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Latenz: Der Eine-Millisekunde-Mythos im Mobilfunkstandard 5G

Der kommende Mobilfunkstandard 5G ist in erster Linie breitbandig und extrem reaktionsschnell. So liest man es immer wieder. Doch was hat es mit der Latenz von einer Millisekunde auf sich?

Artikel von Jan Rähm veröffentlicht am
Latenzen unter einer Millisekunde sind im privaten Umfeld eher nicht nötig.
Latenzen unter einer Millisekunde sind im privaten Umfeld eher nicht nötig. (Bild: Public Domain)

Ein Lidschlag dauert so zwischen 300 und 400 Millisekunden. Schneller bewegen sich einzelne Boxer. Ihre Schläge brauchen weniger als 200 Millisekunden. Noch schneller schalten Computermonitore. Vor allem Spieler bevorzugen Modelle mit acht Millisekunden und weniger Reaktionszeit, also der Zeit, die das Bild braucht, um von einem Zustand in den nächsten zu wechseln. All das ist jedoch langsam, wenn man liest, welch geringe Verzögerung dem kommenden Mobilfunkstandard 5G zugerechnet wird.

Inhalt:
  1. Latenz: Der Eine-Millisekunde-Mythos im Mobilfunkstandard 5G
  2. Wo liegen Datenbremsen?

Wenn Politiker und Marketingleute von den Chancen und Möglichkeiten des nächsten Mobilfunkstandards 5G sprechen, dauert es nur unwesentlich länger, bis sie die magische Millisekunde erwähnen, auch das Wort "Echtzeit" ist immer wieder zu hören - sogar von weniger als einer Millisekunde ist die Rede. Doch ist eine Millisekunde oder weniger technisch überhaupt machbar? Und wo braucht man diese kurze Latenz wirklich?

Hört man Technikern und Entwicklern genauer zu, wird die Latenz, also die Ende-zu-Ende-Verzögerung in den Mobilfunknetzen, schon etwas länger. Vodafone wird in Bezug auf das Testnetz in Aldenhoven westlich von Köln mit "weniger als zehn Millisekunden" zitiert. Die Telekom kommt mit Huawei-Technik im Testbetrieb auf drei beziehungsweise zwei Millisekunden - je nach Quelle.

Die Sinnfrage hinter der Millisekunde

Vor der technischen Betrachtung, ob diese Latenzen realistisch sind und unter welchen Bedingungen, stellt sich die Frage: Für welche Anwendungen wird diese kurze Latenz überhaupt benötigt? Michael Lemke, Senior Technology Principal beim Netzausrüster Huawei, sagt, die kurze Latenz werde wirklich gebraucht, allerdings nur für spezielle Einsatz-Szenarien: "Anwendungen, von denen wir dabei oft reden, betreffen Themen wie das automatisierte Fahren oder Industrie4.0-Kommunikation in der Fertigung und Roboterinteraktion ohne Kabel. Anwendungen wie Connected Car, Augmented Reality und Virtual Reality - alles Anwendungen mit menschlicher Interaktion - haben meist entspanntere Latenzanforderungen aufgrund der begrenzten Reaktionsfähigkeit des Menschen." Hier reichen also auch ein paar wenige Millisekunden mehr, ohne dass es die Anwendung beeinträchtigt oder der Mensch die Verzögerung überhaupt wahrnimmt.

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Anders sieht das in der Industrie aus: "Der Anwendungsfall eine Millisekunde und schneller ist insbesondere in den Bereichen Fabrikation und Automatisierungstechnik anzusiedeln", sagt Lemke. Hier gehe es um drahtlose Busse und zeitsynchronisierte Kommunikation im Produktionsumfeld und bei der Vernetzung von Robotern. Allerdings, schränkt Lemke ein, erfolge die Vernetzung im industriellen Szenario in eng definierter räumlicher Entfernung beispielsweise innerhalb eines Fabrikgebäudes.

