Praktiske 5G-installasjoner innen industriautomasjon

Trådløs kommunikasjon har blitt stadig viktigere for kommunikasjon innen industriautomasjon. Femtegenerasjons (5G) mobilkommunikasjon blir nå proklamert som den viktigste trådløse teknologien for å fremme den fjerde industrielle revolusjonen – Industri 4.0 eller det industrielle tingenes Internett (IIoT). Noen kilder antyder til og med at 5G vil være nøkkelen til å gjøre forbrukerkonstruksjoner og andre ikke-industrielle IoT-konstruksjoner allment utbredt, hovedsaklig fordi 5G legger til rette for tilkoblingen av et svimlende antall enheter, uansett hvor disse enhetene er plassert.

Figur 1: Det tredjegenerasjons partnerskapsprosjektet (3GPP – 3rd Generation Partnership Project) forener organisasjoner for telekommunikasjonsstandardisering for å gjøre den mobile telekommunikasjonsteknologien så kryss- og bakoverkompatibel som mulig. (Logokilde: 3GPP)

Men vil 5G erstatte alle trådløse standarder som er i bruk i dag? Kommer 5G til å utkonkurrere WiFi, Bluetooth og IEEE 802.15.4 i konstruksjoner der disse andre teknologiene for tiden dominerer? Eller er 5G rett og slett en forbedret teknologi for de få automatiserte konstruksjonene der eldre mobilteknologi brukes? Hva er ytelsesfordelene til 5G, og i hvilken grad kan disse dras nytte av?

For å forstå svarene på disse spørsmålene, må man først overveie hvordan 5G skiller seg fra annen mobil og ikke-mobil kommunikasjon. 5G – som for tiden lanseres for mobiltelefoner og industrielle nettverk – bygger på tidligere 2G-, 3G- og 4G-generasjoner for digital mobilteknologi. Det var aldri noen 1G, siden forløperen til 2G var en analog trådløs telefonteknologi som hadde lite til felles med dagens nettverk. Med 2G kom den første digitale teknologien og kryptert telefon- og SMS-kommunikasjon. GSM-standarder (GSM – Global System for Mobile Communications) definerer 2G-kretskoblede nettverk som muliggjør taleanrop i full-dupleks. Gjennom årenes løp ble 2G-nettverk ytterligere forbedret av den første GPRS-tjenesten (General Packet Radio Service) og deretter EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). GPRS og EDGE gjorde det mulig å overføre generelle datapakker for Internett-tilkobling med økende datahastigheter, noe som er grunnen til at nettverk med disse egenskapene noen ganger kalles henholdsvis 2.5G- og 2.75G-teknologier.

3G forbedret dataoverføringshastighetene ytterligere – til en slik grad at videosamtaler var mulig. Tilknyttede standarder omfatter CDMA2000 og ulike typer HSPA (High Speed Packet Access).

Deretter kom 4G og enda større dataoverføringshastigheter med LTE- (Long Term Evolution) og WiMax-standardene, som bruker overføringer med flere innganger og flere utganger (MIMO – multiple-input multiple-output).

5G utviklet seg fra 4G, der de første kommersielt tilgjengelige 5G-nettverksproduktene ble lansert i slutten av 2018. For å få et historisk perspektiv over opptakten til denne utviklingen, kan du lese følgende DigiKey-artikkel fra 2016: Slik vil 5G endre det industrielle tingenes Internett (How 5G Will Change the Industrial Internet of Things). Det er svært viktig for private og kommersielle brukere at 5G-nettverk må være i stand til å støtte datahastigheter på flere titalls Mb/s for titusener av brukere. De må også kunne levere en tilkobling på 1 Gb/s til titalls personer på et gitt kontor.

De andre egenskapene til 5G som er mest relevante for konstruksjoner relatert til industriautomasjon. Nærmere bestemt må 5G-nettverk imøtekomme hundretusenvis av parallelle tilkoblinger med veldig lav latenstid og svært pålitelig dekning. Disse funksjonene er svært viktige for den massive sensordistribusjonen knyttet til IIoT- og maskinstyringskonstruksjoner.

Les følgende relaterte DigiKey-artikkel: 5G lever ikke for øyeblikket opp til forventningene (5G Doesn’t Currently Provide All That It Promises)

Spektrum- og millimeterbølgedatakommunikasjon

Ett forbehold er at utbredelsen av tilkoblede enheter på mobilnett fører til en trussel om spektrumbrist (spectrum shortage). Generelt sett gir lavere frekvensbånd større rekkevidde, mens høyere frekvensbånd muliggjør et større antall tilkoblinger innenfor et lite område. Eksempel på dette: 1G AMPS-standarden brukte 800 MHz-båndet, mens 2G GSM i utgangspunktet brukte 1900 MHz. Mange GSM-telefoner støtter i dag tre eller fire forskjellige bånd for å muliggjøre internasjonal bruk … og nåværende mobilnettverk opererer mellom 700 MHz og 2,6 GHz. Men, etter hvert som IoT øker antallet enheter som kobles til mobilnettverk, er det avtagende spektrum tilgjengelig på disse eksisterende frekvensbåndene. Dette er grunnen til at 5G har begynt å bevege seg inn i høyere frekvenser som 6 GHz og til og med de såkalte millimeterbølgefrekvensene over 24 GHz – deriblant 28 GHz og 38 GHz.

