Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/news/latenz-der-eine-millisekunde-mythos-im-mobilfunkstandard-5g-1812-138027.html    Veröffentlicht: 10.12.2018 12:01    Kurz-URL: https://glm.io/138027

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?

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.

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.

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?

Michael Lemke von Huawei führt aus, wo die Schranken liegen, sobald Sender und Empfänger räumlich nicht nahe beieinander sind: "Im Prinzip können wir an der Luftschnittstelle heute alle 0,5 Millisekunden ein Datenpaket anliefern oder abholen. Dann müssen diese Daten aber noch den Protokollschichten und die verteilte Mobilfunkinfrastruktur passieren. Das heißt bei Netzelementen wie Routern: den Protokoll-Stack hoch und wieder runter und am nächsten Netzelement wieder hoch und wieder runter. Die Daten müssen über verschiedene Stationen (Netzelemente) vom Ort A nach B geschickt werden und dabei darf man auch nicht unterschätzen, dass innerhalb der End-Geräte selbst auch noch Verarbeitungsschritte stattfinden."

Eine wichtige Voraussetzung für einen schnellen Datenfluss und eine geringe Latenz ist dann noch die Weitergabe der Daten hinter der 5G-Basisstation. "Stellen Sie sich vor, diese Basisstation ist an einer Laterne befestigt und da haben Sie keine schnelle Glasfaseranbindung", wirft Ingenieur Haustein ein, "langfristig werden wir nicht umhinkommen, für die 5G-Basisstationsanbindung Glasfasern in großem Umfang wirklich in die Netze reinzubringen, ergänzt um breitbandige Funklösungen, welche neues 5G-Spektrum im Millimeterwellenbereich nutzen".

5G, Millisekunden und das vollautomatisierte Fahren

Interessant wird es mit dem Glasfaserausbau und den 5G-Netzen entlang von Autobahnen, Landstraßen und natürlich Eisenbahnstraßen, auch wenn Letztere für den voll automatisierten Straßenverkehr keine Rolle spielen. 5G mit seiner Eine-Millisekunde-Latenz wird immer wieder genannt, wenn es um die Zukunft selbstfahrender Pkw und Lkw geht. "Muss ein Netz da sein, damit das Auto überhaupt fahren darf?" fragt Michael Lemke und beantwortet die Frage gleich selbst: "Bestimmt nicht." Dennoch gebe es viele Szenarien, in denen 5G dem Verkehr nützen könne.

Grob unterteilen lässt sich der 5G-Bedarf im Auto in Verkehrssicherheit und multimediale Unterhaltung. Letztere benötigt hohe Bandbreiten und flächendeckende Abdeckung entlang der Straßen, aber nur mäßige Latenzzeiten und Zuverlässigkeit der Funkverbindungen. Ob der Server in 5, 10 oder 20 Millisekunden reagiert, ist der Schnulze auf dem Bordbildschirm genauso egal wie der der E-Mail-Anwendung vor den Augen des Rücksitz-Nutzers.

Drängender sind schnelle Reaktionszeiten und zuverlässige Funkkommunikation jedoch, wenn es um zukünftige Szenarien wie kooperativen Verkehr geht. Wenn beispielsweise Fahrzeuge untereinander Sensordaten austauschen, damit der Wagen am Ende einer langen Reihe bereits weiß, wie die Straße ein paar Hundert Meter weiter vorn aussieht, muss die Information sicher beim Bordcomputer ankommen. "An der Stelle braucht man dann mehr Bandbreite und eine verlässliche Latency", erklärt Huawei-Sprecher Lemke. Ist kein Netz da, müssen Fahrer oder Bordcomputer des Fahrzeugs anhand der lokal erfassten Daten selbst entscheiden und die Situation beurteilen. Gleiches gilt fürs völlig autark agierende voll automatisierte Fahrzeug: "Das muss auch weiterhin aktionsfähig sein, selbst wenn Sie im Augenblick kein Netz haben."

Fazit

Geringe Latenzen in 5G von einer Millisekunde und weniger sind unter kontrollierten Bedingungen machbar - wenn auch bisher vorrangig in Demonstratoren und im Labor. Der Bedarf an flächendeckendem extrem niedrig latenten Datenfunk ist eingeschränkt auf bestimmte Anwendungen. In Szenarien des hoch automatisierten Fahrens und beim kooperativen Fahren ist es mehr die Verlässlichkeit der Latenz als deren möglichst kurze Spanne, auf die es ankommt. Das zeigt sich auch an den Ausbauvorgaben, die die Bundesnetzagentur für die kommende Versteigerung der Funkfrequenzen für 5G gesetzt hat. Darin heißt es, die Latenz müsse an Autobahnen und Bundesstraßen bei maximal zehn Millisekunden liegen. Von der viel gescholtenen einen Millisekunde ist keine Rede.  (jar)


Verwandte Artikel:
Ausbau: Vodafone Deutschland nutzt 5G-Supercore-Rechenzentren   
(17.04.2019, https://glm.io/140758 )

© 1997–2019 Golem.de, https://www.golem.de/