Schwerpunkte

URLLC-Fähige 5G-Netzwerke Testen

Latenzzeit auf Anwendungsebene

02. Dezember 2020, 09:30 Uhr   |  Von Pavol Polacek


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Messung der Ende-zu-Ende-Latenz

Die Ende-zu-Ende-Latenz ist die Summe aller Latenzen zwischen den beiden betrachteten Endpunkten. Jede Netzwerkkomponente, die Verzögerungen in der Verarbeitung oder der Warteschlange einbringt, geht in diese Latenz mit ein. Für die Auswahl der Netzwerkkomponenten ist es zwar wichtig, die Art der Latenz zu verstehen, die sie in das Netzwerk einbringt, aber wie die Komponenten zusammenwirken, das wird nur über die Ende-zu-Ende-Latenz ersichtlich. Für eine Aussage, wie eine Komponente das Netzwerk beeinflusst, muss die Ende-zu-Ende-Latenz vor und nach der Inbetriebnahme der Netzwerkkomponente gemessen werden.

Für die Messung gibt es prinzipiell zwei mögliche Anordnungen: Near End (Bild 1) und Far End (Bild 2). Bei einer Near-End-Messung sendet das Gerät die Datenpakete von einem Port des Geräts in das zu testende Netzwerk und leitet sie zurück zum zweiten Port, sowie zugleich zur Prüfung der anderen Richtung in umgekehrter Richtung. Dies lässt sich einfacher einrichten, da beide Enden des Pfades am gleichen Gerät enden und keine Synchronisierung zwischen zwei Geräten nötig ist.

Die Far-End-Messung nutzt zwei weit voneinander entfernte Messgeräte, wobei die Datenpakete von einem zum anderen geroutet werden
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Bild 2. Die Far-End-Messung nutzt zwei weit voneinander entfernte Messgeräte, wobei die Datenpakete von einem zum anderen geroutet werden.

ie Near-End-Messung dient zur Bestimmung der Latenz für in einer Schleife geroutete Datenpakete
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Bild 1. Die Near-End-Messung dient zur Bestimmung der Latenz für in einer Schleife geroutete Datenpakete.

Allerdings ist es schwieriger, die Downlink- und Uplink-Latenzkomponenten zu unterscheiden und zu ermitteln, wieviel sie zur Gesamt-latenz beitragen.

Bei einer Far-End-Messung platziert man zwei Instrumente an verschiedenen Orten und übermittelt die Datenpakete von einem Instrument zum anderen. Weil zwei Instrumente genutzt werden, müssen sie durch einen hochgenauen externen Takt synchronisiert werden, zum Beispiel durch ein GNSS-Zeitsignal (Global Navigation Satellite System). Dieser Ansatz bietet mehr Flexibilität. Zum Beispiel lässt sich ein Instrument direkt mit einem Benutzergerät verbinden, während sich das zweite am Server befindet, sodass die Instrumente sowohl die Downlink- als auch die Uplink-Richtung präzise messen. Auch kann man die beiden Instrumente in fahrenden Fahrzeugen platzieren – in Kombination mit mobilen Benutzergeräten lässt sich die Latenz auch unterwegs messen.

Heatmap für Latenz und Zuverlässigkeit

Ein besseres Verständnis der Leistung eines Netzwerks erfordert Messungen von Latenz und Zuverlässigkeit an verschiedenen Orten. Durch Kopplung der Leistungs-, Zeitstempel- und Standortdaten lässt sich dann eine Heatmap erstellen, analogzu den weit verbreiteten Darstellungen der Netzabdeckung. Anhand solcher Latenz-Heatmaps kann man potenziell problematische Standorte ermitteln und die tatsächliche Netzwerkleistung in einem Gebiet bewerten.Dafür werden Messinstrumente in Fahrzeugen betrieben, die in ein Untersuchungsgebiet fahren, während ein weiteres in der Nähe eines MEC-Servers installiert ist (Bild 3)

Erstellung einer Heatmap für URLLC-Latenz und Zuverlässigkeit unter Verwendung von Netzwerktestern. Die Bezeichnung gNB steht für „Next Generation Node B“ und bezeichnet das 5G-Äquivalent einer Basisstation
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Bild 3. Erstellung einer Heatmap für URLLC-Latenz und Zuverlässigkeit unter Verwendung von Netzwerktestern. Die Bezeichnung gNB steht für »Next Generation Node B« und bezeichnet das 5G-Äquivalent einer Basisstation. UE steht für »User Equipment« (Endgerät).