Figur 2: Sliver-høyhastighetsforbindelser støtter datahastigheter på 25 Gb/s og 5G AAS-konstruksjoner, deriblant kobling og ruting for datasenter og telekommunikasjon. (Bildekilde: TE Connectivity)

Millimeterbølgekommunikasjonsfrekvenser muliggjør mye høyere båndbredder og veldig mange tilkoblinger. Ulempen er at dataoverføringer på disse frekvensene kan utvise begrenset rekkevidde og dramatiske tap når de går gjennom faste gjenstander. Millimeterbølgekommunikasjon kan faktisk utvise mindre demping (attenuasjon) gjennom tørr luft enn kommunikasjon over andre frekvenser – men denne kommunikasjonen er sterkt påvirket av regn.

En måte å utnytte den bedre båndbredden til disse høyere frekvensene på (men unngå rekkeviddeproblemene), er å bruke stråleforming. Med denne teknikken rettes en fokusert kommunikasjonsstråle mot et bestemt mål, i stedet for å sendes i alle retninger. Stråleforming kan snart gi millimeterbølgekommunikasjon samme rekkevidde som lavere frekvenser som er mer vanlige i dag – og samtidig minimere kommunikasjonsforstyrrelser.

5G New Radio (NR)-standarden opprettes for å spesifisere radiotilgangsteknologien for 5G. Den omfatter to frekvensområder. Frekvensområde 1 er under 6 GHz og frekvensområde 2 er i millimeterbølgeområdet fra 24 GHz til 100 GHz.

Massiv konnektivitet med 5G innen automasjon

Økning av frekvens for å oppnå mer spektrum vil være en del av løsningen for å muliggjøre den massive konnektiviteten som trengs for å fullstendig oppfylle løftene til IoT, for eksempel løftet om mye større sensortetthet. Det er derfor sannsynlig at det vil være umiddelbare forbedringer når det kommer til hvor mange enheter som kan kobles til 5G-nettverk etter hvert som de rulles ut.

Millimeterbølge-5G er i stand til å håndtere én million enhetstilkoblinger per kvadratkilometer, men vil kreve tingenes Internett over smalbånd (NB-IoT – Narrowband Internet of Things) for å oppnå dette.

NB-IoT er en laveffekts teknologi som fokuserer på innendørs dekning for prisgunstige enheter med lavt strømforbruk. Nåværende NB-IoT-konnektivitet ligger langt under én million enheter med celler som for øyeblikket støtter 10 000 enheter. Langtidsutvikling for maskiner (LTE-M – Long Term Evolution for Machines) er en annen teknologi med lavt energiforbruk som leverer høyere datahastigheter og lavere latenstid enn NB-IoT, men med høyere enhetskostnader og strømforbruk. En annen løsning vil være mindre celler, spesielt i områder med stor etterspørsel.

5G-latenstid: Publiserte verdier og faktisk ytelse

5G forutsettes å oppnå en latenstid på under 1 ms … men denne spesifikasjonen (som gjerne brukes i overskrifter) oppnås ikke mesteparten av tiden. Til tross for den lave effekten, er faktisk latenstiden til NB-IoT-teknologien rundt ett sekund under normal dekning, og dette økes til flere sekunder for utvidet dekning. For LTE-M er latenstiden noe bedre, rundt 100 ms i normalområdet, men dette er likevel ikke i nærheten av latenstiden på 1 ms som kreves for styringskonstruksjoner som opererer i sanntid.

Figur 3: Ulike typer 5G har opplevd rask global tilslutning. (Bildekilde: Design World)

Det er umulig å oppnå en latenstid på under 1 ms med et sentralisert nettverk, fordi tur-retur-tiden kan være 50 til 100 ms. Løsningen er å utføre prosessering i selve cellen … selv om dette krever servere på cellenivået. Dette er en forenkling, for når tilkoblede enheter beveger seg mellom cellene – for eksempel i autonome kjøretøyer – må kontinuiteten for styring og koordinering opprettholdes. Dette krever igjen en kombinasjon av distribuert og sentralisert styring innenfor nettverket. Små celler kan også bidra til å redusere latenstiden.

