5G bietet Latenzzeiten auf einem völlig neuen Niveau. Es eröffnet völlig neue Möglichkeiten in vielen verschiedenen Bereichen wie autonomen Fahrzeugen oder Roboteroperationen. Wie also kann diese niedrige Latenzzeit im Jahr 2021 erreicht werden?
Was ist Latenz und warum ist sie wichtig?
5G - die fünfte Generation des Mobilfunkstandards - ist zweifelsohne ein technologischer Wendepunkt. Im Vergleich zu 4G bietet er ein völlig neues Maß an Datenübertragungsgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit, Anzahl der angeschlossenen Geräte und - vielleicht am wichtigsten - eine niedrige Latenzzeit.
Bei 4G (LTE) dauerte es zwischen 10 und 100 Millisekunden, bis ein Datenpaket in der Luft zwischen dem Mobilgerät und der Basisstation übertragen wurde. Mit 5G wird diese Zeit auf einen einstelligen Millisekundenbereich reduziert. Und es gibt mehrere Anwendungsfälle, die eine solche mikroskopisch kleine Latenzzeit dringend benötigen.
Ein Beispiel für den Unterschied zwischen LTE- und optimierter 5G-Einrichtungslatenz
Autonome Fahrzeuge kommunizieren mit der Infrastruktur und untereinander - und das ohne Verzögerungen. Schon der Bruchteil einer Sekunde Verzögerung kann eine Kollision verursachen. Beim Hochfrequenzhandel, bei dem sich Aktienkurse innerhalb eines Wimpernschlags ändern (und der schnellste Bieter den Gewinn mitnimmt!), ist jede Millisekunde unbezahlbar. Bei Multiplayer-Spielen entscheidet oft eine Eingabeverzögerung über Sieg oder Niederlage. Bei AR muss die Augmentation mit der Realität Schritt halten, um die Illusion einer magischen Echtzeit-Erfahrung aufrechtzuerhalten. Ganz zu schweigen von der medizinischen Fernversorgung und der Roboterchirurgie, wo der Arzt ein präzises Feedback benötigt, um einen Patienten sicher zu operieren.
Die endgültige Latenz setzt sich aus mehreren Teilen zusammen und hängt vom Anwendungsfall und dem Ansatz ab - es sind einige bewegliche Teile im Spiel. In diesem Artikel werfen wir einen Blick auf diese Abhängigkeiten und ermitteln, was zur endgültigen Geschwindigkeit beiträgt.
Luftschnittstelle im 5G-Standard
Hier findet der erste Sprung unserer Daten statt: zwischen dem mobilen Gerät und der Basisstation. Bei 5G hat die Spezifikation der Funkzugangstechnologie einen einfachen Namen - New Radio. Warum also ist die Latenzzeit so viel geringer als früher? Dafür gibt es ein paar Tricks.
Erstens - Skalierbare Slot-Dauer. Die Länge der für Datenübertragungen verwendeten Slots ist nicht mehr festgelegt, um unterschiedliche Bandbreiten, Spektren und Diensttypen zu berücksichtigen.
Zweitens - Mini-Slot-Planung. Sie ermöglicht es, nur einen Teil der verfügbaren Symbole des gesamten Slots zu verwenden, um noch mehr Flexibilität zu erreichen.
Drittens - Grant Free Transmission. Das Gerät muss nicht darauf warten, dass die Basisstation Ressourcen zuweist, sondern kann dank der Multi-Access Analog Fountain Codes Technik sofort mit der Übertragung beginnen.
Und schließlich - Pre-emptive Scheduling und Downlink Multiplexing. Latenzkritische kleine Datenstücke für ein Gerät können die laufende Übertragung für ein anderes Gerät unterbrechen.
Abgesehen von den allgemeinen Geschwindigkeitsverbesserungen bei der Hardware gibt es noch mehr, was wir ansprechen können, aber wir werden jetzt nicht weiter darauf eingehen.
MEC - Multi-Access Edge Computing
Eine schnelle Luftschnittstelle ist hervorragend, aber sie ändert nichts daran, dass die Anfrage von der Basisstation um die halbe Welt reisen muss, um ihr eigentliches Ziel zu erreichen. Die offensichtliche Lösung für dieses Problem besteht darin, das Ziel näher an die Basisstation zu verlegen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Nutzung von Multi-Access Edge Compute - ein von ETSI standardisiertes Architekturkonzept.
