5G: Theorie der Zukunft

In dem Beitrag „Architektur der Geschwindigkeit“ haben Forscher*innen der Universität Duisburg-Essen gezeigt, welche komplexen softwaretechnischen Anforderungen bei der Umsetzung einer 5G-Anwendung entstehen und wie die geplante 5G-Plattform entwickelt werden kann. Eine besondere Rolle kommt dabei dem Edge Computing zu. Edge Computing bedeutet, dass Daten nicht bis zu den weitentfernten Rechenzentren übertragen werden müssen, um dort von Cloud-Servern verarbeitet zu werden. Die Verarbeitung der Daten erfolgt durch Server (Edge Hosts), die sich innerhalb des 5G-Netzwerkes und damit vor Ort befinden. Nur, wenn die Daten das 5G-Netz nicht verlassen, kann sichergestellt werden, dass die technischen Eigenschaften von 5G wie geringe Latenzen und eine stabile Übertragung auch großer Datenpakete mit hoher Geschwindigkeit wirklich garantiert werden können.

Beispiel 1: Ein Krankenwagen befindet sich im Radius von 5G-Sendemast. Der Edge Host befindet sich in unmittelbarer Nähe innerhalb des 5G-Netzes. Anfragen gehen vom Krankenwagen an den Sendemast, von da an den Edge Host und über den Sendemast weiter ans Krankenhaus und zurück.

Garantierte Werte

Warum kann das nur mit 5G-Technologie funktionieren? Vor allem Funktionen wie Live-Videostream und Augmented Reality erzeugen große Mengen von Daten. Über 4G-Netze wäre eine zuverlässige Übertragung solcher Datenmengen nicht gewährleistet. Diese Zuverlässigkeit wird vorerst vor allem im industriellen Kontext relevant sein. Für private Endnutzer*innen wird es einen vergleichbar geringen Unterschied machen, ob sie über 5G oder 4G ihre Anwendungen nutzen. Man kann sich jedoch leicht vorstellen, dass für Entwicklungen im Bereich des Autonomen Fahrens oder bei Datenübermittlungen, die auf lückenlose Übertragung angewiesen sind, ein instabiles Netz schwere Folgen hätte.

Ein Beispiel: Medizinische Notfallversorgung im 5G-Netz

Ein Anwendungsfall aus dem Bereich der dezentralen medizinischen Notfallversorgung wurde bereits in einem Projekt am Lehrstuhl für Software Engineering der UDE erforscht: In einem Forschungsprojekt wurde eine Anwendung entwickelt, die Notärzt*innen bei der Kommunikation in der Unfallversorgung unterstützt. Über die Anwendung können die Notärzt*innen ihre Therapieentscheidung dokumentieren, das nächste verfügbare Krankenhaus auswählen und die Daten direkt an das Schockraumteam des Krankenhauses übermitteln. So kann sich das Schockraumteam schon vorab auf die Behandlung der/des ankommenden Schwerverletzten vorbereiten. Bei einer Erweiterung der Anwendung in den 5G-spezifischen Bereich wäre denkbar, dass die Anwendung um Augmented-Reality-Funktionen ergänzt wird, die die Notfallversorgung weiter optimieren können.

Für die Planung einer entsprechenden Softwarearchitektur heißt das, dass die Kommunikationswege aller Beteiligten abgebildet und technisch verfügbar gemacht werden müssen. In unserem Beispiel 1 befinden sich Krankenwagen und Krankenhaus innerhalb des Radius eines Sendemasts im 5G-Netz. Aus dem Krankenwagen sollen Informationen an das Krankenhaus geschickt werden, und aus dem Krankenhaus Informationen an den Krankenwagen. Jede Anfrage wird über den 5G-Sendemast an den Edge Host weitergeleitet, dort verarbeitet und an den entsprechenden Adressaten übermittelt. Das alles passiert nahezu ohne Verzögerung.

Beispiel 2: Die Radien von 2 5G-Sendemasten mit je eigenem Edge Host überlagern sich. Der Krankenwagen befindet sich genau an der Überlagerung.

Die 5G-Zukunft planen

Bei der Planung der Softwarearchitektur müssen jedoch noch weitere Szenarien berücksichtigt werden. Was passiert zum Beispiel, wenn der Krankenwagen wie in Beispiel 2 sich in der Schnittmenge der Radien von 2 Sendemasten befindet? Welcher Edge Host übernimmt dann die Datenverarbeitung? Passt die Information überhaupt zur Schnittstelle, reichen die Kapazitäten und Ressourcen oder müssen die Daten an anderer Stelle verarbeitet werden? Wie kommunizieren die Edge Hosts miteinander? Als Softwarearchitekt sind genau die Antworten auf diese Fragen relevant. Da es aber noch keine Antworten aus tatsächlichen Anwendungsfällen gibt, ist es die Aufgabe der Forscher*innen der UDE, Komplexität und Reichweite der Entwicklungen vorauszuahnen, wie die 5G-Technologie in Zukunft genutzt werden wird. Diese Vorannahmen werden als Basis genutzt, um eine umfassende Theorie der 5G-Architektur zu erstellen. Dazu gehört auch, Hardware-Ressourcen so effizient wie möglich einzusetzen.

Lokale Edge Hosts statt globaler Serverfarmen

Anders als bei der bisherigen Herangehensweise durch 4G in Verbindung mit Cloud-Lösungen , die große Serverfarmen nutzen und Daten von überallzentral verarbeiten, sind Edge Hosts kleiner. Sie haben geringere Ressourcen. Eine 5G-Softwarearchitektur muss deshalb auch berücksichtigen, wie das Netzwerk Ressourcen effizient einsetzen kann und wie Übertragung und Verarbeitung auch bei hoher Datenauslastung stabil bleiben.

Beitrag zuerst erschienen unter https://5g.nrw/theorie-der-zukunft/

Ansprechpartner:

Dr. Marc Hesenius
David Schuster