News - Allgemeine Test- und Messtechnik

Hintergrund: Latenz und andere QoS-Parameter im 5G-Netz messen

Da kritische Anwendungen wie Robotersteuerungen, selbstfahrende Fahrzeuge und Telemedizin immer stärker auf die mobile Kommunikation angewiesen sind, müssen Mobilfunknetzbetreiber und Systementwickler gewährleisten, dass Entscheidungen schnell und zuverlässig elektronisch übermittelt werden. Gelingt es nicht, eine zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenzzeit (URLLC; Ultra Reliable Low Latency Communications) zu erreichen, könnte dies schwerwiegende Folgen haben und Verletzungen oder Schlimmeres verursachen.

Mobilfunknetze wie 5G müssen zeitkritische Anwendungen unterstützen, bei denen Maschinen Informationen an andere Maschinen senden, auf die sofort reagiert werden muss. Sehr rasch entwickeln sich heute neue Techniken, die die mobile Datenanbindung des IoT nutzen, um wichtige Entscheidungen zu übermitteln. Die Automobilindustrie bewegt sich in Richtung automatisiertes Fahren, bei dem Elektroniksysteme die gesamte Verantwortung für eine sichere Fahrt übernehmen. Dies setzt voraus, dass detaillierte Informationen von Bordsensoren gesammelt werden, die rund herum im Fahrzeug verteilt sind. Hinzu kommt, dass Informationen über äußere Bedingungen wie Straßenführung, Baustellen, Verkehrsengpässe und Fußgänger von straßenseitigen Videos und anderen Quellen übermittelt werden und sofort darauf reagiert werden muss. Die Geschwindigkeit der Datenübertragung zum und vom Fahrzeug ist daher von entscheidender Bedeutung.

Die Kommunikationsnetze müssen daher robust und zuverlässig sowie in der Lage sein, Anwendungen je nach ihrer Wichtigkeit zu priorisieren – die Netzbetreiber müssen URLLC in ihrem gesamten Wirkbereich sicherstellen.

Es muss nicht nur garantiert werden, dass die Daten erfolgreich über das gesamte Netz übertragen werden, sondern auch, dass sie rechtzeitig ankommen. Quality-of-Service-/QoS-Messungen wie Durchsatz, Auslastung, Latenz, Jitter und Paketverlust sind dabei zu berücksichtigen.

Die Latenz stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar. Bei deren Messung werden zwei Messgeräte eingesetzt, die beide mit hoher Genauigkeit die gleiche Zeit angeben müssen, auch wenn sie mehrere Kilometer voneinander entfernt sind. Im Falle eines sich bewegenden Fahrzeugs muss die Latenz gemessen werden, während das Prüfgerät mit hoher Geschwindigkeit unterwegs ist.

Verzögerung definieren

Latenz ist ein anderer Begriff für Verzögerung. In der Telekommunikation bezeichnet man damit die Zeit, die ein Datenpaket benötigt, um von der Quelle zu seinem Ziel zu gelangen. Dabei handelt es sich um die Einweg-Verzögerung, nicht die Hin- und Rückweg-Verzögerung (RTD; Round Trip Delay). Da die Latenzzeiten in einem Netzwerk auf dem Hin- und Rückweg selten gleich sind, kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Latenzzeit gleich RTD geteilt durch zwei ist (Bild 1).

Bild 1: Die Latenzzeiten von Hin- und Rückweg können in einem Netzwerk durch verschieden lange Wege unterschiedlich sein.

RTD wird oft als alternatives Maß für die Latenz verwendet, bezieht sich jedoch auf die Zeit, die ein Datenpaket benötigt, um das Netzwerk zu durchqueren und über eine Art Loopback-Mechanismus am anderen Ende an die Quelle zurückgesendet zu werden.

Alternativ wird auch ein Ping-Test verwendet, da dieser einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Ping ist jedoch eine RTD-Messung und wird meist ohne Prüfgeräte durchgeführt. Ping-Ergebnisse von Handy-Apps und PCs können zwar eine grobe Schätzung des RTD-Wertes liefern, sind aber unzuverlässig und berücksichtigen nicht die Tatsache, dass die Übertragung der Daten in jede Richtung unterschiedlich lange dauern kann.

Ist eine perfekte Symmetrie der Übertragungswege in jede Richtung gewährleistet, so dass die Verzögerungen gleich sind, kann man davon ausgehen, dass die Latenzzeit die Hälfte der RTD beträgt. Dies ist jedoch selten der Fall. Die Pfadlängen können variieren, wenn der Datenverkehr in eine Richtung unterschiedlich geroutet wird. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass die Datenverarbeitung im Netzwerk und in der Systemausrüstung Zeit in Anspruch nimmt und dass die Netze überlastet werden können, was zu Pufferung führt. Diese und andere Gründe können zu Verzögerungen im Netzwerk führen, die sich alle auf das Latenzbudget auswirken.

Latenzzeit messen

Die Messung der Latenzzeit zwischen zwei potenziell weit voneinander entfernten Standorten erfordert zwei Messgeräte mit Zeitmessern, die mit Hilfe eines globalen Satellitennavigationssystems (GNSS) wie GPS ausgerichtet und synchronisiert werden. Die genaue Zeit wird in jedem Testdatenpaket aufgezeichnet, sobald es das sendende Messgerät verlässt. Das empfangende Gerät vergleicht diese mit der genauen Ankunftszeit und berechnet, wie lange das Paket benötigt, um am Ziel anzukommen. Damit ergibt sich die Latenzzeit des Signals.

