Что 5G сделает для IoT/IIoT?

Чтобы узнать о влиянии мобильного широкополосного доступа 5G на IoT/IIoT, я взял интервью у Джая Сури, вице-президента по разработке приложений IoT и блокчейна, Oracle, и Майка Андерсона, архитектора встроенных систем и консультанта в аэрокосмической отрасли. Я спросил их, близки ли мы к тому, чтобы внедрить 5G в промышленность или, вероятно, первыми появятся другие приложения. По их словам, это сложно.

«5G был разработан с учетом сценариев использования IoT в своей основе, в то время как 4G и более ранние стандарты были разработаны в первую очередь для передачи голоса и данных. Благодаря 4G/LTE быстрая загрузка данных позволяет передавать потоковое содержимое, а 5G обеспечит сверхбыструю связь с малой задержкой и возможность обрабатывать миллионы устройств на квадратный километр», – сказала Сури.

Важно начать с нескольких пояснений. Термин 5G не относится к частоте, он просто означает, что это пятое поколение беспроводной мобильной широкополосной связи (см. «Понимание последствий сотовой связи 5G», Sensor Technology, март 2020 г.). И это не одна частота, а три. полосы:

• Нижний диапазон — от 600 до 850 МГц. Это ненамного больше, чем у доступного в настоящее время 4G.

• Средний диапазон охватывает диапазон от 2,5 до 3,7 ГГц.

• Высокочастотный диапазон работает в диапазоне 25–39 ГГц. Сигналы в этом частотном диапазоне обычно называют миллиметровыми волнами, и они обеспечивают исключительную производительность, о которой многие думают, когда думают о 5G.

5G в IIoT

Партнерский проект третьего поколения (3GPP) — международная организация по стандартизации, разрабатывающая протоколы для мобильной телефонии. Их версия 15 была ориентирована на 5G для потребителей, тогда как текущая версия 16 смещает акцент с потребителя на IIoT и другие промышленные рынки. Их намерение — со временем опубликовать стандарты для разработки и внедрения растущего числа приложений 5G.

Выдающимися преимуществами миллиметрового диапазона 5G являются высокая скорость, низкая задержка, большое количество подключенных устройств и высокая надежность. С беспроводным соединением 5G миллиметра вы получаете производительность, которую вы ожидаете от проводного соединения. А из-за своего высокочастотного диапазона он обычно не восприимчив к электрическим помехам от расположенного поблизости оборудования.

Однако большая проблема заключается в том, что миллиметровые волны 5G могут быть заблокированы окном, и они не проникают очень далеко. Это означает, что вам нужно иметь много ячеек 5G, чтобы иметь возможность воспользоваться этим преимуществом. По словам Андерсона, на заводе разумного размера вам, вероятно, потребуется 20 или 30 радиоприемников, установленных на потолке над вашими основными рабочими ячейками.

Промышленные приложения обычно требуют высокой надежности, и 5G, безусловно, может ее обеспечить. Как объяснил Андерсон, «текущая надежность сети 4G составляет 99,8%. Уровень сброшенных вызовов 0,2% считается сверхнадежной мобильной телефонной сетью операторского класса. Но требование надежности для промышленных приложений обычно составляет шесть девяток (99,9999%). Сети 5G могут обеспечить такой уровень надежности за счет дублирования ячеек, разумного использования радиочастотного спектра и массивных антенн MIMO (несколько входов, несколько выходов)».

Чтобы передать сигнал 5G от телекоммуникационной компании на завод, внутри здания необходимо установить антенну, похожую на миниатюрную вышку сотовой связи. Чтобы использовать это в промышленном приложении, вам потребуется гораздо более крупная инфраструктура внутри здания — вы не можете просто проникнуть в здание и все — это намного сложнее. В зависимости от диапазона частот вы не обязательно сможете увидеть сигнал даже на другой стороне здания. Есть балки и все, что будет поглощать сигнал. Итак, вам понадобится несколько антенн. Кто бы ни устанавливал фабрику, он должен убедиться, что эти антенны имеют достаточное покрытие внутри здания и что нет мертвых зон.