En annen måte som brukes til å redusere latenstid i 5G, kalles nettverksoppdeling (network slicing). Her er nettverksbåndbredden delt inn i baner som kan håndteres individuelt, slik at noen er reservert for overføringer med lav latenstid ved å holde mengden trafikk på disse banene lavere. Industrielle styringskonstruksjoner som har behov for denne funksjonen, kan derfor bruke disse reserverte banene.

Nåværende 5G-nettverk oppnår en latenstid på under 30 ms, men latenstiden på 1 ms som kreves for sanntidsstyring ligger langt inn i fremtiden.

Andre 5G-fordeler: Lav energi og høy pålitelighet

Bruken av mindre celler vil redusere energiforbruket på en naturlig måte, men vil til en viss grad balanseres av det større antallet enheter. Smartere energistyring vil også spille en rolle når det kommer til å redusere energiforbruket i 5G-nettverket. Med NB-IoT vil en batterilevetid på over 10 år være mulig for mange enheter, samt en rekkevidde på 10 km.

Mer pålitelig dekning er enda en fordel med 5G. 5G rulles raskt ut. NB-IoT- og LTE-M-nettverk er allerede tilgjengelige over store deler av verden. På dette stadiet er det fortsatt litt usikkerhet rundt tilgjengeligheten av reserverte baner med lav latenstid.

Alternativ ikke-mobil trådløs konnektivitet

5G-mobilteknologien er ikke den eneste måten å trådløst koble seg til industrielle enheter på. Andre alternativer inkluderer WiFi-, Bluetooth- og IEEE 802.15.4-baserte teknologier.

Latenstiden til WiFi er vanligvis 20 til 40 ms og har noen problemer når det gjelder tilkoblingsstabilitet – noe som betyr at den vanligvis ikke brukes til konstruksjoner relatert til styring og industriautomasjon. Den brukes imidlertid for tilstandsovervåking av maskiner, bevegelsessensorer og strekkodeskannere. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) opererer på rundt 900 MHz for områder på opptil 1 km med svært lavt strømforbruk. Dette gjør den konkurransedyktig med IoT-spesifikke 5G-teknologier, selv om den ikke kan konkurrere med den lave latenstiden og høye sensortettheten.

Bluetooth LE (Low Energy) gir prisgunstig konnektivitet med lavt strømforbruk, med begrenset hastighet og rekkevidde, men den fokuserer på forbrukerenheter. IEEE 802.15.4-baserte teknologier, som har hastigheter på bare 250 kb/s og en rekkevidde på bare 10 meter, prioriterer lav pris og lavt strømforbruk over hastighet og rekkevidde. Siden maskenettverkstopologier støttes, kan imidlertid nettverk utvides utover 10 meter, forutsatt at ingen av enhetene er mer enn 10 meter fra en annen enhet i nettverket. Mange prisgunstige IoT-enheter bruker teknologier som 6LoWPAN, WirelessHART og ZigBee. Den mest industrielt fokuserte av disse, WirelessHART, støttes av et bredt utvalg av industrielle organisasjoner, deriblant ABB, Siemens, Fieldbus Foundation og Profibus.

Konklusjon

5G må betraktes som en teknologifamilie. Påstander om imponerende ytelser – slik som svært høy båndbredde, massiv sensortetthet og svært rask latenstid – er ikke mulig å oppnå samtidig med én enkelt teknologi. Det betyr at de viktigste 5G-implementeringene for industriautomasjon ikke plutselig vil dukke opp når 5G-mobilnettverkstjenester blir allment utbredt. Den høye sensortettheten i automatiserte installasjoner vil kreve IoT-spesifikke teknologier som NB-IoT og LTE-M. Den gode nyheten er at slike teknologier allerede er i ferd med å introduseres, og de opplever økt tilgjengelighet i alle industriland – så vel som i den tredje verden. Teknikere kan se frem til kontinuerlige økninger i 5G-nettverkskapasitet over de neste årene.

Video: Dette kan du forvente med 5G

Bruk av 5G for styringskonstruksjoner som krever svært lav latenstid er fremdeles noe år unna. Teknologier med lavt strømforbruk, for eksempel NB-IoT og LTE-M 5G (og særlig IoT-spesifikke tilpasninger), vil spille en betydelig rolle når det kommer til å realisere Industri 4.0 og gjøre maskiner smartere, fabrikker mer fleksible og prosesser mindre sløsende. Selvfølgelig vil 5G fortsette å konkurrere med ikke-mobil WiFi-, Bluetooth- og IEEE 802.15.4-baserte teknologier. Til syvende og sist vil alt dette medføre høyere automatiseringsproduktivitet.

Kort sagt vil 5G og andre typer sikker og fleksibel trådløs konnektivitet muliggjøre sensortettheten som trengs for at stordataanalyse skal kunne karakterisere produksjonsprosesser, optimalisere vedlikeholdsprogrammer, koordinere materialflyt og muliggjøre autonomt robotsamarbeid.