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URLLC-Fähige 5G-Netzwerke Testen

Latenzzeit auf Anwendungsebene

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

Latenzzeit auf Anwendungsebene
© Shutterstock.com

URLLC ist fester Bestandteil von 5G. Dadurch werden schnelle und zuverlässige Methoden zur Latenzzeitmessungen an Bedeutung gewinnen.

Viele Branchen erhoffen sich durch den 5G-Mobilfunkstandard den Schlüssel zu neuen Anwendungen. Ob die Verbindungsqualität dafür ausreicht, können Mobilfunk- und Dienstleistungsanbieter über Latenzzeitmessungen auf Anwendungsebene nachweisen.

5G Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC) eignen sich für Dienste mit strengen Anforderungen an Latenz und Verfügbarkeit. URLLC-fähige 5G-Mobilfunknetzwerke müssen eine niedrige Latenzzeit mit minimalen Paketverlusten bzw. fehlerhaft ankommenden Paketen bieten. Die internationale Fernmeldeunion (International Telecommunication Union, Radiocommunication, ITU-R) spezifiziert eine One-Way-Latenz von 1 ms für die Benutzerebene [1].

Prinzipiell kann man URLLC anhand der Bestandteile seiner Abkürzung und einem Blick auf seine Anforderungen definieren:

  • Extrem hohe Zuverlässigkeitsanforderungen (Ultra Reliability) mit Werten zwischen 99,99 % für die Prozessüberwachung und 99,999999 % für Industrieroboter. Dieses gilt sowohl für Übertragungsverluste wie auch für die Neuordnung von Datenpaketen, wobei beide so niedrig wie möglich sein müssen.
  • Die Anforderungen an eine latenzarme Ende-zu-Ende-Kommunikation (End-to-end Low Latency Communication) reichen von weniger als 0,5 ms bis 50 ms auf der Anwendungsschicht und weniger als 1 ms auf der 5G-Funkschnittstelle [2].

URLLC-Anwendungsfälle

Hohe Zuverlässigkeit und kurze Latenzzeiten werden für eine Reihe von An- wendungen nachgefragt [3-5]: Erweiterte und virtuelle Realität (Augmented Reality, Virtual Reality) sowie haptische Interaktion lässt Menschen eine künstlich geschaffene Realität erleben oder liefert zusätzliche Informationen durch eingeblendete Bildinformationen, die der realen Welt überlagert werden. Die Technik ist in der Unterhaltungsindustrie schon verbreitet, für das industrielle Umfeld wird sie für Anwendungen wie Lagerverwaltung und Vor-Ort-Reparaturen noch weiterentwickelt. Diskutiert werden auch kritische Anwendungen wie chirurgische Eingriffe mit Augmented Reality.

Im Verkehrssektor sollen URLLC-fähige 5G-Netzwerke genutzt werden, um die nötige Kommunikationsinfrastruktur für das autonome Fahren bereitzustellen. Effizienz und Sicherheit sollen steigen, weil Fahrzeuge und Infrastruktur mit hochentwickelten Sensoren, künstlicher Intelligenz und nahezu verzögerungsfreier Kommunikation ausgestattet sind. Der größte Vorteil einer niedrigen Latenzzeit zeigt sich beim ferngesteuerten Fahrbetrieb sowie bei der gemeinsamen Nutzung von Sensoren.
Ein drittes Anwendungsgebiet ist die Stromversorgung. Sie lässt sich durch intelligente Stromnetze (Smart Grid) verbessern. Sie nutzen Kommunikationsfunktionen für eine verbesserte Netzstabilisierung sowie zur Erkennung und Behebung von Fehlern. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist der Bereich Motion Control. Er bezieht sich auf Werkzeugmaschinen, Druck- und Verpackungsmaschinen. Hier geht man davon aus, dass die Daten zur synchronisierten Steuerung von mehreren Maschinen (z.B. das parallele Arbeiten von mehreren Fertigungsrobotern an einem Werkstück) über URLLC-fähige Netzwerke gesendet werden und so eine höhere Effizienz ermöglichen.

URLLC-Normung

Den Einstieg in Richtung URLLC unternahm das 3GPP mit der ersten 5G-Version 15. Dazu definierte man das New Radio (NR) Interface mit einer Latenzzeit von 1 ms und einer Zuverlässigkeit von 99,999 % [3]. Wegen der Non-Standalone-Architektur (NSA) mussten Kernnetz und Funksignalisierung jedoch auf LTE zurückgreifen, wodurch die Anforderungen an die URLLC-Ende-zu-Ende-Verzögerung nicht erfüllt werden konnten.

