Как 5G революционизирует IoT и промышленный IoT

Чтобы узнать о влиянии 5G мобильной широкополосной связи на IoT/IIoT, я 인터뷰л Джай Сури, вице-президента по разработке IoT и блокчейн-приложений в Oracle, и Майка Андерсона, архитектора встроенных систем и консультанта в аэрокосмической отрасли. Я спросил их, близки ли мы к внедрению 5G в промышленность или другие приложения, вероятно, придут первыми. По словам обоих, это сложно.

"5G был спроектирован с вариантами использования IoT в ядре, в то время как 4G и более ранние стандарты проектировались в основном для голосовой связи и передачи данных. С 4G/LTE быстрые загрузки данных позволили стриминг контента, а 5G принесет ультрабыструю, низколатентную связь и способность обрабатывать миллионы устройств на квадратный километр", — сказал Сури.

Важно начать с пары уточнений. Термин 5G не относится к частоте, он просто означает, что это пятое поколение беспроводной мобильной широкополосной связи (см. "Понимание последствий 5G Cellular", Sensor Technology, март 2020). И это не просто одна частота, она покрывает три диапазона:

• Низкий диапазон: 600–850 МГц. Это не намного больше, чем текущий 4G.

• Средний диапазон: 2,5–3,7 ГГц.

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

5G в IIoT

Проект партнерства третьего поколения (3GPP) — международная стандартная организация, разрабатывающая протоколы для мобильной телефонии. Их Release 15 фокусировался на 5G для потребителей, тогда как текущий Release 16 смещает фокус с потребителя на IIoT и другие промышленные рынки. Их намерение — со временем публиковать стандарты для разработки и внедрения растущего тела 5G-приложений.

Исключительные преимущества 5G на миллиметровых волнах — высокая скорость, низкая задержка, большое количество подключенных устройств и высокая надежность. С 5G миллиметровым беспроводным подключением вы получаете тот уровень производительности, который ожидаете от проводного канала. И из-за своего высокого частотного диапазона он обычно не подвержен электрическим помехам от близлежащего оборудования.

Однако большие проблемы в том, что 5G на миллиметровых волнах может быть заблокирован окном и не проникает далеко. Это значит, что вам нужно много 5G-ячеек, чтобы воспользоваться преимуществами. На разумно большом заводском полу, вероятно, понадобится 20 или 30 радио на потолке над основными рабочими ячейками, по словам Андерсона.

Промышленные приложения обычно требуют высокой надежности, и 5G определенно может это обеспечить. Как объяснил Андерсон, "текущая надежность 4G сети составляет 99,8%. Процент отброшенных вызовов 0,2% считается сверхнадежной, carrier-grade мобильной телефонной сетью. Но требование надежности для промышленных приложений обычно six-9s (99,9999%). 5G сети могут обеспечить этот уровень надежности, используя дублирование ячеек, умное использование радиоспектра и массивные MIMO (multiple-in, multiple-out) антенны".

Чтобы принести 5G сигнал от телеком-оператора в завод, антенна, выглядящая как миниатюрная вышка, должна быть установлена внутри здания. Чтобы использовать это в промышленном приложении, вам понадобится гораздо большая инфраструктура внутри здания — вы не можете просто проникнуть сквозь здание и готово — это намного сложнее. В зависимости от частотного диапазона, вы не обязательно сможете даже увидеть сигнал на другой стороне здания. Есть балки и всевозможные вещи, которые поглотят сигнал. Так что вам понадобятся множественные антенны. Тот, кто настраивает завод, должен убедиться, что у этих антенн адекватное покрытие внутри здания и нет мертвых зон.

Главные кандидаты для 5G

Цифровые двойники

Цифровой двойник — это динамическое представление физической системы в реальном времени. Например, аэрокосмическая отрасль использует цифровые двойки на более или менее регулярной основе. Если вы собираетесь заложить кучу технологий в спутник и отправить его на низкую околоземную орбиту, он, вероятно, понадобится сервис. Если есть программные обновления, их можно сначала протестировать на земле в цифровом двойнике — цифровом двойнике спутника в реальном времени — перед загрузкой. Чтобы цифровой двойник оставался актуальным с реальной вещью, большие объемы данных нужно передавать с высокой скоростью, что идеально для 5G.

Виртуальная и дополненная реальность

Для виртуальной реальности детектируемая задержка неприемлема. Поэтому высокая пропускная способность, высокий throughput и низкая задержка 5G — идеальное соответствие. Одно приложение, где виртуальная реальность полезна, а не просто развлекает — симуляторы для обучения операторов систем, которые могут быть смертельными, если что-то пойдет не так. Например, операторы самолетов, железных дорог, кораблей и, определенно, операторы ядерных реакторов.

"Я был в учебной комнате для корабля, где вы видите только пустые стены, но когда надеваете VR-очки, вы видите все органы управления, которые обычно ожидаете увидеть на корабле. Если симулятор также является цифровым двойником, эти виртуальные органы управления будут делать то, что они делали бы на реальном корабле", — сказал Андерсон.

"Еще одно приложение дополненной реальности — возможность для сервисных техников — и особенно сторонних техников — выполнять высококачественный ремонт. Дополненная реальность может проводить их через весь процесс ремонта, предоставляя прескриптивную модель обслуживания для выявления проблемы и визуальное наложение 3D-анимации на живую видеопоток для показа последовательности шагов", — сказал Сури.

