Optimized messaging framework for distributed radio access network
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-03-20
Department
Major/Subject
Communications Engineering
Mcode
ELEC3029
Degree programme
CCIS - Master’s Programme in Computer, Communication and Information Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
79
Series
Abstract
The recent development of radio access networks has emphasised more open and distributed architecture, where both components and functions are disaggregated for more efficient solutions. Simultaneously, the planned use of higher frequencies with fifth generation (5G) mobile networks will shrink cell sizes requiring more radio and control units. The increased number of units and distributed architecture will lead to greatly increased communication needs. Furthermore, artificial intelligence and machine learning (AI/ML) -based control systems for radio access networks (RAN), such as open RAN (O-RAN) RAN intelligent controller (RIC), will intensify further the communication requirements within the systems. A topic-based messaging framework using shared memory is created in this thesis that supports one-to-many communication with simultaneous read access by the receivers and preference for the writer. The framework is tested in a simulated O-RAN RIC environment constructed of containerized xApps provided by Nokia and also with custom-made xApps created to gather performance metrics from the communication. The created framework is compared to an already existing solution for xApp communication, RIC message router (RMR), with a focus on latency, message rates, and central processing unit (CPU) efficiency. The created framework performed better in all of the focused metrics having 70 percent reduced latency, two times increased message rate and three times more efficient CPU usage at worst. It was identified that a design flaw degraded the performance of the created framework. A favourable comparison of the created framework where the design flaw had no impact, resulted in 89 percent reduced latency, 114 times increased message rate and 66 times more efficient CPU usage. Although performance-wise the created framework showed better results, it is limited to a single host system and cannot recover from communication failures without a full reset. Additionally, the design choice of a writer's preference will force receivers to drop messages whenever a receiver is not able to process messages fast enough. RMR does not have the mentioned limitations, which might be requirements for certain types of communication patterns.Radioliityntäverkkojen viimeaikainen kehitys on painottanut avointa ja hajautettua arkkitehtuuria, jossa sen komponentit sekä funktiot ovat paloiteltu pienemmiksi kokonaisuuksiksi mahdollistaen tehokkaampien ratkaisujen muodostamisen. Samanaikaisesti 5G yhteydessä suunniteltu korkeampien radiotaajuuksien käyttö kutistaa radiosolujen kattavuutta, joka vaatii liityntäverkkoon aikaisempaa enemmän radioita sekä niiden kontrolliin tarkoitettuja yksikköjä. Yksikköjen määrän lisääminen sekä järjestelmien paloittelu pienempiin kokonaisuuksiin luo kasvavan tarpeen viestintäjärjestelmien ylläpitämiseen näiden välillä. Viestintäjärjestelmien tarve ja vaatimukset kasvavat entisestään, kun liityntäverkkojen ohjaukseen käytetään tekoälyä ja koneoppimista hyödyntäviä järjestelmiä kuten O-RAN RIC. Tässä diplomityössä kehitettiin aihepohjainen viestijärjestelmä jaetun muistin avulla, joka tukee yhdestä moneen viestintää yhtäaikaisella viestin luvulla vastaanottajien kesken sekä painottaa lähettäjän etuoikeuttaa luoda uusia viestejä järjestelmään. Luotua viestijärjestelmää tutkitaan simuloidussa O-RAN RIC ympäristössä, joka on koottu Nokian tarjoamista sekä viestijärjestelmän mittaukseen erikseen kehitetyistä xApp ohjelmistokonteista. Työssä kehitettyä viestijärjestelmää verrataan jo olemassa olevaan xAppien väliseen viestintään käytettyä RMR järjestelmää. Vertauksessa keskitytään viestien viiveeseen, viestimäärään sekä viestinnän tehokkuuteen eli prosessorin kulutukseen. Työssä kehitetty viestijärjestelmä tarjoaa vähintään 70 prosenttia pienemmän viestiviiveen, kaksinkertaisen viestimäärän ja kolminkertaisesti tehokkaamman prosessorin kulutuksen. Kyseiset arvot muukaan lukevat työn aikana havaitun suunnitteluvirheen luodussa viestijärjestelmässä, joka rajoitti merkittävästi järjestelmän suorituskykyä. Tilanteissa, joissa sunnitteluvirhe ei häirinnyt luodun järjestelmän suoritusta, viestiviive oli 89 prosenttia pienempi, viestien lähetystahti oli 114-kertainen ja prosessorin kulutus oli 66-kertaisesti tehokkaampaa. Luotu viestijärjestelmä on kuitenkin rajoittuneempi ympäristön ja toiminnan suhteen kuin RMR, sillä luotu järjestelmä ei tue useamman isäntäkoneen välistä kommunikointi eikä kykene palautumaan vikatilanteista ilman viestintäyhteyden uudelleenluontia. Tämän lisäksi järjestelmän suunniteltu lähettäjän suosiminen pakottaa vastaanottajia ohittamaan lukemattomia viestejä, jos näiden prosessointi ei tapahdu riittävän nopeasti vastaanottajalta. Jotkin viestintämallit vaativat kyseisiä ominaisuuksia rajoittaen luodun järjestelmän käyttöä niissä.Description
Supervisor
Jäntti, RikuThesis advisor
Karppinen, JariKeywords
shared memory, messaging framework, radio access network, multiple readers, single writer, writer preference