5G siete pre prepojený priemysel a automatizáciu (4), Prehľadové články, Rubriky,

V predchádzajúcich častiach seriálu sme naznačili oblasti využitia 5G technológií, príklady použitia a požiadavky na výkon a funkčnosť a predstavili sme niektoré kľúčové technológie 5G a ich hlavné funkcie. V poslednej časti seriálu sa venujeme rozdeleniu siete a niektorým výzvam súvisiacim s nasadzovaním 5G v priemyselnej praxi.

Rozdelenie siete

Tradičné telekomunikačné systémy sú postavené na fyzických entitách poskytujúcich monolitickú sieť pre služby všetkých druhov; táto sieť bola nakonfigurovaná staticky bez možnosti flexibility na poskytovanie služieb. Hoci diferenciácia služieb bola možná pomocou metód QoS, neexistovali žiadne záruky výkonu, najmä pre kritické typy služieb. Koncept segmentovania siete, ktorý je jednou z kľúčových nových funkcií 5G, umožňuje riešiť prípady použitia s veľmi rôznorodými požiadavkami na základe spoločnej fyzickej infraštruktúry. Rozdelenie siete umožňuje najmä vytvorenie viacerých logických/virtuálnych sietí na spracovanie rôznych prípadov použitia, pričom tieto logické siete bežia súčasne na spoločnej fyzickej infraštruktúre. Rôzne logické siete môžu byť prispôsobené s garantovanou SLA podľa požiadaviek konkrétneho vertikálneho odvetvia. Takéto logické siete sa v terminológii 5G označujú ako segmenty siete.

Ako už bolo spomenuté, 3GPP, vydanie 15 definuje tri základné typy služieb, konkrétne eMBB, mMTC a URLLC. Rozdelenie siete možno použiť ako prostriedok na oddelenie týchto služieb optimálnym a žiaducim spôsobom: napríklad pre každú službu možno nastaviť samostatný segment. Z hľadiska výkonu (napríklad vzhľadom na oneskorenie, priepustnosť, dostupnosť/odolnosť, spoľahlivosť) by mohol každý segment dobre pokryť požiadavky z rôznych prípadov použitia, ako sú príklady z priemyselného prostredia uvedené v predchádzajúcej časti seriálu.

Okrem splnenia požiadaviek na výkon by segmentovanie siete mohlo vyriešiť aj funkčné požiadavky prípadov použitia vo výrobe, ako je bezpečnosť a ochrana. Sieťový segment môže byť napríklad navrhnutý s pokročilejšími a prispôsobenými bezpečnostnými ochrannými mechanizmami, ktoré sa môžu veľmi líšiť od mechanizmov používaných v iných sieťových segmentoch. Aby sa dosiahol vysoký stupeň izolácie, vyhradené zdroje by sa mohli prideľovať výlučne sieťovému segmentu bez toho, aby ho zdieľali s ostatnými sieťovými segmentmi.

Aby sa dosiahla táto vízia, segmentovanie siete možno realizovať ako riešenie systémovej architektúry E2E, ktoré sa aplikuje na každú z domén 5G, t. j. prístup, prenos, cloud atď. (obr. 5). Z obrázka vidno, že segment môže byť čisto lokálny v rámci továrne (napr. Segment B), ale môže zahŕňať aj verejné siete, napríklad na prepojenie dvoch rôznych tovární (napr. Segment C) alebo ide o segment na vytvorenie spojenia s cloudom (napr. Segment A).

Služby poskytované segmentovaním 5G siete zmenia tradičné inžinierske prístupy vo výrobnom priemysle, pretože umožnia dynamické inžinierske riešenia na vyžiadanie od flexibilnej rekonfigurácie adaptívnych strojov až po rýchle rozširovanie zariadení, strojov a systémov poskytovaním deterministického, bezpečného a spoľahlivého pripojenia. Rozdelenie siete by mohlo presahovať rámec jedného závodu, pretože umožňuje komunikáciu medzi závodmi v globálnom meradle.

Hlavné výzvy

Okrem veľmi sľubných príležitostí, ktoré ponúka 5G pre Priemysel 4.0, treba sa zaoberať aj niektorými hlavnými výzvami, aby bolo možné využiť potenciál 5G naplno. Niektoré z týchto výziev sú podrobnejšie opísané nižšie.

Výzva 1: Najvhodnejší čas na štandardizáciu 5G

Aj keď sa predpokladá, že 5G bude podporovať širokú škálu prípadov použitia vo výrobe, normalizačné orgány súvisiace s 5G a výrobný priemysel ešte nie sú úplne zosúladené. Dodávatelia telekomunikácií a operátori mobilných sietí by mali úzko spolupracovať s výrobným priemyslom na výrobných riešeniach s podporou 5G. V júni 2018 bol vydaný prvý 5G štandard, pri ktorého tvorbe bol použitý dokument 3GPP, vydanie 15. Ten sa zameriava najmä na služby eMBB. Vertikálne špecifické služby, ako je URLLC, boli vylepšené v nasledujúcich vydaniach. Posledné vydanie 18 uzrelo svetlo sveta na konci roku 2022 a je to prvé vydanie, ktoré je už zamerané na štandard 5G-Advanced.

Výzva 2: Ako vyvinúť 5G na podporu napr. spracovateľského priemyslu?