Основные кандидаты на 5G

Цифровые двойники

Цифровой двойник — это динамическое представление физической системы в реальном времени. Например, в аэрокосмической отрасли цифровые двойники используются более или менее регулярно. Если вы собираетесь поместить в спутник целую кучу технологий и отправить его на низкую околоземную орбиту, ему, вероятно, потребуется обслуживание. Если есть обновления программного обеспечения, их можно сначала протестировать на Земле в цифровом двойнике — цифровом аналоге спутника в реальном времени — прежде чем загружать его. Чтобы цифровой двойник соответствовал реальному состоянию, необходимо передавать большой объем данных с высокой скоростью, что идеально подходит для 5G.

Виртуальная и дополненная реальность

Для виртуальной реальности обнаруживаемая задержка неприемлема. Таким образом, высокая пропускная способность, высокая пропускная способность и низкая задержка 5G идеально подходят. Одно из применений, где виртуальная реальность полезна, а не просто развлекает, — это симуляторы для обучения операторов систем, которые могут быть смертельными, если что-то пойдет не так. Например, операторы самолетов, железных дорог или кораблей и, безусловно, операторы ядерных реакторов.

«Я был в тренировочной комнате для корабля, где вы не видите ничего, кроме пустых стен, но когда вы надеваете очки виртуальной реальности, вы видите все элементы управления, которые вы обычно ожидаете увидеть на корабле. Если симулятор также является цифровым близнецом, эти виртуальные элементы управления будут делать то же, что и на реальном корабле», — сказал Андерсон.

«Еще одно приложение дополненной реальности позволяет специалистам по обслуживанию, особенно сторонним техническим специалистам, выполнять высококачественный ремонт. Дополненная реальность может направлять их на протяжении всего процесса ремонта, предоставляя предписывающую модель обслуживания для точного определения проблемы и визуального наложения 3D-анимации на видео в прямом эфире, чтобы показать последовательность шагов, которые необходимо выполнить», – говорит Сури.

Профилактическое обслуживание

5G также будет полезен для профилактического обслуживания в тех случаях, когда у вас есть приложение с большими объемами потоковых данных, которые вы хотите отслеживать и анализировать.

Критически важным приложением являются очень большие двигатели или генераторы, которые могут нанести серьезный ущерб в случае их отказа или могут прервать важные службы, такие как производство электроэнергии. По словам Сури, мониторинг удаленного оборудования в режиме реального времени, например мониторинг газовых компрессоров в нефтегазовой отрасли, является еще одним важным вариантом использования.

Другой пример:если вы являетесь компанией HVAC, продающей крышные блоки, вы хотите собирать данные не только для обслуживания, но и для их использования. «Стоимость использования сети 4G для сбора полезных данных составляет около 3-5 долларов в месяц, поэтому, если у меня есть компания, продающая крышные кондиционеры, и у меня развернуто 100 000 единиц, расходы будут очень значительными. А обработка всех этих данных для получения полезной информации еще больше увеличивает операционные расходы», — сказал Сури. «Если бы организации могли предоставлять своим клиентам информацию о потреблении энергии по сравнению с уровнем комфорта, эти данные можно было бы использовать для продажи более эффективной единицы — или организации могли бы предлагать цены на основе использования, когда они просто взимают ежемесячную плату в зависимости от количества часов, которые он работал.”

Пограничные вычисления

Обещание 5G малой задержки, высокой скорости и высокой надежности позволяет использовать расширенные граничные вычисления, предоставляя инженерам расширенный набор инструментов для проектирования сетей.

Пограничные вычисления выгодны по ряду причин:

• С 5G на периферии можно выполнять больше вычислений, поскольку периферию можно переопределить, включив в нее «локальные облака». Раньше вычисления с малой задержкой должны были выполняться на каждом сенсорном узле, в то время как менее чувствительные ко времени вычисления могли быть назначены сети уровня предприятия или общедоступному облаку. Но объем вычислений, которые можно было выполнить на сенсорных узлах, был крайне ограничен из-за практических ограничений физического размера и энергопотребления.

