Derfor leverer 5G mobilnetværket ikke lav latenstid
Illustration: svetjekolem, Pixabay.
Tilbage i 2016 udgav William Webb sin bog ‘The 5G Myth’, (revideret i 2018), hvor han han gav udtryk for, “at 5G dybest set ikke er nødvendig”. Argumentet var, at 4G stadig ikke blev udnyttet fuldt ud, hvilket det burde, indtil omkostningerne ved 5G blev forsvarlige.
Men industrien lovede guld og grønne skove. Med 5G kunne alt lade sig gøre, alt kunne kommunikere med hinanden via Internet of Things (IoT), hvilket gav muligheden for Smart Citys og alt andet med Smart foran, selvkørende biler, telekirurgi og telekonsultation og så selvfølgelig hastighed eller latenstid.
Prof. William Webb er en erfaren strateg, teknolog samt selvstændig konsulent, bestyrelsesmedlem og forfatter. Artiklen herunder er oversat fra et blogindlæg på LinkedIn udgivet den 12. december 2024.
Vi er langt fra IMT-kravene
Meget af rationalet for 5G var baseret på at sænke latenstiden. At få latenstal under 10 millisekunder (ms), fik vi at vide, ville muliggøre haptisk kommunikation (kinæstetisk kommunikation eller 3D touch), sansernes internet, fjernbetjening af køretøjer og robotter og også fjernkirurgi. Faktisk var næsten alle de nye applikationer til 5G baseret på lav latenstid. For eksempel udtalte Ericsson i 2019 [1]:
“Med 5G’s URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication) vil det snart være muligt at have round-trip latency i millisekundområdet. Det vil gøre det muligt at skabe interaktive systemer i realtid – være i stand til at levere fysisk taktile oplevelser eksternt. Round-trip sub-millisecond latency sammen med 5G’s pålidelighed og tilgængelighed i operatørkvalitet vil åbne en ny bølge af 5G-taktile internetapplikationer. Sådanne applikationer vil i stigende grad muliggøre menneske-maskine-interaktion baseret på haptisk eller taktil kommunikation. Med andre ord kan en følelse af berøring transporteres om på den anden side af jorden i realtid.”
Minimumskravene til 5G, der er fastsat i rapporten ITU-R M.2410-0 (11/2017) vedrørende latenstid, er
– 4 ms til Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
– 1 ms til Ultra Reliable Low Latency Communications (URLLC)
Minimum betyder i denne sammenhæng, at de faktiske tal i praksis skal være lavere end dette. Teknologier skal opfylde disse krav for at være IMT-2020-kompatible (*) med alt, hvad det indebærer, herunder i princippet adgang til IMT-2020-frekvenser.
For at sætte dette i perspektiv rapporterede Ookla i 2023 [2], fire år efter at Ericsson udtalte, at vi “snart” ville have latenstid under millisekunder, at for de tre største mobiloperatører i USA i 4. kvartal 2023 havde T-Mobile den laveste latenstid på 50 ms. Verizon Wireless var tæt på andenpladsen med 57 ms. AT&T var tredje bedst med 64 ms. Alene for 5G-elementet registrerede T-Mobile den laveste median 5G-latenstid med en medianværdi på 48 ms, mens deres nærmeste konkurrent, Verizon Wireless var på 52 ms.
5G-latenstiden er i USA kun lidt bedre end 4G. T-Mobile har implementeret Stand Alone (SA) 5G, men selv med den har de stadig en latenstid, der er over 10 gange større end eMBB-kravet og næsten 50 gange større end det meget udråbte 1 ms ultrapålidelige og lave latenskommunikationsmål (URLLC).
Andre lande ligner stort set hinanden, om end lidt bedre. En rimelig tommelfingerregel er, at 4G leverer omkring 40 ms latenstid, mens 5G kan reducere det til omkring 30 ms.
Til sammenligning vil en hastighedstest kørt over Wi-Fi, afhængig af bredbåndsforbindelsen, typisk vise en latenstid på omkring 5-10 ms.