Výrobný priemysel musí oznámiť svoje požiadavky komunite 5G (napr. 3GPP či ETSI) a spolupracovať s ňou pri vytváraní technických riešení, ktoré tieto požiadavky náležite riešia. Prvý krok k zváženiu prípadov použitia a požiadaviek priemyselnej domény sa už urobil v 3GPP prostredníctvom študijných predmetov komunikácia pre automatizáciu vo vertikálnych doménach (CAV) (3GPP TR 22.804) [4] a podpora LAN v 5G (3GPP TR 22.821) [9]. Pre mnohých hráčov v odvetví OT však môže byť náročné priamo participovať v príslušných normalizačných orgánoch. Existencia vhodnej platformy/organizácie mimo skutočných normalizačných skupín, na ktorej/v ktorej budú vopred zosúladené rôzne pohľady na relevantné prípady použitia a požiadavky, je preto nevyhnutná. Takáto platforma/organizácia by mohla podporovať aj vývoj vhodných technických koncepcií a riešení a mala by byť výrazne zameraná na priemyselnú oblasť.

Výzva 3: Spektrum a modely operátorov

Dostupnosť vhodného spektra je dôležitým aspektom pri nasadzovaní služieb 5G v priemyselných aplikáciách. Aby sa splnili extrémne náročné požiadavky na oneskorenie a spoľahlivosť, je preferované licencované spektrum. Môžu existovať alternatívne spôsoby prístupu k licencovanému spektru, napríklad prostredníctvom regionálnych licencií alebo prenájmom od (celoštátnych) operátorov mobilných sietí; tie sa líšia svojimi výhodami a nevýhodami. Je dôležité, aby sa našli vhodné možnosti využitia spektra a modely operátorov, ktoré zohľadňujú špecifické požiadavky priemyselnej oblasti a predstavujú plodný základ úspechu 5G v priemysle. Vyžaduje to konštruktívne diskusie medzi všetkými zainteresovanými stranami vrátane majiteľov priemyselných podnikov, operátorov mobilných sietí, regulačných orgánov a poskytovateľov technológií.

Výzva 4: Bezpečnosť a ochrana

Súčasné bezpečnostné architektúry a riešenia musia byť preskúmané s ohľadom na požiadavky priemyselných aplikácií (v reálnom čase) pod záštitou 5G. Musí sa vypracovať jasná bezpečnostná politika vrátane dôkladnej analýzy rozsahu, v akom môžu byť priemyselné aplikácie kritické z hľadiska bezpečnosti podporované infraštruktúrami 5G. Treba identifikovať medzery a upraviť/rozšíriť existujúce architektúry a riešenia, kým nebudú splnené požiadavky na bezpečnosť a ochranu.

Výzva 5: Priemyselné zariadenia s podporou 5G

Priemyselné zariadenia, ako sú stroje a roboty, sa výrazne líšia od existujúcich mobilných zariadení, ako sú inteligentné telefóny. V súčasnosti sa úvahy týkajúce sa 5G vo výrobe zameriavajú predovšetkým na otázku siete. Je však tiež dôležité pochopiť dôsledky pre priemyselné zariadenie s podporou 5G. Napríklad modul pripojenia môže byť modernizovaný častejšie ako priemyselné zariadenie. Okrem toho musí byť systém 5G úzko kompatibilný s inými zavedenými komunikačnými technológiami, ako sú priemyselné ethernetové systémy alebo priemyselné zbernice, pretože výrobné prevádzky typicky fungujú už niekoľko rokov. Bezproblémová integračná a migračná cesta by sa preto mala jasne premyslieť už od začiatku. Nakoľko priemyselné zariadenia sa zvyčajne používajú výrazne dlhý čas, existujú aj špecifické požiadavky, pokiaľ ide o požadovanú podporu komunikačných služieb a komponentov 5G, ako sú zodpovedajúce čipové súpravy 5G.

Výzva 6: Vytvorenie spoločného jazyka

Výrobný ekosystém sa rozšíri z konvenčného nastavenia (vrátane poskytovateľov komponentov, výrobcov strojov, systémových integrátorov, certifikačných orgánov atď.) tak, aby zahŕňal celú oblasť IKT vrátane telekomunikačných predajcov a operátorov, elektronického priemyslu (poskytovatelia čipov) a IT domény (napr. cloud computing). Celkový úspech 5G vo výrobe silne závisí od úzkej spolupráce medzi hráčmi v rámci celého ekosystému. Každé odvetvie si však vyvinulo vlastnú terminológiu a koncepčné štruktúry. Aby všetky dotknuté odvetvia mohli hladko a efektívne spolupracovať, jednou z hlavných výziev je, aby sa zapojili do rozvoja spoločného jazyka.

Výzva 7: Testovacie zariadenia a skúšobné verzie

Od konceptu po realitu, od výskumného laboratória až po komerčný trh, technológie súvisiace s výrobným priemyslom s podporou 5G vyžadujú dostatočnú validáciu z testovacích/skúšobných aktivít založených na úzkej spolupráci v rámci celého ekosystému. Hráči z rôznych odvetví si preto musia vytvoriť novú vedomostnú základňu, napríklad prostredníctvom spoločných testovacích zariadení a rozšírených testov priamo v prevádzkach.

Výzva 8: Transparentnosť 5G pripojenia v rádiovej prístupovej a základnej sieti

Existujúce mobilné siete (2G, 3G, 4G) nemajú žiadnu štandardizovanú metódu, pomocou ktorej môžu priemyselné aplikácie pristupovať k diagnostickým informáciám o bezdrôtovej komunikácii v bunke, o internetovej konektivite v pripojenej chrbtici atď. 5G však musí ponúkať transparentné diagnostické informácie o konektivite, úrovni služieb, výkone E2E atď. a sprístupniť ich tretím stranám. Je to nevyhnutné pre monitorovanie výkonu siete v reálnom čase a pre efektívnu analýzu základných príčin v prípade problémov s pripojením.