major changes in different layers. Examples of it is the new Radio Link Controller (RLC) Packet Data Unit (PDU) that enables a faster packet forming at the expense of reducing the compression ratio. These solutions address latency causes that lie in 5G’s protocol stack, and will unquestionably enhance 5G’s capability to meet the rigorous services’ latency requirements. In addition, 5G has introduced a new sublayer (i.e., Service Data Adaptation Protocol (SDAP)), and has defined a new Quality of Service (QoS) Flow Indicator(QFI) as its finest quality granularity indicator. However, delays generated by the pace at which data packets are forwarded or its sizes, can significantly impact the latency in contemporary cellular networks, and ruin the stringent timing guarantees required by delay-sensitive services if they are not carefully considered. One of the problems associated with the pace at which the data packets are forwarded is the bufferbloat, and will specifically occur in 5G’s Radio Access Network RAN since contemporary wired links are orders of magnitude faster than wireless links, and are provided with large buffers to always fulfill the fluctuating radio link capacity.

Being the RAN the bottleneck and having large buffers together with the fact that most of contemporary data is transported through the loss-based congestion control algorithm, Transmission Control Protocol (TCP) Cubic, suffice to bloat the buffers and increase the latency. In this thesis we provide quantitative results of the bufferbloat problem in contemporary cellular networks. We first thoroughly explain 5G’s QoS hierarchical multi-queuing and show how the bufferbloat increases the latency. Following, we propose the (enhanced)5G Bandwidth Delay Product ((e)5G-BDP), the Dynamic RLC Queue Limit (DRQL) and the UPF-SDAP Pacer (USP) solutions, enhancing the current 5G QoS multi-queuing architecture, and approaching through two different paradigms. We evaluate our proposed solutions in an emulator, as well as in a testbed, against state-of-the-art solutions and conclude that a new QoS hierarchical multi-queuing architecture is needed in 5G to fulfill the latency requirements for which it is envisioned. Moreover, since information in the wired link is transported in packets, while in the RAN is transmitted through RBs, packets that do not fit in the assigned RBs, are segmented and transmitted during different Transmission Time Intervals (TTIs). Such mechanism prevents wasting the scarce wireless transmission opportunities. However, the segmented information at the receiver cannot be forwarded until all the remaining information from the packet is reassembled, which in the best case occurs during the next transmission opportunity. We exhaustively study the problem and propose a RB scheduling algorithm named Elastic Quantum Partition (EQP) to address this challenge and compare it quantitatively against a Fixed Partition (FP) RB distribution in different scenarios in a testbed with dynamic Modulation and Coding Scheme (MCS), off-the-shelf equipment and slices. The outcome shows a latency reduction when scheduling the RBs elastically rather than using a fixed scheduler. In summary, in this thesis we shed some light in the bufferbloat phenomenon and the segmentation/reassembly procedure in current cellular networks.

Los servicios heterogéneos que se prevé que coexistan bajo el paraguas de la quinta generación de redes celulares 5G, inexorablemente empujaran a mejorar la actual LTE. Por ello, la red celular ha experimentado grandes cambios en diversas capas. Ejemplos de ello son los nuevos espaciamientos de subportadoras que permiten reducir la duración del slot y, por tanto, el tiempo de transmisión o el nuevo Radio Link Controler (RLC) PDU que permite una formación de paquetes más rápida a expensas de reducir la tasa de compresión. Estas soluciones abordan causas que pueden considerarse como endógenas al 5G. Además, el 5G ha introducido una nueva subcapa (es decir, Protocolo de adaptación de datos de servicio (SDAP)) y ha definido un nuevo indicador de flujo de calidad de servicio (QFI). Sin embargo, los retrasos generados por el ritmo al que se envían los paquetes de datos o sus tamaños, que pueden clasificarse como causas exógenas, ya que no dependen de las especificaciones de 5G, pueden afectar significativamente la latencia en las redes celulares contemporáneas. Uno de los problemas asociados con el ritmo al que se envían los paquetes de datos es conocido bajo el termino de "bufferbloat", y ocurrirá específicamente en el accesso a la red de radio (RAN) 5G, ya que los enlaces por cable contemporáneos son órdenes de magnitud más rápidos que los enlaces inalámbricos, que están provistos de grandes búferes para satisfacer siempre la fluctuante capacidad del enlace de radio y, por lo tanto, evitar el despilfarro de recursos. Siendo la RAN el cuello de botella y teniendo grandes búferes, junto con el hecho de que la mayoría de los datos se transportan a través de un protocolo de control de congestión basado en pérdidas como TCP Cubic, basta para saturar los búferes y aumentar considerablemente la latencia. En esta tesis proporcionamos resultados cuantitativos del problema del bufferbloat en las redes celulares contemporáneas. Primero explicamos detalladamente las múltiples colas jerárquicas del 5G y mostramos cómo mejoran los mecanismos de calidad de servicio para susodichas redes. A continuación, proponemos las soluciones ((e) 5G-BDP), Dynamic RLC Queue Limit (DRQL) y UPF SDAP Pacer (USP), mejorando la actual arquitectura 5G QoS de múltiples colas y considerando dos enfoques diferentes para el problema del bufferbloat. Evaluamos las propuestas soluciones en un emulador, así como en un testbed, para concluir que se necesita una nueva arquitectura de colas múltiples jerárquica de QoS en 5G para cumplir con los requisitos de latencia. Además, dado que la información en el enlace cableado se transporta en paquetes, mientras que en la RAN es transmitido a través de bloques de recursos (RB), los paquetes que no encajan en los RB asignados, se segmentan y son transmitidos durante diferentes intervalos de tiempo de transmisión (TTI). Tal mecanismo evita desaprovechar las escasas oportunidades de transmisión inalámbricas. Sin embargo, la información segmentada en el receptor no se puede enviar hasta que se vuelva a ensamblar toda la información restante del paquete, que en el mejor de los casos ocurre durante el próximo TTI. Estudiamos exhaustivamente el problema y proponemos un algoritmo llamado Elastic Quantum Partition (EQP) para abordar este desafío y lo comparamos cuantitativamente con una distribución de RB de partición fija (FP) en diferentes escenarios en un testbed con cambiante Modulación dinámica y Esquema de codificación (MCS). El resultado muestra una reducción de la latencia al programar los RB elásticamente en lugar de utilizar una particion fija. En resumen, en esta tesis arrojamos algo de luz sobre el fenómeno del bufferbloat y el procedimiento de segmentación / reensamblaje en las redes celulares actuales para finalmente proponer y evaluar novedosas soluciones que mitigan ambos efectos, reduciendo finalmente la latencia en la red cellular actual.