Die Fahrzeuge sind mit GNSS-Empfängern und einem mobilen Endgerätausgestattet, das die Anbindung an das 5G-Netz z.B. mit einem 5G-Dongle oder einem Smartphone übernimmt. So lassen sich etwa durch eine Messung der Verbindungsqualität zwischen dem MEC-Server und den Fahrzeugen die Bedingungen charakterisieren, unter denen MEC-Anwendungen arbeiten müssen. Ob die Verbindungsqualität für Anwendungen wie den Austausch von Sensordaten zwischen mehreren Fahrzeugen geeignet ist, lässt sich durch einen Betrieb der Fahrzeuge in einer Kolonne und einer Messung der Verbindung zwischen ihnen ermitteln.

Feldtester für 5G-URLLC

Der MT1000A [6] ist ein kompletter Feldtester, der sich zur Evaluierung der Verbindungsqualität für neue 5G-URLLC-Netzwerke nutzen lässt. Er kann Qualitätsparameter wie Latenz, Jitter, Muster- oder Sequenzfehler und Paketverlust bewerten. Der MT1000A ist modular aufgebaut, wobei verschiedene Module kombinierte 10G/100G-Ethernet-, OTN-, SONET/SDH-, OTDR-, PTP- und CPRI-Technologien unterstützen. Über ein intuitives Softwareinterface lassen sich die Tests leicht automatisieren.

Latenzmessung mit dem MT1000A. Die Werte liegen im Bereich von 1 – 9 ms und sind sehr genau
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Bild 4. Latenzmessung mit dem MT1000A. Die Werte liegen im Bereich von 1 – 9 ms und sind sehr genau.

Für die Messung von URLLC-Latenzzeit wird am MT1000A ein benutzerdefiniertes Anwendungsprotokoll erstellt. Die Ende-zu-Ende-Latenzzeit berechnet sich aus der Differenz zwischen dem Zeitstempel beim Senden des Datenpakets und dem Zeitstempel beim Datenpaketempfang. In Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Übertragungstechnik [7, 8] liegt die Genauigkeit der Latenzmessung im Bereich von Nano- bis Mikrosekunden (Bild 4). Im Gegensatz dazu erlaubt die traditionelle Ping-Methode nur eine grobe Messung der Netzwerklatenz.Sie ist auf die Near-End-Messung beschränkt und ungenau.

Zusammenfassung

URLLC ist eine Schlüsseleigenschaft des 5G-Mobilfunks für viele neue Anwendungen. Eine zentrale Anforderung sind kurze Latenzzeiten und eine hohe Zuverlässigkeit der Datenübertragung. Latenzmessungen sollte man in allen Projektphasen durchführen: bei Komponententests, vor der Bereitstellung, vor der Inbetriebnahme und bei der Wartung. Diese Aspekte lassen sich mit dem Feldtester MT1000A überprüfen.


Literatur

[1] Report M.2411-0: Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s) ITU-R, 2017.

[2] 5G Alliance for Connected Industries and Automation: 5G for Connected Industries and Automation. ZVEI, Frankfurt am Main, 2019.

[3] Li, Z., Shariatmadari, H.,Singh, B., Uusitalo, M. A.: 5G URLLC: Design Challenges and System Concepts. 15th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), Lissabon, 2018.

[4] Service requirements for next generation new services and markets. 3GPP Techincal Specification 22.261 version 15.8.0 Release 15, ETSI, 2019.

[5] Verticals URLLC Use Cases and Requirements, Next Generation Mobile Networks Alliance, 2019.

[6] MT1000A Introduction. Anritsu. https://www.anritsu.com/en-us/test-measurement/products/mt1000a(27.2.2020)

[7] Mobile Backhaul Test - Synchronous Ethernet Evaluation. Anritsu. https://www.anritsu.com/en-US/test-measurement/support/downloads/application-notes/dwl010604 (27.2.2020)

[8]Faster Low-Latency 5G Mobile Networks. Anritsu. https://www.anritsu.com/en-US/test-measurement/solutions/mt1000a-05/index (27.2.2020)

Der Autor

Pavol-Polacek von Anritsu
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Pavol-Polacek von Anritsu.

Pavol Polacek

arbeitet als Wireless-Spezialist in der technischen Kundenbetreuung von Anritsu. Zu seinen Aufgaben gehört die Entwicklung von automatisierten Netzwerkanalyse systemen, Produktionstestern und 5G-OTA-Antennenmessungen im Sub-6-GHz-Bereich. Er arbeitete mit an der Einrichtung von 4G/5G-HIL-V2Cloud-Anwendungstests für Kraftfahrzeuge und der LTE-V2X-Testlösungsdemo. 2013 kam er als Protocol Conformance Support Engineer zu Anritsu mit den Schwerpunkttehmen 2G-, 3G-, 4G-Mobilfunk. In 2009 schloss er mit dem MSc. in Kommunikationstechnik an der Slowakischen Technischen Universität in Bratislava ab und promovierte in diesem Fach 2016 an der National Central University Taiwan (R.O.C.).

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