Dependable wireless connectivity: insights and methods for 5G and beyond

Abstract

Dependability is a measure of availability and reliability of systems/services. In the context of communication systems, dependability is governed by the coverage probability of the network under prescribed service requirements, by the latency of data transmissions as well as by the transmission error probability. Achieving dependable connectivity can be very challenging, especially within wireless mobile communications, where the transmission channel is often prone to severe fading and strong interference. Current generations of cellular mobile communication systems (4G and below) can mainly provide best effort services and are not well equipped to achieve a sufficiently high level of dependability as required by many novel applications, such as, road-safety relevant information exchange in vehicular communications, as well as, wireless remote operation of robots and drones. Standardization bodies have already recognized the market potential of such use-cases for mobile communications, and correspondingly efforts are ongoing to enhance the fifth generation of cellular systems (5G) towards ultra-reliable low-latency transmission. In this paper, we provide insights gained by our research work within the Christian Doppler Laboratory for Dependable Wireless Connectivity for the Society in Motion with respect to factors influencing the dependability of 5G mobile cellular systems, and we present our achievements over the past two years for enhancing the robustness, reliability and efficiency of dependable wireless communications.

Die Zuverlässigkeit (Engl. dependability) eines Systems oder eines Dienstes ist ein Maß für dessen Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit (Engl. reliability). In Mobilfunksystemen wird Zuverlässigkeit hauptsächlich durch die Netzabdeckung für vorgegebene Servicanforderungen bestimmt sowie durch die Fehlerwahrscheinlichkeit und die Latenzzeit der Datenübertragung. Zuverlässigkeit drahtloser Verbindungen zu gewährleisten, stellt eine große Herausforderung dar, da grundlegende physikalische Eigenschaften des drahtlosen Übertragungsmediums, wie Kanalschwunderscheinungen und Interferenzen, inhärente Beeinträchtigungen verursachen. Aktuelle Generationen von Mobilfunksystemen (4G und seine Vorgänger) bieten vorwiegend sogenannte “best effort” Dienste an und sind nicht ursprünglich dafür geschaffen, Anwendungen mit strikten Zuverlässigkeitsanforderungen hinreichend sicher zu unterstützen. Neuartige Anwendung von drahtlosen Übertragungssystemen, wie zum Beispiel der Austausch verkehrssicherheitsrelevanter Informationen in der Fahrzeugkommunikation oder die drahtlose Steuerung von Robotern und Drohnen, verlangen jedoch nach einem sehr hohen Grad an Zuverlässigkeit. Das Marktpotential solcher Anwendungen wurde bereits von Standardisierungsgremien erkannt, und entsprechende Weiterentwicklungen von Mobilfunksystemen der fünften Generation (5G) in Richtung sehr geringer Latenzzeiten und hoher Ausfallsicherheit sind derzeit in vollem Gange. In unserer Forschungsarbeit im Christian Doppler Labor für Zuverlässige Drahtlose Konnektivität für eine Gesellschaft in Bewegung erforschen und entwickeln wir Methoden, um die Zuverlässigkeit von Mobilfunksystemen zu verbessern. Mit dem vorliegenden Artikel geben wir einen Überblick über unsere Erkenntnisse und die daraus resultierenden Weiterentwicklungen von Mobilfunktechnologien.