Multi-Connectivity for Wireless Reliable Low-Latency Communications
In the past, wireless communication systems mainly focused on user-centric applications and on throughput as main performance metric. Emerging machine-type communications and applications such as vehicular communications or wireless industrial control require low communication latency with high reliability. Contemporary wireless communication standards are not able to fulfill all of these requirements. Therefore, the research community explores potential techniques and measures to improve the latency and reliability performance of wireless communication systems. In this context, this thesis investigates the suitability of multi-connectivity (MC), i.e., the usage of multiple communication paths at the same time. Three main research aspects are identified and addressed: (1) a system-level comparison of MC approaches on different layers, (2) an evaluation of the influence of different link and network properties on the latency and reliability performance of MC scheduling schemes and (3) the development of concepts for adaptive MC schedulers. This work focuses on MC approaches on MAC layer or above, in wireless one-hop networks with cyclic traffic patterns as suitable for industrial applications. Analytic, simulative, and measurement-based evaluations of MC schemes have been carried out in the course of this thesis to address these central aspects. (1) The higher layer MC schemes were compared with Physical layer MC schemes in ns-3 simulations and evaluated in different scenarios. The PHY MC schemes are beneficial in scenarios with low SINR, while the gain of the higher layer MC schemes grows with increasing network load. (2) We identified three basic MC scheduling schemes that can be utilized for distributing packets over multiple links in presence of cyclic traffic, i.e., packet duplication, load balancing and packet splitting. The measurement-based evaluation shows a strong impact of different link and network properties, e.g., link correlation or network load, on the latency and reliability performance of the MC scheduling schemes. Different schemes achieve the best performance in different scenarios, which motivates the development of adaptive MC scheduling schemes that dynamically change the MC scheme depending on the prevalent scenario. (3) Based on these findings, two adaptive MC scheduling schemes are proposed in this work: A distributed adaptive scheduler and a novel cascaded MC scheduling scheme. The former was implemented on the MAC layer of 802.11be and the evaluation highlights the advantages of the adaptive scheduling algorithm over static MC schemes, especially in scenarios with medium relative network load. The cascaded MC scheduling scheme can be applied in scenarios where more than two communication links are available. The evaluation shows that the scheme can significantly outperform the basic MC scheduling schemes in several scenarios. Overall, this thesis provides a comprehensive analysis of MC schemes on higher layers for cyclic traffic patterns and presents concepts to improve the latency and reliability performance of wireless communication systems with MC. The findings are technology-agnostic and can thus be used to implement or improve MC approaches in wireless communication standards or to build MC controllers on higher layers.
Industrieapplikationen, wie beispielsweise Regelkreise in der Fertigungsautomatisierung oder mobile Robotik, benötigen Kommunikationssysteme, die eine niedrige Kommunikationslatenz mit hoher Zuverlässigkeit aufweisen. Aktuelle drahtlose Kommunikationsstandards sind nicht in der Lage all diese Anforderungen zu erfüllen und somit können nicht alle Industrieanwendungen mit drahtlosen Kommunikationssystemen realisiert werden. Multi-Konnektivität (MC), also die gleichzeitige Nutzung mehrerer Kommunikationspfade, ist ein vielversprechender Ansatz, um die Zuverlässigkeit und Latenz drahtloser Kommunikationssysteme zu verbessern. In diesem Zusammenhang identifiziert und untersucht diese Arbeit drei Hauptforschungsaspekte: (1) ein Vergleich von MC-Ansätzen auf verschiedenen Netzwerkschichten auf Systemebene, (2) die Auswertung des Einflusses verschiedener Link- und Netzwerkeigenschaften auf die Latenz und Zuverlässigkeit der verschiedenen MC Ansätze und (3) die Entwicklung verschiedener Konzepte für adaptive MC Scheduler. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf MC Ansätzen auf höheren Schichten in drahtlosen Netzwerken mit einem Kommunikations-Hop für zyklischen Datenverkehr, welcher oftmals in Industrieanwendungen verwendet wird. Um diese Forschungsaspekte zu untersuchen, wurden im Rahmen dieser Arbeit analytische, simulative und messbasierte Auswertungen für verschiedene MC Ansätze durchgeführt. (1) MC Ansätze auf höheren Schichten und auf der physikalischen Schicht wurden im Systemlevel-Simulator ns-3 implementiert und in verschiedenen Szenarien miteinander verglichen. Die MC Ansätze auf der physikalischen Schicht waren besonders vorteilhaft in Szenarien mit niedrigem SINR, während die MC Ansätze auf höheren Schichten mit zunehmender Netzwerklast einen größeren Gewinn erzielten. (2) Drei fundamentale MC Scheduling Verfahren wurden identifiziert, um Pakete bei zyklischem Datenverkehr auf die verschiedenen Links zu verteilen: Packet Duplication, Packet Splitting und Load Balancing. Die messbasierte Auswertung dieser Ansätze zeigt einen starken Einfluss von Link- und Netzwerkeigenschaften, wie beispielsweise der Linkkorrelation oder der Netzwerklast, auf die Latenz und Zuverlässigkeit der verschiedenen MC Verfahren. Unterschiedliche MC Scheduling Verfahren erreichen die beste Leistung in verschiedenen Szenarien. (3) Basierend auf diesen Erkenntnissen stellen wir in dieser Arbeit zwei Ansätze für adaptive MC Scheduler vor. Ein adaptiver Scheduler für verteilte Systeme wurde auf der MAC Schicht von IEEE 802.11be implementiert. Die Auswertung zeigt die Vorteile des adaptiven Scheduling Algorithmus gegenüber statischen MC Schedulern auf. Diese Vorteile sind besonders signifikant in Szenarien mit mittlerer Netzwerklast. Zudem stellen wir ein neuartiges kaskadiertes Scheduling Verfahren vor, welches genutzt werden kann, wenn mehr als zwei Links für MC zur Verfügung stehen. Der analytische Vergleich mit den fundamentalen Scheduling Verfahren zeigt große Vorteile des kaskadierten Scheduling Verfahrens in mehreren Szenarien. Insgesamt stellt diese Arbeit die erste umfassende Analyse von MC Ansätzen auf höheren Schichten für zyklischen Datenverkehr zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Latenz von drahtlosen Kommunikationssystemen dar. Die erzielten Erkenntnisse sind technologie-neutral und können daher dazu verwendet werden, MC Konzepte in drahtlosen Kommunikationsstandards zu implementieren oder zu verbessern, oder um MC Kontroller auf höheren Schichten zu entwickeln.
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