- Titel
- A Measurement-Driven Study of Time-Sensitive and Deterministic Cellular Networking for Industrial and Tactile Internet Applications
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1036180
- Erstveröffentlichung
- 2026
- Datum der Einreichung
- 06.10.2025
- Datum der Verteidigung
- 27.03.2026
- Abstract (DE)
- Deterministische Kommunikation ist eine Voraussetzung für viele Anwendungsfälle. Ohne deterministische Kommunikation würden viele Maschinen nicht richtig funktionieren und keine Waren mehr produziert. Determinismus in komplexen Kommunikationsnetzwerken zu erreichen ist eine Herausforderung, da jede Komponente das Ergebnis beeinflussen kann. Die Arbeit identifiziert, dass Latenz und ihre Varianz die wichtigsten Leistungskennzahlen (KPIs) für die Bewertung deterministischer Kommunikationssysteme sind. In solchen Systemen bedeutet Determinismus, dass Netzwerkpakete zu bestimmten Zeitpunkten gesendet und empfangen werden, sodass die Kommunikation vorhersehbar wird. Wenn die Latenzverteilung klein genug ist –die Wahrscheinlichkeit, dass eine Schwellwert eingehalten werden kann–, kann das Kommunikationssystem als deterministisch eingestuft werden. Diese Einstufung unterscheidet sich zwischen den Kommunikationstechnologien, z.B. 5G und Time-Sensitive Networking (TSN), da die erreichbare Leistung unterschiedlich ist. Schwankungen von einigen hundert Mikrosekunden können ein 5G-System als deterministisch klassifizieren, aber für ein TSN Netzwerk würde dies bedeuten, dass etwas nicht korrekt funktioniert. Deterministische Kommunikation kann auf verschiedene Weise erreicht werden, und TSN –für die IEEE-Domäne– und Time-sensitive Communication (TSC) –für die 3GPP-Domäne– sind etablierte Technologien. Diese Arbeit untersucht Anwendungen des industriellen Internets der Dinge (IIoT) sowie Anwendungsfälle des taktilen Internets und deren Anforderungen. Es werden zwei Anwendungen zur Fernsteuerung von Robotern vorgestellt, von denen eine das Echtzeitkommunikationsprotokoll PROFINET nutzt. Die Arbeit diskutiert die Herausforderungen und Chancen, die sich durch den Einsatz deterministischer Mobilfunknetze für solche Anwendungen ergeben. Darüber hinaus zeigt die Arbeit, wie deterministische Kommunikation die Telemedizin durch den Einsatz von TSN verbessern kann, und erläutert detailliert, warum multimodales Feedback deterministische Netzwerke erfordert. Es wird ein umfassender Hintergrund zu den untersuchten Technologien 5G, TSN und 5G-TSN gegeben, um ein Verständnis dafür zu vermitteln, wo Latenz und ihre Schwankungen auftreten können und wie sie kontrolliert werden können. Diese messungsbasierte Studie wird auf der Grundlage von zwei Hardware-Testumgebungen durchgeführt, die vorgestellt und detailliert beschrieben werden. Die Testumgebungen TSN-FlexTest und 5G-TSN FlexTac werden für hochpräzise Messungen mit einer Auflösung im Nanosekundenbereich eingesetzt. Durch die geschickte Nutzung der Mechanismen von TSN ermöglicht die Testumgebung TSN-FlexTest die Bewertung und Verifizierung der TSN-Standards selbst. Die Arbeit zeigt auf, welche Herausforderungen bei präzisen Messungen auftreten und wie diese gelöst werden können. Die Funktionen der IEEE-Standards für zeitkritische Netzwerke werden umfassend untersucht. Zeitsynchronisation, Traffic Shaping und andere Quality of Service (QoS)-Technologien werden einzeln und in Kombination untersucht. Darüber hinaus werden die Ergebnisse des TSN-FlexTest Testbeds zur Verifizierung und Verbesserung des Simulationsframeworks OMNeT++ verwendet. 5G-TSN als neuartige Technologie wird mit dem FlexTac Testbed evaluiert, um Einblicke in die derzeit erreichbare Leistung zu gewinnen. Die OpenAirInterface User Plane Function (UPF) wird detailliert untersucht, wobei Beobachtungen und Rückschlüsse zu den Auswirkungen auf die Leistung durch verschiedene Linux-Funktionen gemacht werden. Umfassende Ende-zu-Ende Funkmessungen werden durchgeführt, um Erkenntnisse über mögliche Systemoptimierungen zu gewinnen, einschließlich der Verwendung des Time-aware Shaper (TAS).