*) International Mobile Telecommunications-2020 (IMT-2020 Standard) er de krav, der blev udstedt af ITU Radiocommunication Sector (ITU-R) under Den Internationale Telekommunikationsunion (ITU) i 2015 for 5G-netværk, -enheder og -tjenester
Hvorfor betyder dette stort set ikke noget
Ericsson udgav, på trods af deres tidligere lovprisning, i 2022 en blog med titlen “Hvem bekymrer sig om latens i 5G?” [3]
Her konkluderede de:
“Mennesker vil næppe kunne se – i det mindste ikke værdsætte det – forskellen mellem en latenstid på 30 vs. 50 ms, når de bruger deres hverdagsapps på deres smartphones. Det er vist i det øverste diagram i figur 1. Selv ambitiøse first-person shooter-spillere ville være tilfredse med en pålidelig latenstid i området 30 – 50 ms. Jeg har endnu ikke fundet en solid forskningsundersøgelse, der har testet mennesker, der er blevet trænet til at reagere ekstremt hurtigt, f.eks. olympiske sprintere, racerkørere eller mesterskabsspillere. Ud fra det, jeg har læst indtil videre, ser det ud til, at den nedre grænse for latenstid for denne lille del af den menneskelige befolkning ikke er lavere end 20 ms, dvs. for mennesker ville lavere latenstider ikke gøre nogen forskel.”
Derfor er 4G-latensniveauer gode nok til mennesker, og det vil ikke give nogen fordele at opnå ITU-kravene. De fortsatte med ved at bemærke:
“Maskiner, ikke mennesker, kan drage fordel af de ultralave og ultrapålidelige latenstider, som kun 5G kan give. Tænk for eksempel på videostyrede højpræcisionsrobotter i en smart fabrik. Her taler vi om latenstider under 10 ms, dvs. ultra-lave og uden latensspidser på over 10 ms, dvs. ultra-pålidelige. Opfyldelse af disse skrappe krav er en af de vigtigste drivkræfter bag Ericssons lancering af et nyt produkttilbud rettet mod tidskritisk kommunikation.”
Spørgsmålet om maskiner, vil jeg vende tilbage til, når jeg diskuterer, om de målrettede latenstal kun er nødvendige i private netværk.
Det er dyrt at levere en lav latenstid
Hvorfor er det, at 5G-latensniveauer ikke er i nærheden af IMT-målene? Det er sådan, at SA-kernen er nødvendig for at levere den laveste latenstid, selvom T-Mobile og andre har implementeret denne kerne, og alligevel forbliver latenstiderne stædigt på omkring 4G-niveauer.
Det enkle svar er, at det er dyrt at levere lav latenstid. Simpelt set skal radioressourcen efterlades inaktiv, så der er ledig slots med det samme, som en applikation med lav latenstid ønsker at transmittere. Virkelig lav latenstid kræver mindre slots – 5G “minislot” – så ventetiden på, at den næste slot bliver tilgængelig, minimeres, men masser af små slots har en stor overhead af rammestruktur og frame allokeringsinformation. Nettoeffekten er, at systemkapaciteten reduceres, når et netværk er konstrueret til at tillade lav latenstid.
En nylig artikel [4] undersøgte dette og konkluderede:
“Når man tager et holistisk syn på ydeevnen, viser avancerede simuleringsresultater på systemniveau, at 1 Mbps URLLC-trafik resulterer i en reduktion af eMBB-gennemstrømningen på op til 60 Mbps, dvs. URLLC-trafik kan være op til 60 gange dyrere end traditionel best-effort. De præsenterede resultater kan bruges af mobiltjenesteudbydere, såsom operatører, til at forstå og dimensionere afvejningerne og virkningen af traditionelle netværkstjenester, når de tilføjer URLLC-tjenester til deres portefølje.”
Så 1 Mbit/s trafik med lav latenstid kan fortrænge 60 Mbits/s “normal” trafik. Hvis vi antager, at en celle fungerer tæt på kapaciteten, skal en bruger med lav latenstid betale 60 gange mere pr. byte end en konventionel bruger. Hertil kommer andre omkostninger i kernenetværket, i peering og meget mere.
Der kan argumenteres for, at dette ikke er anderledes end at tilbyde FWA (Fixed wireless access), hvor FWA-abonnenter genererer meget mere trafik end en mobilbruger – noget i retning af 10x i USA, men stiger mod 50x i Australien. FWA har dog en tendens til kun at blive tilbudt, hvor der er ledig netværkskapacitet, for det meste uden for tætte byområder. Lav latenstid vil sandsynligvis skulle tilbydes i de tætteste områder.
