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Architektur der Geschwindigkeit

Lehrstuhl für Software Engineering (Universität Duisburg-Essen) entwickelt 5G-Plattform

Die fünfte Generation des Mobilfunks (5G) ermöglicht durch die im Vergleich zu den vorherigen Standards sehr kurzen Reaktionszeiten und enormen Datenübertragungsraten eine extrem schnelle Übertragung und Verarbeitung von Daten innerhalb des Netzwerks. Diese Eigenschaften sind für große Datenmengen notwendig, die in Echzeit über weite Entfernung hinweg an viele Endnutzer*innen gesendet werden sollen. Ein solches Anwendungsszenario findet sich beispielsweise bei der Live-Übertragung von Bildern einer HD-Kamera. Mit den bisherigen Mobilfunkstandards ist eine derartige Bildübertragung lediglich mit einer merklichen Verzögerung umsetzbar. An dieser Stelle setzt der neue 5G-Standard an.

Neue Maßstäbe mit neuen Ansprüchen

Eigenschaften wie eine enorm kurze Reaktionszeit, eine sehr große Datenübertragungsrate und die Unterstützung einer Vielzahl von Endnutzer*innen sollen in Zukunft Anwendungsfälle wie die Live-Übertragung von Bildern, autonomes Fahren, Internet of Things (IoT) sowie Smart Cities ermöglichen.

Klassische Cloud-Infrastruktur
Eigenschaften einer klassischen Infrastruktur ohne 5G-spezifische Lösung

Die Annahme und Verarbeitung der Nutzeranfragen werden von verschiedenen Diensten und Anwendungen übernommen, die sich in der Regel innerhalb der Cloud und somit außerhalb des 5G-Netzwerkes befinden. Zwar werden in diesem Fall die Daten innerhalb des 5G-Netzes entsprechend schnell übertragen; beim Verlassen des Mobilfunknetzes können jedoch die Qualitätseigenschaften des 5G-Standards nicht mehr garantiert werden. Wenn also auf klassischem Wege Cloud-Dienste genutzt werden sollen, gibt es immer einen Verlust an Verbindungsqualität. Mit einer solchen Infrastruktur können die Vorteile des neuen Standards nicht vollständig genutzt werden.

Neue Architekturen für 5G-Vorteile

Um also die Eigenschaften eines 5G-Netzwerkes bestmöglich zu nutzen, müssen 5G-spezifische Software-Architekturen entwickelt werden, die die Verarbeitung von Daten in der Nähe der Endnutzer*innen ermöglichen. Aus diesem Grund liegt der Schwerpunkt am Lehrstuhl für Software Engineering der Universität Duisburg-Essen in der Konzeption, Implementierung und Testung der passenden Architekturen.

Lösung am Rand: Edge-Server

Ein Schlüsselelement, das die Voraussetzungen für die effizienten Software-Architekturen schafft, ist die Integration und Nutzung einer dezentralen Datenverarbeitung durch sogenannte Edge-Server. Anders als bisher funktioniert die Verarbeitung der Daten hier nicht von Servern in zentralen Cloud-Rechenzentren, sondern von dezentralen Servern, die am Rand (englisch: edge) des 5G-Netzwerkes in der Nähe der Endnutzer*innen positioniert werden. Alle Daten bleiben somit innerhalb des 5G-Netzwerkes, ohne es zu verlassen.

Die Integration der Edge-Server in das 5G-Netz ermöglicht es, Anwender*innen die immensen Vorteile von 5G in Bezug auf Geschwindigkeit und Datenmengen zur Verfügung zu stellen. 

Infrastruktur mit 5G-spezifischer Lösung
Software-Architektur mit Edge-Servern innerhalb des 5G-Netzes

In einer solchen 3-schichtigen Infrastruktur von User–Edge–Cloud ist es bestenfalls so, dass die Edge-Server so nah wie möglich an den Endnutzer*innen, also an den 5G-Sendemasten stehen. Alle Anfragen der Nutzer*innen werden somit in deren unmittelbarer Nähe verarbeitet und beantwortet. Das kann vor allem bei der Übertragung sensibler Daten ein Vorteil sein, weil die Übertragungsstrecke kürzer und damit weniger anfällig für unerlaubte Zugriffe von außen ist. Wichtiger dürften allerdings die pure Menge sowie die Geschwindigkeit der zu übertragenden Daten sein.

Plattform als Voraussetzung für IoT und Smart Cities

Im Rahmen von CC5G.NRW entsteht an der Universität Duisburg-Essen eine Plattform, auf der Daten innerhalb eines 5G-Netzwerkes sowohl korrekt als auch effizient verarbeitet werden können. Ein solches datenverarbeitendes System ist die Voraussetzung dafür, dass Technologien wie autonomes Fahren, Internet of Things (IoT) und Smart Cities von 5G profitieren können.

Die Forschung ist in diesem Bereich echte Pionierarbeit: Es gibt bisher nur wenig Vorarbeit und Forschung, die sich mit solch einem Lösungsansatz beschäftigt. Außerdem soll nicht nur Software entwickelt werden, die möglichst effizient in 5G funktioniert, sondern gleichzeitig ist die Architektur so flexibel wie möglich zu konzipieren und umzusetzen. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines größtmöglichen Spektrums von Anwendungen.

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