- Abstract (EN)
- Deterministic communication is an enabler for many use cases. Without deterministic communication machines stop working, no goods will be produced. Achieving determinism in complex communication networks is challenging as many components influence the outcome. The thesis outlines, that latency and packet-delay variation are the primary Key Performance Indicators (KPIs) for assessing the performance of deterministic communication systems. In such systems, determinism means that network packets are sent and received in a timely manner, such that the communication becomes predictable. When the latency distribution is small enough –the probability a packet deadline can be adhered to–, the communication system can be classified as deterministic. This classification differs between the communication technologies, e.g., 5G and Time-sensitive Networking (TSN), as the achievable performance is different. Fluctuations of a few hundred microseconds might grade a 5G system as deterministic, but for a Time-sensitive Network it would mean something is broken. Deterministic communication can be obtained through various ways, and TSN –for the IEEE domain– and Time-sensitive Communication (TSC) –for the 3GPP domain– are established representatives. This thesis studies Industrial Internet of Things (IIoT) applications as well as Tactile Internet use cases, and their requirements. Two remote robot control applications are presented, with one of them using PROFINET real-time communication. The thesis discusses the challenges and opportunities that arise by leveraging deterministic cellular networking for such applications. Furthermore, the thesis shows how deterministic communication can enhance tele-healthcare by using TSN, and outlines in detail why multimodal feedback requires deterministic networking. A comprehensive background is given on the studied technologies 5G, TSN, and 5G-TSN to provide an understanding where latency and its variation can emerge from, and how it can be controlled. This measurement-driven study is conducted on the basis of two hardware testbeds, which are introduced and described in detail. The TSN-FlexTest and the 5G-TSN FlexTac testbeds are employed for high precision measurements in nanosecond resolution. By cleverly leveraging mechanisms of TSN, the TSN-FlexTest testbed allows the evaluation and verification of TSN standards themselves. The thesis presents which challenges occur when precise measurements should be taken and how they can be solved. The feature set of the IEEE standards for Time-sensitive Networking is extensively investigated. Time synchronization, traffic shaping, and other Quality of Service (QoS) technologies are studied individually and in combination. Moreover, the TSN-FlexTest testbed results are used for verification and improvement of the state-of-the-art simulation framework OMNeT++. 5G-TSN as novel technology is evaluated with the FlexTac testbed to provide insights into the currently achievable performance. The OpenAirInterface User Plane Function (UPF) is studied in detail, with observations on performance implications through various Linux features. Extensive end-to-end over-the-air measurements are conducted to present insights about possible system optimizations, including the use of the Time-aware Shaper (TAS).
- Freie Schlagwörter (DE)
- 5G, Mobilfunk, Deterministische Netzwerke, Kommunikationsnetze
- Freie Schlagwörter (EN)
- 5G, Cellular Communication, Deterministic Networks, Communication Networks
- Klassifikation (DDC)
- 621
- Klassifikation (RVK)
- ZN 6560
- GutachterIn
- Prof. Dr. Frank H.P. Fitzek
- Prof. Dr. Slawomir Stanczak
- Prof. Dr. Florian Kaltenberger
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Technische Universität Dresden, Dresden
- Version / Begutachtungsstatus
- publizierte Version / Verlagsversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-1036180
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 28.04.2026
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY-NC-ND 4.0- Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung Abstract 1 Introduction and Motivation 1.1 Research Questions 1.2 Publications and Outline of the Thesis 2 Applications and their Requirements 2.1 Industrial Automation: Remote Control of Robots 2.2 Transmitting Multimodal Feedback over the Tactile Internet 3 A Detailed Background on 5G, TSN, and 5G-TSN 3.1 Network Delay 3.2 Deterministic vs Predictable Networking 3.3 Key Performance Indicators for Time-Sensitive Networking 3.4 3GPP 5G Non-Public Networks 3.5 IEEE Time-Sensitive Networking 3.6 5G-Time-Sensitive Networking 3.7 Related Work 4 Research Methodology 4.1 The TSN-FlexTest Testbed 4.2 The 5G-TSN FlexTac Testbed 5 Exploring Time-Sensitive Networking in Detail 5.1 TSN-FlexTest Testbed Results 5.2 Comparison between Hardware Testbed and Simulation 5.3 Leveraging Time-Sensitive Networking in other Domains 6 Towards Deterministic Cellular Networking 6.1 A First Step Towards 5G-TSN 6.2 Evaluation with the 5G-TSN FlexTac Testbed 7 Conclusions and Future Work 7.1 Summary of Key Findings 7.2 Towards 5G-TSN: Contributions of the Author and Outlook A TSN-FlexTest List of Author’s Publications Bibliography Abbreviations List of Figures List of Tables