Derfor er det usandsynligt, at en MNO (Mobile Network Operator) vil sætte deres netværk op til at tilbyde URLLC, blot for at enkelte ville ønske det. De ville have brug for at se ret mange brugere, der var parate til at betale en betydelig præmie.
For at vende tilbage til punktet om SA – en af de vigtigste begrundelser for SA var at levere “ægte 5G”-tjenester, som krævede lavere latenstid. Hvis lavere latenstid ikke er levedygtig, så sår det tvivl om, hvorvidt implementering af SA er fornuftig. Det skal begrundes med lavere livstidsomkostninger for en ny type kerne snarere end på de tjenester, som den muliggør.
Private 5G-netværk klarer sig bedre
Ericssons reviderede holdning fra 2022 var, at kun maskiner har brug for latensniveauer under 30 ms (selvom den oprindelige 5G-hype kraftigt antydede, at folk havde brug for latenstid under 10 ms til “Internet of Senses”). De eksempler, de nævnte på højhastighedsrobotter, er mere sandsynlige på fabrikker eller et privat campus. Det tyder på, at vi kan se en opdeling, hvor offentlige netværk leverer 30-50 ms latenstid, mens små private netværk leverer meget lavere niveauer.
Logisk set giver det mening. Private netværk kan have rigelig med kapacitet og kan derfor tolerere den lavere gennemstrømning som følge af brug af konfigurationer med lav latenstid. Applicationen vil være klar, og eventuelle ekstra omkostninger kan være begrundet i forretningsfordelen.
Faktisk ser private netværk ud til at have lavere latenstid. En artikel [5], der har set på ydeevnen af private 5G-netværk, fandt latensniveauer i området 10-15 ms. Det er meget lavere end offentlige netværk, men stadig et stykke fra IMT-kravene. En vigtig årsag til det er, at de fleste private netværk bruger delt spektrum i 3,5 GHz-båndet (f.eks. 3,8-4,2 GHz). Dette spektrum er sat op som Time Division Duplex (TDD), og 5G-standarden specificerer en 10 ms ramme. Det betyder, at for et round-trip message flow vil den gennemsnitlige case være på omkring 10 ms, da en bruger skal vente på, at en uplink-slot bliver tilgængelig, og derefter vente på, at downlink-slottet modtager svaret. Hurtigere hastigheder kan opnås ved at have flere overgange mellem downlink og uplink inden for en 10 ms ramme, men det er ineffektivt med nødvendige beskyttelsestider. Det vil sandsynligvis kræve, at FDD (Feature-driven development) reducerer latenstider ned mod 1ms-kravet. Denne ca. 10 ms nedre grænse er faktisk, hvad målingerne viser. Det er højst usandsynligt, at frekvensallokeringer til private netværk vil ændre sig til FDD i den nærmeste fremtid.
Selvom 10ms er bedre end offentlig 5G, er det stadig dårligere end et anstændigt Wi-Fi-netværk. De, der har brug for meget lav latenstid, vil måske søge andre steder end 5G.
Tid til at afslutte diskussionen om latenstid?
5G har en latenstid, der for offentlige netværk ikke er væsentligt forskellig fra 4G. Der er ikke noget indlysende behov for lavere latenstid på offentlige netværk, og det ville være meget dyrt at levere lavere latenstid. Der kan være behov for lavere latenstid på et lille antal private netværk (sandsynligvis kun et par tusinde globalt), men selv her er det svært at komme under omkring 10 ms, og andre teknologier såsom Wi-Fi eller skræddersyede løsninger kan gøre det bedre.
Skal vi indrømme, at målet om lavere latenstid var misforstået, og fokusere på ting, der er vigtige såsom dækning? Det mener industrien ikke, antyder IMT-2030-diskussionsdokumentet [6] “Anbefaling ITU-R M.2160-0 (11/2023) Ramme og overordnede mål for den fremtidige udvikling af IMT for 2030 og derefter” “Forskningsmålet for latenstid (over the air-grænsefladen) kan være 0,1 – 1 ms.”
Troværdighed, lovlighed og manglende omhu
Konklusionen om, at 5G ikke vil levere lavere latenstid, men at vi alligevel ikke har brug for det, virker måske ikke særlig konsekvent. Men det rejser spørgsmål om den måde, teleindustrien opfører sig på.