Dicht = schnell

Sind 5G-Sender und -Empfänger dicht genug beieinander, sind heute bereits Latenzen unterhalb einer Millisekunde machbar, wie Huawei im Rahmen der IMT-2020 Technologietests zeigte. "Unter Ausnutzung aller Konfigurationsparameter schafften wir es über die Luft, die Latenz auf 0,33 Millisekunden für eine Richtung zu drücken", beschreibt Michael Lemke den Demonstrator. "Das heißt: 330 Mikrosekunden ist bisher das Schnellste, was in dem Umfang machbar war. Aber, das muss man deutlich sagen, das schafften wir unter Laborbedingungen. Wir konnten Idealbedingungen konfigurieren: Kürzeste Verbindung von links nach rechts und lokale Datenverarbeitung." Außerdem gelang die kurze Latenz nur unter Nutzung der höheren in 5G spezifizierter Frequenzen.

Dazu muss man im Hinterkopf haben, dass 5G nicht gleich 5G ist. Vielmehr ist das, was unter dem Schlagwort 5G zusammengefasst wird, eine Sammlung verschiedener Mobilfunktechniken - jeweils für den richtigen Einsatzzweck konfiguriert. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der genutzten Frequenzen, der möglichen Bandbreite und natürlich hinsichtlich der unterstützten Latenz.

Zur Erreichung der extrem kurzen Latenzen braucht es nicht nur räumliche Nähe und hohe Frequenzen, es braucht auch eine Änderung der Rahmenstruktur, also wie man die Datenpakete auf Funkressourcen anpasst, um diese zu übertragen. An derartigen Verfahren forschen Ingenieure wie Thomas Haustein, Abteilungsleiter Drahtlose Kommunikation und Netze, und sein Team am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) in Berlin. Er erklärt, dass es außerdem darauf ankomme, wie die Ressource Funk zugeteilt werde und wo die Daten im Netz verarbeitet würden.

"Hier kommt eine sogenannte Edge-Cloud-Lösung zum Einsatz, also eine Cloud, die nicht irgendwo zentralisiert oder viele Hunderte Kilometer entfernt ist. Der Cloud-Server muss an den Rand - englisch 'Edge‛ - des Funknetzes wandern, damit man bestenfalls direkt in der Basisstation Berechnungen durchführen kann", sagt Haustein. Nötig sei außerdem eine Optimierung über alle Protokollschichten hinweg. "Dann", erklärt Haustein, "können Sie, wenn Sie also auf der Luftschnittstelle vielleicht 200 Mikrosekunden verbrauchen, im Protokoll-Stack nochmal 300 Mikrosekunden, dann haben Sie immer noch eine halbe Millisekunde auf Applikationsebene verfügbar, um die eine Millisekunde zu erreichen."

Möglich ist die kurze Latenz also. Im Falle von geschlossenen Regelschleifen vom Teilnehmer zur Edge Cloud im Netz und zurück sind somit Umlaufzeiten von zwei bis drei Millisekunden realisierbar. Derartige Verzögerungen werden beispielsweise benötigt, damit Musiker gemeinsam auf der Bühne musizieren können. Dafür müssen Audiosignale vom drahtlosen Mikrofon über die Luftschnittstelle an ein Mischpult und die gemischten Audiosignale wieder drahtlos an die Innenohrkopfhörer der Musiker zurück übertragen werden. Ähnlich geartet sind die Latenzanforderungen, wenn Maschinen in der Fertigung miteinander kommunizieren.

Wo liegen Datenbremsen? 
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KlugKacka 15. Jun 2019

Vielleicht steigt ja auch die Latenz weil es Probleme mit dem Durchsatz gibt. Ursache und...

bombinho 12. Dez 2018

Dann kommen aber meist noch 20 - 200ms fuer die Elektronik obendrauf auf die...

Kommunist 11. Dez 2018

Die schaffen es nicht mal Deutschland flächendeckend mit 3G oder gar 4G zu versorgen...

Eheran 11. Dez 2018

Ach SO meinst du das. Einverstanden.

5GUser 11. Dez 2018

http://www2.informatik.uni-stuttgart.de/cgi-bin/NCSTRL/NCSTRL_view.pl?id=INPROC-2015-36...


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