Das 3GPP-Release V16 definiert eine neue Ende-zu-Ende-5G-Stand-Alone-Architektur (SA). Sie hat einen eigenen 5G-Kern und lässt sich damit auch ohne LTE betreiben. Außerdem bietet sie zwei wichtige Funktionen: Network Slicing und Mobile Edge Computing (MEC).

Schlüsselfaktoren für URLLC

Generell hängt die Ende-zu-Ende-Latenz von der Leistungsfähigkeit des Netzwerks und der Entfernung zwischen Server und Endgeräten ab. Beide werden für URLLC-Anwendungen optimiert. Daneben gibt es weitere Schlüsselfaktoren, die im Folgenden vorgestellt werden.

5G New Radio

Die Funkschnittstelle wurde durch verschiedene Maßnahmen für kurze Latenzzeiten ausgelegt. Dazu gehören flexible Frequenzabstände der Unterträger und Slots pro Unterträger (zusammenfassend als »Flexible Numerology« bezeichnet), ein optimiertes Zuordnen der Datenpakete in der Warteschlange (Scheduling) und eine Uplink-Übertragung ohne gesonderte Freigaben (Grant-free Upload). Micro-Diversity, robuste Steuerkanäle und HARQ-Verbesserungen erhöhen die Betriebssicherheit [3].

Mit der Flexible Numerology lässt sich der Unterträgerabstand von 15 kHz auf 240 kHz ändern. Durch den größeren Abstand wird eine kürzere Symboldauer ermöglicht woraus kürzere Scheduling-Intervalle folgen. Scheduling-Algorithmen können die Übertragungslatenz weiter reduzieren, indem sie Mini-Slots zuteilen. Grant-free Uplinks reduzieren den Anteil an der Latenzzeit, der durch das Anfordern von Übertragungs-Ressourcen entstehen.

Micro-Diversity arbeitet mit mehreren Antennen auf Empfänger- und Senderseite; so bilden sich getrennte räumliche Signalausbreitungspfade, was Single-Link-Ausfälle vermeidet. Die Sicherung der Zuverlässigkeit erfordert robuste Kontrollkanäle mit niedriger Fehlerrate. NR nutzt dazu eine neuartige Codierung und verwendet für die Übertragungen das Low Modulation and Coding Scheme (MCS). Für eine verringerte Latenzzeit und höhere Zuverlässigkeit kommt ein verbesserter HARQ-Wiederholungsmechanismus zum Einsatz, bei dem im Voraus Ressourcen für ein wiederholtes Senden von Datenpaketen zugewiesen werden.

Network Slicing

Network Slicing ist eine wichtige 5G-Funktion, die bei Bedarf für Benutzer mit unterschiedlichen Serviceanforderungen Ressourcen zuweisen kann. Die Ressourcen werden flexibel partitioniert und von den Effekten anderer Benutzer isoliert, sodass ein logischer Ende-zu-Ende-Kanal entsteht [2]. Die Anforderungen an die Übertragung (Quality of Service, QoS), die der Anwender für sein individuelles Slice benötigt, wird über eine On-Demand-Konfiguration von der Funkschnittstelle bis zum Kernnetzwerk umgesetzt. So kann 5G beispielsweise für denselben Benutzer einen Video-Streaming-Slice mit hoher Kapazität ohne strenge Latenzbeschränkungen für erweiterte mobile Breitbanddienste (Enhanced Mobile Broadband, eMBB), und einen Slice mit niedriger Latenz für URLLC-Dienste zur Robotersteuerung erstellen. Diese Fähigkeit ist nur mit der Standalone-Architektur (SA) des 5G-Kernnetzwerks möglich.

Mobiles Edge-Computing

Mit Mobile Edge Computing (MEC) lassen sich Latenzzeiten deutlich reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern. Dafür werden die Benutzeranwendungen auf der Seite des Edge-Gerätes als Teil des Cloud Radio Access Network (C-RAN) bereitgestellt. Die Latenz ist also vor allem auf den Funkzugang zurückzuführen. Durch das Hosting auf der Edge-Seite erübrigt sich der Umweg über das Kernnetz, während die geringere Anzahl von Knoten auf dem Datenpfad auch die Zuverlässigkeit erhöht [2].

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1. Latenzzeit auf Anwendungsebene
2. Messung der Ende-zu-Ende-Latenz

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