Предиктивное обслуживание

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

Критическое приложение — для очень больших моторов или генераторов, которые могут вызвать серьезный ущерб при отказе или прервать важные услуги вроде генерации энергии. Мониторинг в реальном времени для удаленного оборудования, например, мониторинг газовых компрессоров в нефтегазовой отрасли — еще один критический вариант использования, по словам Сури.

Другой пример: если вы компания по HVAC, продающая крышные блоки, вы хотите собирать данные не только для обслуживания, но и об их использовании. "Стоимость использования 4G сети для сбора полезных данных составляет около $3–5 в месяц, так что если у меня компания, продающая крышные HVAC, и у меня 100 000 развернутых единиц, расходы будут очень значительны. И обработка всех этих данных для получения полезной информации еще больше увеличивает операционные расходы", — сказал Сури. "Если организации могли бы предоставлять своим клиентам инсайты о потреблении энергии против уровня комфорта, эти данные могли бы использоваться для продажи более эффективного блока — или организации могли бы предлагать ценообразование на основе использования, где они просто взимают ежемесячную плату на основе количества часов работы".

Edge Computing

Обещание 5G низкой задержки, высокой скорости и высокой надежности позволяет улучшенному edge computing предоставить инженерам расширенный набор инструментов для проектирования сетей.

Edge computing полезен несколькими способами:

• С 5G больше вычислений можно делать на краю, потому что край можно переопределить, чтобы включать "локальные облака". Ранее низколатентные вычисления должны были выполняться на каждом сенсорном узле, в то время как менее чувствительные ко времени вычисления могли быть назначены на корпоративную сеть или публичное облако. Но объем вычислений, который можно было сделать на сенсорных узлах, был крайне ограничен из-за практических ограничений физического размера и потребления энергии.

• С 5G подключениями, однако, данные от удаленных датчиков могут быть беспроводно переданы в "локальные облака", состоящие из готовых компьютеров. Эти облака могут выполнять низколатентные вычисления, что позволяет переместить принятие решений ближе к источнику данных. Пакеты значимой информации, а не сырые данные, могут быть отправлены в корпоративные и публичные облака для менее чувствительных ко времени обработки и хранения.

• Кроме того, организации могут хотеть способность защищать конфиденциальные данные от публичного раскрытия. Edge системы могут обрабатывать данные в источнике и отправлять только анонимизированные и суммарные инсайты в облако для дальнейшей обработки.

Автономные транспортные средства

"Где я думаю, вы увидите 5G как killer app — это автономные транспортные средства", — сказал Андерсон. "У них много датчиков: лидар, радар, камеры. Все это производит большие объемы данных и требует очень быстрых времен отклика с экстремально низкой задержкой. Автономные транспортные средства должны ассимилировать большие объемы данных об окружении в реальном времени и быстро реагировать".

Коммуникация между транспортным средством и чем угодно в его окружении, включая пешеходов, другие машины и светофоры, известна как V2X. Эта технология позволяет транспортным средствам напрямую общаться друг с другом для предотвращения столкновений. Также, если машина приближается к перекрестку и есть светофор и оба подключены к 5G, машина может напрямую общаться со светофором, чтобы понять его текущий статус.

"Чтобы внедрить 5G для автономных транспортных средств, Департамент шоссей штата, вероятно, объявит тендер телеком-оператору (telco), потому что вы захотите использовать их вышки и инфраструктуру поддержки", — сказал Андерсон. "Для высоких скоростей данных и низкой задержки вам понадобится минимум 1 ГГц полосы пропускания. И если вы действительно хотите низкую задержку, теперь вы говорите в диапазоне 25–27 ГГц (миллиметровый), что означает, что вам нужна вышка каждый квартал в городе. В сельских районах вы, вероятно, могли бы сделать около 5 км между вышками".

Поскольку текущие вышки telco расположены примерно в 20 милях, многие новые должны быть построены. 5G миллиметровые волны требуют примерно в пять раз больше ячеек, чем для нормальных частотных диапазонов. Спасательным фактором является то, что размер 25 ГГц вышки намного меньше существующих вышек telco.

"Реальность в том, что сначала миллиметровый диапазон будет направлен на личное использование людей, поэтому эта инфраструктура будет создана в любом случае. Затем излишки емкости будут проданы городу или штату для использования с автономными транспортными средствами", — сказал Андерсон.

Логистика

Логистика может выиграть от возможности отслеживать и локализовать большие количества транспортных средств в реальном времени. Это был бы бонанза для менеджеров автопарков. Так часто отслеживание посылок сводилось к ретроспективному извлечению информации из даталоггера. Однако системы отслеживания транспортных средств в реальном времени используют GPS и сотовые данные для передачи информации о местоположении и направлении движения в контрольную станцию. Эти данные можно использовать для устранения неполадок маршрутов или оптимизации логистических операций. Системы отслеживания транспортных средств также могут отправлять операционную информацию о транспортном средстве, такую как уровень топлива, давление в шинах, статус зажигания и температура двигателя, которые можно использовать для планирования обслуживания. Использование 5G в таком приложении также может стать killer app.

Заключение

Итог в том, что 5G будет иметь значительное влияние как на IoT, так и на IIoT, но это будет развиваться медленно, некоторые секторы раньше, некоторые позже. В целом, временная шкала для значительной интеграции 5G в IoT/IIoT приложения составляет порядка пяти до десяти лет.

Эту статью написал Эд Браун, редактор Sensor Technology. Для дополнительной информации свяжитесь с Эдом по адресу This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. или посетите здесь .