Mobilfunknetze wie 5G müssen zeitkritische Anwendungen unterstützen. Nach der Definition des 3GPP ist 5G eine Technik für den funkbasierten mobilen Zugang. Mobilgeräte, auch User Equipment (UE) genannt, stellen eine Funkverbindung zu 5G-Basisstationen her, die wiederum eine Verbindung zu den größeren Telekommunikationsnetzen herstellen. Wenn sich das UE in Bewegung befindet, bewegt es sich in und aus der Reichweite der Basisstation, und die Verbindung wird an eine benachbarte Basisstation weitergegeben. Da die Größe jeder 5G-Zelle recht klein sein kann, treten diese Übergabeprozesse häufig auf.

Dies wirft die Frage auf, wie sich die Latenzzeit zwischen zwei Standorten messen lässt, insbesondere wenn sich mindestens ein Standort bewegt. Zunächst muss sichergestellt sein, dass die Referenztakte an beiden Enden der Messung synchronisiert sind. Das Übertragungsprotokoll muss Ethernet-Testrahmen mit genauen Zeitstempeln unterstützen, die in beide Richtungen übertragen werden. Dann muss die Testausrüstung in der Lage sein, das Ergebnis zusammen mit dem geografischen Standort aufzuzeichnen, um die erreichte Latenzleistung vollständig zu verstehen.

Bild 2: Network-Master MT1000A von Anritsu bei der gleichzeitigen Messung der Uplink- und Downlink-Latenz während eines Fahrtests.

Ein Mobilfunknetzbetreiber (MNO; Mobile Network Operator) muss eine zuverlässige geografische Dienstabdeckung garantieren. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, mit einem oder zwei anderen MNOs zusammenzuarbeiten. Kann die Netzabdeckung durch den primären MNO nicht erreicht werden, besteht die Möglichkeit, auf ein alternatives Netz auszuweichen und die QoS aufrechtzuerhalten. Daher ist es wichtig, nicht nur die QoS des primären MNO, sondern auch die des unterstützenden MNO zu messen. In diesem Beispiel testen wir die Dienste von zwei MNOs gleichzeitig.

Bild 3: Die gleichzeitige Messung der Uplink- und Downlink-Latenz, bezogen auf GPS-Standorte, kann mit Anritsu-Testgeräten erfolgen.

Im oben gezeigten Beispiel messen die beiden Testgeräte die Latenz, den Jitter und alle anderen QoS-Parameter zwischen einem fahrenden Fahrzeug und einem festen Standort im Netz. Die mobilen Router haben dedizierte Test-SIMs mit APNs, die feste IP-Adressen unterstützen.

Die Uhren der beiden Testgeräte sind mit GPS synchronisiert. Das Gerät zeichnet auch die GPS-Position auf, so dass der genaue Standort des sich bewegenden Fahrzeugs bekannt ist, wenn die QoS-Messungen aufgezeichnet werden. Das Gerät misst kontinuierlich, und wir zeichnen die Höchst- und Mindestwerte sowie die berechneten Durchschnittswerte für jeden Parameter im Abstand von einer Sekunde auf. Die Ergebnisdateien werden für die Wiedergabe im Testgerät gespeichert und lassen sich im .csv-Format exportieren.

Die Korrelation der QoS-Parameter mit dem jeweiligen GPS-Standort ermöglicht das Erstellen von .kml-Dateien, die in Standard-Kartensoftware angezeigt werden können. Die Werte lassen sich mit einer Farbcodierung verknüpfen, um eine Heatmap zu erstellen, mit der sich leicht erkennen lässt, wo Probleme auftreten.

Bild 4: In diesem Beispiel wurde das Testgerät im Januar 2023 bei einem Spaziergang über das FIRA-Messegelände in Barcelona in der Hand getragen.

Darüber hinaus lässt sich die statistische Analyse von Netzwerken nutzen, um z. B. kumulative Verteilungsfunktionen (CDF; Cumulative Distribution Function) und Verteilungskurven zu erstellen, die auf den genauen und umfangreichen Daten basieren, die bei diesen Tests erfasst wurden.

Fazit

Die Latenzzeit ist also bei kritischen Anwendungen, die auf eine schnelle und genaue Übermittlung von Informationen angewiesen sind und auf daraus resultierende Entscheidungen reagieren müssen, ein wichtiger Qualitätsmaßstab für jedes Datenkommunikationsnetz.

Anwendungen wie automatisiertes Fahren und Machine-to-Machine-/M2M-Kommunikation in der Automatisierungstechnik finden sich immer häufiger. Um die URLLC aufrechtzuerhalten, muss die Latenz in 5G-Netzen verstanden und verwaltet werden. Es reicht nicht aus, sich auf unqualifizierte RTD-Messungen mit einfachen Ping-Tools zu verlassen – nicht nur wegen der zweifelhaften Genauigkeit und Unsicherheit, die mit Ping-Tests verbunden sind, sondern auch, weil Netzwerke und andere Geräte Zeitverzögerungen aufweisen, die in jeder Richtung variieren. Korrekte Latenz- und Jitter-Messungen können nur mit geeigneten Testinstrumenten im gesamten Netz gewährleistet werden.

Quelle: Anritsu

www.anritsu.com/

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