Was ist Latenz? In Echtzeit durchs Netz

Wirklichkeitsgetreue Erlebnisse mit Virtual Reality-Brillen und sicher selbstfahrende Autos werden vor allem eines brauchen: ein Netz, das in Echtzeit auf jede Situation reagiert. Das Netz von morgen wird das können.

Definition – die Bedeutung des Begriffs „Latenz“ 

Latenz, Latency oder Reaktionszeit: Das ist der Zeitraum zwischen einem Ereignis und dem Eintreten einer sichtbaren Reaktion darauf. In der Telekommunikation setzt die Physik der Latenzzeit Grenzen – also etwa die Länge der Wege, die Daten in den Netzen zurücklegen. Wie fühlt sich das an? Beispiel mobile Virtual Reality-Erlebnisse (VR). Wer sich mit der entsprechenden Brille in wirklichkeitsgetreuen Welten bewegt, fordert von einem Server in der Ferne eine Reaktion ein: das richtige Bild, das den Erwartungen entspricht. Die Faustregel ist hier einfach. Je geringer die Verzögerung, desto realer nimmt der Anwender die virtuellen Welten wahr. Ähnliches gilt für Online-Gaming.

Weiteres Beispiel als Blick in die fernere Zukunft: das autonome Fahren, das der Mobilfunk sicherer machen könnte. Die Informationen, etwa wenn ein vorausfahrendes Fahrzeug hinter der Kuppe oder Kurve bremst, müssen blitzschnell durch die Netze fließen, verarbeitet und verteilt werden. So kann sich das nachfolgende Fahrzeug entsprechend verhalten, wenn es die Information rechtzeitig bekommen hat.

Kurze Latenzzeit ermöglicht "Echtzeitkommunikation"

Ursprünglich reagieren Mobilfunknetze mit LTE (Long Term Evolution) im besten Fall mit einer Latenz von bis zu 40 Millisekunden. Das ist weniger als ein Wimpernschlag, aber immer noch mehr als manch ein Profisportler mit Talent und Training bewirkt. Dieser kann eine Reaktionszeit von sieben Millisekunden erreichen. Doch für die Technik der Zukunft ist das alles viel zu lang. Für smarte Verkehrsteilnehmer kann die Latenz gar nicht gering genug sein, um auf drohende Gefahr aufmerksam zu machen, bevor der Mensch sie wahrnehmen kann. Bei solchen Szenarien müssen Daten per Mobilfunk also zuverlässig und mit extrem kurzer Verzögerungszeit übertragen werden. Man spricht dann auch von "Echtzeitkommunikation".

Einsatzgebiete und Anwendung der niedrigen Latenz

Selbstfahrende Autos und immer ausgefeiltere VR sind nur Beispiele für viele zukünftige Anwendungen. Sie alle zeigen: Das Netz der Zukunft auf Basis des kommenden Kommunikationsstandards 5G wird mehr liefern als höhere Bandbreite, also schnell durch die Leitungen fließende große Datenmengen. Seine Qualität definiert sich durch Zuverlässigkeit und nahtlosen Wechsel zwischen Festnetz und Mobilfunk und dadurch, dass es automatisch die beste Verbindung herstellt. Und eben dadurch, dass es auf Wunsch schnell reagieren kann, also "Low Latency" (kurze Latenzzeit). Was für den Mobilfunk gilt, ist gleichermaßen wichtig für Anwendungen via Festnetz. Hinzu kommt, dass überaus schwankungsfreie Latenzen gefragt sein werden. Ein Beispiel ist hier die Telemedizin der Zukunft, etwa wenn Chirurgen aus der Ferne operieren werden.