Troværdighed. Teleindustrien – producenter, akademikere, nogle operatører og mange andre – gjorde meget ud af den lavere latenstid, som 5G ville levere, og hvordan det ville muliggøre revolutionerende nye applikationer. Mainstream tv-reklamer fra store operatører viste robotoperationer, der blev udført fra bagsiden af en kirke under et bryllup og robotbarberer på toppen af bjergene. Alligevel er der ikke blevet leveret lavere latenstider, og de vil ikke blive leveret, og det vil disse applikationer heller ikke. Selvom hukommelsen nogle gange er kort, er branchen ikke længere en, der kan ses som troværdig. Det fører til problemer, når der er behov for betydelige ændringer, f.eks. i frekvenser eller industristruktur. Branchen ville gøre klogt i at genvinde tilliden, og det opnås ikke ved at antyde, at 6G kan levere latensniveauer, der er lavere end dem, der er rettet mod 5G.
Legalitet. ITU-kravdokumentet for 5G er strengt taget et dokument, der angiver de krav, som 5G skal opfylde for at blive klassificeret som IMT-2020. Frekvensallokeringer foretages derefter til IMT på WRC-møder, og i princippet bør kun de teknologier og netværk, der opfylder ITU-kravene, have adgang til IMT-frekvenserne.
I praksis kræver nationalt udstedte licenser sjældent en bestemt teknologi eller endda IMT-overholdelse, og derfor vil ingen operatør sandsynligvis finde på at transmittere ulovligt som følge af, at deres 5G-system ikke opfylder ITU-kravene. Og i forbifarten opfylder 5G-implementeringer ikke blot kravene til latenstid, de fejler også på spektrumeffektivitet, enhedsforbindelsestæthed, energieffektivitet, områdetrafikkapacitet og spidsbelastninger. Faktisk er det eneste mål, der klart er opfyldt, de brugeroplevede datahastigheder.
Hvis systemer, der er så uforenelige med ITU’s anbefalinger, bliver implementeret, så sår det tvivl om, hvorvidt der bør være “IMT-tildelinger”, og om ITU overhovedet bør have nogen rolle i mobilnetværksteknologien.
Mangel på omhu. Hvordan tog fortalerne for 5G så meget fejl? Det var hele tiden indlysende, at levering af lav latenstid ville komme med en omkostning, og det faktum, at 30 ms latenstid var tilstrækkeligt lavt, var velkendt. At netværk ikke ville levere var helt forudsigeligt, faktisk skrev jeg i “The 5G Myth” i 2016 (revideret 2018) “Latency er vigtigt, men 5G ser ikke ud til at have en væsentligt lavere latenstid end 4G i praktiske situationer.” Hvorfor indså de, der designede 5G, ikke dette? I det store og hele blev akademikernes og de visionæres arbejde ikke kontrolleret af dem, der skulle implementere, drive og vigtigst af alt betale for netværkene. Især operatørerne burde have gjort deres due diligence, før ITU’s anbefalinger blev færdiggjort.
Der er nogle vigtige lektioner at lære her.
Referencer:
[1] https://www.ericsson.com/en/blog/2019/4/5g-tactile-internet
[2] https://www.speedtest.net/global-index/united-states
[3] https://www.ericsson.com/en/blog/2022/8/who-cares-about-latency-in-5g
[4] https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9732349
[5] 55th CIRP Conference on Manufacturing Systems, “Measurement and comparison of data rate and time delay of end-devices in licensed sub-6 GHz 5G standalone non-public networks”, Thorge Lackner et al.
[6] https://www.itu.int/rec/R-REC-M.2160-0-202311-I/en
Note:
*) I en kronik i The Globe and Mail skriver Erik Bohlin, formand for telekommunikationsøkonomi, politik og regulering ved Ivey School of Business, at 5G ikke har været så rentabelt for teleselskaberne som forventet og spekulerer på, om det bliver den sidste generation af mobiltelefonnetværk.
‘5G kan markere undergangen for telekommunikationssystemet, som vi kender det’:
https://www.theglobeandmail.com/business/commentary/article-5g-might-mark-the-demise-of-the-telecommunications-system-as-we-know/
Læs mere her:
Tilføj en kommentar