Die Idee von MEC besteht darin, Rechenressourcen - virtuelle Maschinen - auf Server zu verlagern, die Teil der Basisstationen des mobilen Zugangsnetzes sind. Die 5G-Architektur hat sich auf die Virtualisierung von Diensten verlagert, die auf allgemeinerer Hardware gehostet werden, was die Möglichkeit eröffnet, dieselbe Hardware für Dritte zu nutzen.
Obwohl die Basisstationen mehreren Unternehmen gehören, haben die großen Cloud-Anbieter das Problem vereinfacht, indem sie als Vermittler zwischen den Telekommunikationsunternehmen und den Entwicklern von MEC-Anwendungen fungieren (z.B. AWS Wavelength oder Azure Network Edge Compute).
MEC kann transparent als eine weitere Availability Zone in der Region angesehen und als solche in der Cloud-Umgebung verwendet werden. Wenn Sie wissen möchten, wie Sie dies einrichten können, erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die Implementierung von MEC-Lösungen .
Das Cloudlet
Wenn MEC keine Option ist (aufgrund der begrenzten Kapazität regulärer Server oder des Bedarfs an spezieller Hardware, um z.B. maschinelles Lernen effizient auszuführen oder ein grafikintensives Spiel in 4K zu streamen) wir können uns immer noch in die Nähe der dem Benutzer - gerade außerhalb des Telekommunikationsnetzes.
Der Begriff Cloudlet ist vielleicht ein wenig vage. Im Wesentlichen handelt es sich um ein kleines Rechenzentrum, das sich in der Nähe der Benutzer befindet und mit einer echten Full-Scale-Cloud verbunden ist - wenn massive Unterstützung erforderlich ist. Das kann zum Beispiel eine generische Hardware sein, die in einem Rechenzentrum in derselben Stadt wie unsere Benutzer gehostet wird und mit einem Hybrid Cloud-Ansatz verbunden ist.
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Es mag etwas langsamer sein als MEC, aber es ist immer noch viel schneller als die Reise durch zwei Länder, um die Kernregion der Cloud zu erreichen. AWS Außenposten sind eine interessante Option für diejenigen, die sich möglichst wenig um materielle Dinge kümmern möchten. Sie können ein Stück Cloud-Hardware bestellen, das zu Ihnen nach Hause geliefert wird, es an das Netzwerk anschließen und es von AWS aus der Ferne überwachen lassen (und sogar Mitarbeiter schicken, die Hardwareprobleme für Sie beheben!)
Das Cloudlet fungiert als private Availability Zone in Ihrer Region - ähnlich wie MEC.
Die Wolke
Das Hosting in der Cloud hat das Potenzial, die Latenzzeit noch besser zu reduzieren als MEC und das Cloudlet. Die großen Cloud-Anbieter haben jeweils über zwanzig Rechenzentren rund um den Globus. Die Bereitstellung von Software an mehreren geografisch strategisch günstigen Standorten spart uns viel mehr Millisekunden im Vergleich zu einem oder zwei klassischen On-Premise-Rechenzentren.
Was ist, wenn der Standort unserer Daten gesetzlich eingeschränkt ist? Sie sind zum Beispiel eine Schweizer Bank und Ihre Systeme müssen sich physisch in der Schweiz befinden. Glücklicherweise gibt es aus rechtlicher Sicht keinen Unterschied zwischen Servern in Ihrem Keller und der Nutzung von Google Cloud Platform für die Region Zürich. Aber es gibt einen Unterschied in der Geschwindigkeit. Die Rechenzentren von Google Cloud Networking verfügen über eine private Glasfaserverbindung nicht nur untereinander, sondern auch zu über 150 Netzwerk-Edge-Standorten rund um den Globus - und daher rührt die geringere Latenz.
Google wirdl Ihre Pakete in seinem Netzwerk behalten für so lange wie möglich. Selbst wenn Ihre Rechenleistung an einen einzigen Standort gebunden ist, können Sie Ihre Benutzer wesentlich schneller erreichen, als wenn Sie hektisch über das öffentliche Netz hüpfen. Internet-Knotenpunkte. Wenn der Nutzer beispielsweise 100 km von Warschau entfernt ist, kann die Anfrage zum lokalen Google Network Edge Location springen und viel schneller nach Zürich gelangen als über über die bisherigen Technologien.
