Latency-optimized edge computing in Fifth Generation (5G) cellular networks

Abstract

The purpose of this thesis is to research latency-optimized edge computing in 5G cellular networks. In specific, the research focuses on low-latency software-defined services on open-source software (OSS) core network implementations.

A literature review revealed that there are few OSS implementations of Long Term Evolution (LTE) (let alone 5G) core networks in existence. It was also found out that OSS is essential in research to allow latency optimizations deep in the software layer. These optimizations were found hard or impossible to install on proprietary systems. As such, to achieve minimal latency in end-to-end (E2E) over-the-air (OTA) testing, an OSS core network was installed at the University of Oulu to operate in conjunction with the existing proprietary one.

This thesis concludes that a micro-operator can be run on current OSS LTE core network implementations. Latency-wise, it was found that current LTE modems are capable of achieving an E2E latency of around 15ms in OTA testing. As a contribution, an OSS infrastructure was installed to the University of Oulu. This infrastructure may serve the needs of academics better than a proprietary one. For example, experimentation of off-the-specification functionality in core networks should be more accessible. The installation also enables easy addition of arbitrary hardware. This might be useful in research on tailored services through mobile edge computing (MEC) in the micro-operator paradigm.

Finally, it is worth noting that the test network at Oulu University is operating at a rather small scale. Thus, it remains an open question if and how bigger mobile network operators (MNOs) can provide latency-optimized services while balancing with throughput and quality of service (QoS).

Tämän opinnäytetyön tarkoituksena on tutkia vasteaikaoptimoitua reunalaskentaa 5G matkapuhelinverkoissa. Tarkemmin määritellen, työn tarkoituksena on keskittyä alhaisen latenssin palveluihin, jotka toimivat avoimen lähdekoodin ydinverkkoimplementaatioiden päällä.

Kirjallisuuskatsaus osoitti että vain pieni määrä avoimen lähdekoodin toteutuksia LTE verkkoimplementaatioista on saatavilla. Lisäksi havainnointiin että avoimen lähdekoodin ohjelmistot ovat osa latenssitutkimusta, jotka vaativat optimointeja syvällä ohjelmistorajapinnassa. Minimaalisen vasteajan saavuttamiseksi, avoimen lähdekoodin ydinverkko asennettiin Oulun yliopistolla toimimaan rinnakkain olemassaolevan suljetun järjestelmän kanssa.

Tämä opinnäytetyön johtopäätöksien mukaan mikro-operaattori voi toimia nykyisten avoimen lähdekoodin LTE ydinverkkojen avulla. Vasteajaksi kahden laitteen välillä saavutettiin noin 15ms. Kontribuutioksi lukeutui avoimen lähdekoodin radioverkkoinfrastruktuurin asentaminen Oulun yliopistolle. Tämä avoin infrastruktuuri voinee palvella tutkijoiden tarpeita paremmin kuin suljettu järjestelmä. Esimerkiksi, ydinverkkojen testaus virallisten määrittelyn ulkopuolisilla ominaisuuksilla pitäisi olla helpompaa kuin suljetulla järjestelmällä. Lisäksi asennus mahdollistaa mielivaltaisen laskentaraudan lisäämisen mobiiliverkkoon. Tämä voi olla hyödyllistä räätälöityjen reunalaskentapalveluiden tutkimuksessa mikro-operaattoreiden suhteen.

Lopuksi on hyvä mainita että Oulun yliopiston testiverkko toimii suhteellisen pienellä skaalalla. Täten kysymykseksi jää miten suuremmat mobiiliverkkojen tarjoajat voivat toteuttaa vasteaikaoptimoituja palveluita suoritustehoa ja palvelunlaatua uhraamatta.