• Однако при подключении 5G данные с удаленных датчиков могут передаваться по беспроводной сети в «локальные облака», состоящие из готовых компьютеров. Эти облака могут выполнять вычисления с малой задержкой, что позволяет перенести процесс принятия решений ближе к источнику данных. После этого пакеты значимой информации, а не необработанные данные, можно будет отправлять как в корпоративные облака, так и в общедоступные облака для менее срочной обработки и хранения.

• Кроме того, организациям может потребоваться возможность защиты конфиденциальных данных от публичного доступа. Пограничные системы могут обрабатывать данные в источнике и отправлять в облако для дальнейшей обработки только анонимные и обобщенные сведения.

Автономные транспортные средства

«Я думаю, что вы увидите 5G как убийственное приложение — это автономные транспортные средства», — сказал Андерсон. «На них много датчиков:лидар, радар, камеры. Все они производят большие объемы данных и требуют очень быстрого времени отклика с чрезвычайно низкой задержкой. Автономные транспортные средства должны обрабатывать большие объемы данных об окружающей среде в режиме реального времени и быстро реагировать».

Связь между транспортным средством и всем, что его окружает, включая пешеходов, другие автомобили и светофоры, известна как V2X. Эта технология позволяет транспортным средствам напрямую общаться друг с другом для предотвращения столкновений. Кроме того, если автомобиль приближается к перекрестку, и есть светофор, и оба подключены к сети 5G, автомобиль может напрямую связаться со светофором, чтобы узнать свой текущий статус.

«Чтобы внедрить 5G для автономных транспортных средств, Департамент шоссейных дорог штата, вероятно, заключил бы контракт с оператором связи (телекоммуникационным оператором), потому что вы хотели бы использовать их вышки сотовой связи и их вспомогательную инфраструктуру», — сказал Андерсон. «Для высоких скоростей передачи данных и низкой задержки вам потребуется полоса пропускания не менее 1 ГГц. И если вам действительно нужна низкая задержка, теперь вы говорите о диапазоне от 25 до 27 ГГц (миллиметровый диапазон), а это означает, что вам нужна вышка сотовой связи в каждом квартале города. В сельской местности вы, вероятно, могли бы сделать около 5 километров между башнями».

Поскольку существующие телекоммуникационные вышки сотовой связи расположены на расстоянии около 20 миль, необходимо будет построить много новых. Для миллиметровых волн 5G требуется примерно в пять раз больше ячеек, чем для обычных частотных диапазонов. Спасением является то, что размер вышки сотовой связи 25 ГГц намного меньше, чем у существующих вышек сотовой связи.

«Реальность такова, что сначала миллиметровый диапазон волн будет предназначен для личного использования людьми, поэтому инфраструктура все равно будет создана. Затем избыточные мощности будут проданы городу или штату для использования с автономными транспортными средствами», — сказал Андерсон.

Логистика

Логистика может выиграть от возможности отслеживать и находить большое количество транспортных средств в режиме реального времени. Это было бы золотым дном для менеджеров автопарка. Очень часто отслеживание посылок сводилось к получению информации задним числом из регистратора данных. Однако системы слежения за транспортными средствами в режиме реального времени используют данные GPS и сотовые данные для передачи информации о местоположении и направлении движения на станцию ​​управления. Эти данные можно использовать для устранения неполадок на маршрутах или оптимизации логистических операций. Системы слежения за транспортными средствами также могут отправлять оперативную информацию о транспортном средстве, такую ​​как уровень топлива, давление в шинах, состояние зажигания и температура двигателя, которые можно использовать для планирования технического обслуживания. Использование 5G в такого рода приложениях также может быть убийственным приложением.

В заключение

Суть в том, что 5G окажет значительное влияние как на IoT, так и на IIoT, но это будет развиваться медленно, в некоторых секторах раньше, в некоторых позже. В целом сроки значительной интеграции 5G в приложения IoT/IIoT составляют от пяти до десяти лет.

Эта статья была написана Эдом Брауном, редактором Sensor Technology. Для получения дополнительной информации свяжитесь с Эдом по этому адресу электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. или посетите здесь .