Rechenleistung muss näher zum Verbraucher

Ein wesentlicher Erfolgsfaktor für Low Latency (kurze Latenzzeit) ist Nähe. Das heißt: vermeiden, dass Daten um die halbe Welt zu zentralen Serverfarmen geschickt werden, von denen dann eine Antwort retour geht. Denn hier setzt die Physik Grenzen. Via Glasfaser sausen die Daten mit zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit durchs Netz, das sind 200 Kilometer pro Millisekunde. Für Anwendungen, die eine Latenzzeit von rund einer Millisekunde haben sollen, darf das Rechenzentrum also theoretisch maximal 100 Kilometer entfernt sein. Verzögerungen durch zwischengeschaltete Netzelemente und die Datenverarbeitung sind hier noch nicht eingerechnet. Der Schlüssel zu Low Latency ist also, Rechenleistung nicht hunderte von Kilometern vom Nutzer entfernt vorzuhalten, sondern nah bei ihm. Im Mobilfunknetz beispielsweise direkt an den Basisstationen oder in deren Umfeld. Je näher, desto geringer also die Reaktionszeit. Für einzelne Anwendungen wie das vernetzte Auto vielleicht dann nur noch eine Millisekunde.

Die Zukunft steht in den Startlöchern: Latenzwerte von unter 20ms

Fest steht: Eine Latenz oder Signallaufzeit von unter 20 Millisekunden für das vernetzte Auto ist in einem Pilotprojekt auf der Autobahn A9 zwischen München und Nürnberg schon 2015 gelungen. Telekom, Continental, das Fraunhofer-Institut ESK und Nokia haben sich dabei das Prinzip des "Mobile Edge Computing" (etwa "Mobile EDV am Rand") zunutze gemacht und dieses mit Positionsbestimmung kombiniert. Die Daten vom Auto werden nur bis zur nächsten Mobilfunk-Basisstation gesendet, dort verarbeitet und nicht mehr weiter durch das Netz geschickt. Diese kurzen Signallaufwege ermöglichen bereits heute Sicherheitsfunktionen für das vernetzte Auto. Um die Datenverarbeitung und Anwendungen in Zukunft näher zu den Kunden zu bringen und den künftigen Anforderungen ans Netz zu entsprechen, arbeitet die Telekom an der sogenannten "Edge Cloud". Mit deren Kapazitäten können neben der Rechenleistung verschiedenste Services dezentral vorgehalten werden. Das ist daher recht aufwändig, jedoch notwendig.

Latenz Ping - Und es hat "ping" gemacht

Dass Reaktionszeiten von unter einer Millisekunde wirklich möglich sind, hat die Telekom bereits zum Jahresbeginn 2016 bei einem Versuch unter Beweis gestellt und damit den Weltrekord aufgestellt. Low Latency ist der Schlüssel zu vielen weiteren erfolgreichen (Zukunfts-)Anwendungen. Robotik und Industrie 4.0 beispielsweise, also wenn man einen Roboter aus der Entfernung in Echtzeit steuert, um ihn exakte und besonders sensible Aufgaben ausführen zu lassen, oder wenn sich etwa Bauteile eigenständig durch Werkshallen zur Weiterverarbeitung bewegen sollen. Fest steht also: Die Zukunft steht in den Startlöchern. Die Telekom stellt sich darauf ein und untersucht in einem Projekt zukünftige Anwendungen rund um Virtual Reality, Augmented Reality, Roboter und Co.

Reaktionszeit, Signallaufzeit, Latenz: Ein weiterer, lautmalerischer Fachbegriff dafür ist übrigens einfach "Ping". Er stammt aus der Militärtechnik: Mittels ausgestrahlter und zurückgeworfener Schallwellen werden U-Boote geortet, wobei ein dem Wort ähnliches Geräusch entsteht. Und mit dem gleichnamigen Diagnosewerkzeug kann über jeden Computer gemessen werden, wie lange Datenpakete zu einem Empfänger und zurück brauchen. Das ist zum Beispiel auch für Online-Gamer bei vielen Spielen eine wichtige Größe. Wenn ihre Aktion schnell ans Spiel beziehungsweise an den Spieleserver weitergegeben werden und die Folge dessen umgehend sichtbar wird, punkten sie besser.