Enhanced Transport-Layer Mechanisms for MEC-Assisted Cellular Networks
Mécanismes de couche transport efficaces pour réseaux cellulaires avec noeuds de traitement en bordure du réseau (MEC)
Résumé
Addressing transport-layer issues in cellular networks is still a hot research topic, despite the
fact that a wide range of solutions have been proposed over the last decades. One reason that
could explain this phenomenon is the difficulties in the real-world adoption of the proposed
solutions as they require either drastic changes in the cellular network protocol stack (in the
UE and/or in the base station) or a standardization effort so that TCP headers can include radio
information. Another reason is the fact that most of these solutions are effective only in a few
scenarios and fail to mitigate the transport-layer issues considered on a global or large scale.
Inspired by these limitations and the growing trend towards Mobile and Multi-Access
Edge Computing (MEC), we set out in this thesis to demonstrate that several transport-layer
issues in a MEC-enabled 4G/5G network can be mitigated without requiring any modifications
in the end-user’s device or in the 4G/5G stack. To this end, we propose novel transport-layer
optimization solutions that leverage the MEC Radio Network Information Service (RNIS)
and other MEC capabilities to improve some key traditional transport-layer mechanisms such
as slow start, steady state behavior, loss detection and flow control mechanisms. We show
the efficiency of this approach by first proposing SIGMA, an uplink-oriented Congestion
Control Algorithms (CCA) that outperforms BBR and existing CCAs in terms of throughput
and delay; then we propose and implement MELD, a loss discrimination algorithm that can
improve the throughput of loss-based CCAs by up to 80% in case of wireless/random losses;
and lastly we propose RAPID, a RAN-aware Performance Enhancing Proxy (PEP) capable
of transparently reducing the increase in delay by a factor of 10 to 50 without lowering
the throughput, regardless of the number or the behaviors of the TCP flows sharing the
same per-user buffer. Finally, we implement MELD and RAPID in Linux and validate their
performance in a real-world 4G network based on OpenAirInterface and FlexRAN.
La résolution des problèmes de la couche transport dans les réseaux cellulaires est toujours un
sujet d’actualité, malgré le fait que de nombreuses solutions ont été proposées au cours des
dernières décennies. Une des raisons qui pourrait expliquer ce phénomène, est la difficulté
d’adoption des solutions proposées dans le monde réel car elles nécessitent soit des change-
ments drastiques dans la pile protocolaire des réseaux cellulaires (au niveau de l’UE et/ou au
niveau de la station de base), soit un effort de normalisation pour que les en-têtes TCP puissent
inclure des informations radio. Une autre raison est le fait que la plupart de ces solutions ne
sont efficaces que dans quelques scénarios et ne parviennent pas à resoudre les problèmes de
couche transport considérés d’une manière générale ou à grande échelle.
Inspiré par ces limitations et aussi par la tendance grandissante vers le traitement à la
bordure des réseaux mobiles ou Multi-access Edge Computing (MEC), nous nous sommes
donné comme objectif dans cette thèse de démontrer qu’un très grand nombre de problèmes
de couche transport dans un réseau cellulaire avec nœuds de traitement en bordure du réseau
(scénario MEC), peuvent être resolus sans nécessiter de modifications dans l’appareil de
l’utilisateur final ou dans la pile protocolaire 4G/5G. À cette fin, nous proposons de nouvelles
solutions d’optimisation de la couche de transport qui exploitent le service de collecte d’infor-
mations radio du MEC (nommé RNIS) et d’autres moyens fournis par l’environnement MEC
pour améliorer certains mécanismes clés de la couche transport tels que, le mécanisme de
demarrage lent ou slow start, le mécanisme d’évitement de congestion ou régime permanent,
le mécanisme de détection des pertes, ou encore le mécanisme de contrôle de flux. Nous mon-
trons l’efficacité de cette approche en proposant d’abord SIGMA, un algorithme de contrôle de
congestion (CCA) orienté lien-montant (uplink) qui surpasse les performances de BBR et des
CCAs existants en termes de débit et de délai ; puis nous proposons et implémentons MELD,
un algorithme de discrimination de pertes capable d’améliorer jusqu’à 80% le débit des CCAs
de type loss-based (i.e., les CCAs qui utilisent les pertes comme signaux de congestion) en cas
de pertes aléatoires ; et enfin nous proposons RAPID, un proxy d’amélioration de performance
(PEP) qui tient compte de l’environnement radio et qui permet de réduire les augmentations
de délais de bout-en-bout de manière transparente par un facteur de 10 à 50 sans introduire
une diminution de débit, et ceci, quel que soit le nombre ou le comportement des flux TCP
partageant la file d’attente dédiée à l’utilisateur. Enfin, nous avons implementé les solutions
MELD et RAPID sur Linux et avons validé leurs performances dans un réseau 4G basé sur
OpenAirInterface et FlexRAN.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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