Client und Server
Wir haben schon viel über die Kommunikation zwischen dem mobilen Gerät und dem Server gesprochen, aber wir müssen noch zwei wichtige Quellen für die Latenz erwähnen - das Gerät und den Server selbst.
Je nach Anwendungsfall haben wir nicht immer die Kontrolle über die Hardware des mobilen Geräts. Glücklicherweise können wir dies oft auf der Serverseite ausgleichen, indem wir die richtige CPU oder den richtigen Arbeitsspeicher aus den verfügbaren Optionen auswählen, Grafikkarten, Tensor Processing Units oder sogar kundenspezifische FPGA-Chips hinzufügen.
Auch im Bereich der Software können wir eine Menge tun, um die Latenzzeit unter Kontrolle zu halten.
- Richtige Architektur der API (um eine einzige Anfrage anstelle mehrerer Anfragen auf kritischen Pfaden durchzuführen).
- Nicht-blockierende IO (wenn wir viele Anfragen benötigen, die parallelisiert werden können).
- Optimierter Netzwerkprotokollstapel und Auslagerung der Paketverarbeitung (z.B. mit DPDK)
- Leichtgewichtige Frameworks und Bibliotheken.
- Reduzierung von unnötigen Abhängigkeiten und Fußabdrücken.
- Die Auswahl geeigneter Sprachen und das Schreiben von Low-Level-Code-Konstrukten mit Blick auf die Geschwindigkeit.
- Bewusstsein für rechnerische Komplexität.
- Stapelverarbeitung und Multithreading.
- Ordnungsgemäße Nutzung von NUMA (Non-uniform memory access) und SR-IOV (Single-root input/output virtualization).
- Weitere Feinabstimmung von virtuellen Maschinen, Betriebssystemen, Containern und deren Orchestrierung, Garbage Collectors.
...oder was es sonst noch gibt, um unsere kostbaren Millisekunden in der Technologiekette zu verschlingen!
5G - Geschäftsperspektive
Latenz ist ein heikles Thema und kann an vielen Stellen zwischen dem mobilen Gerät und seinem Backend gewonnen oder verloren gehen. Wenn alles gut architektiert, implementiert und eingesetzt wird, können mit 5G Latenzzeiten im einstelligen Millisekundenbereich erreicht werden, was für Unternehmen in einer Vielzahl von Anwendungsfällen völlig neue Möglichkeiten eröffnet.
Und um zu sehen, wozu der Unterschied zwischen einer Roundtrip-Latenz von 16 und 17 Millisekunden führen kann, sehen Sie sich das... Kolibri-Projekt Film!
Siehe auch: Wie 5G intelligente Fabriken ermöglichen kann.
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Quellen
- http://www.eurecom.fr/en/publication/5193/download/comsys-publi-5193_1.pdf
- https://www.edn.com/how-5g-reduces-data-transmission-latency/
- https://ytd2525.wordpress.com/2014/07/04/latency-in-5g-legacy-in-4g/
- https://www.rcrwireless.com/20200521/opinion/readerforum/is-latency-key-to-realising-5g-potential-reader-forum
- https://futurenetworks.ieee.org/images/files/pdf/FirstResponder/Rapeepat-Ratasuk-Nokia.pdf
- https://community.keysight.com/community/keysight-blogs/next-generation-wireless-communications/blog/2018/04/11/5g-flexible-numerology-what-is-it-why-should-you-care
- https://medium.com/5g-nr/ultra-reliable-low-latency-communication-urllc-9b2505e81579
- https://www.metaswitch.com/blog/5g-multi-access-edge-computing-with-cloudlets-in-fog-creating-mist
- https://www.vodafone.com/perspectives/blog/mec-complementing-5g-radio-technology
- https://www.etsi.org/images/files/ETSIWhitePapers/etsi_wp28_mec_in_5G_FINAL.pdf
- https://stlpartners.com/2019/12/11/aws-wavelength-game-over-for-telco-edge/
- https://www.researchgate.net/publication/315683979_Business_Case_and_Technology_Analysis_for_5G_Low_Latency_Applications
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