Praktiska 5G-tillämpningar inom industriell automation

Trådlös kommunikation har blivit allt viktigare för kommunikation inom industriell automation. Nu är femte generationens (5G) mobilkommunikation allmänt känd som den viktigaste trådlösa tekniken för att främja den fjärde industriella revolutionen - industri 4.0 eller ett industriellt sakernas internet (IIoT). Vissa går så långt som att hävda att 5G kommer att bli nyckeln till att göra IoT-installationer för konsumenter och andra icke-industriella installationer allestädes närvarande, till stor del på grund av att 5G underlättar uppkoppling av ett häpnadsväckande antal enheter, oavsett var dessa enheter befinner sig.

Figur 1: 3GPP (3rd Generation Partnership Project) förenar organisationer för telekommunikationsstandarder för att göra mobil telekommunikationsteknik så kompatibel mellan operatörer och så tekniskt bakåtkompatibel som möjligt. (Logotyp källa: 3GPP)

Men kommer 5G att ersätta de många trådlösa standarder som närvarande idag? Kommer 5G att överträffa WiFi, Bluetooth och IEEE 802.15.4 i tillämpningar där dessa andra tekniker idag är ledande? Eller är 5G helt enkelt en förbättrad teknik för de få automatiserade tillämpningar där äldre mobilteknik används? Vilka är 5G:s prestandafördelar och i vilken utsträckning kan dessa redan utnyttjas?

För att förstå svaren på dessa frågor, måste man först se hur 5G skiljer sig från annan mobil och icke-mobil kommunikation. 5G - som för närvarande håller på att byggas ut för mobiltelefonnät och industriella nät - bygger på tidigare generationer 2G, 3G och 4G av digital mobilnätsteknik. Det fanns aldrig något 1G, eftersom 2G:s föregångare var en analog trådlös telefonteknik som inte har mycket gemensamt med dagens nät. Med 2G kom den första digitala tekniken och krypterad telefon- och SMS-kommunikation (Short Message Service). GSM-standarder (Global System for Mobile Communications) definierar 2G-kretskopplade nät som möjliggör röstsamtal i full duplex. Under årens lopp förbättrades 2G-näten ytterligare med den första General Packet Radio Service (GPRS) och sedan Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GRPS och EDGE möjliggjorde överföring av datapaket för allmänna ändamål för internetanslutning med ökande datahastigheter, vilket är anledningen till att nät med dessa funktioner ibland kallas 2,5G respektive 2,75G.

3G förbättrade dataöverföringshastigheten ytterligare - till och med så mycket att videosamtal blev möjliga. Tillhörande standarder är CDMA2000 och olika former av High-Speed Packet Access (HSPA).

Därefter kom 4G och ännu högre dataöverföringshastigheter genom standarderna Long Term Evolution (LTE) och WiMax, som använder MIMO-överföringar (Multiple Input and Multiple Output).

5G utvecklades från 4G och de första kommersiellt tillgängliga 5G-nätprodukterna lanserades i slutet av 2018. För ett historiskt perspektiv på hur denna utveckling gått till, kan denna artikel från 2016 från DigiKey rekommenderas: Hur 5G kommer att förändra det industriella sakernas internet. Av största intresse för privata och kommersiella användare är hur 5G-näten måste kunna stödja datahastigheter på flera tiotals Mbyte/s för tiotusentals användare. De måste också kunna erbjuda en 1 Gbit/sek-uppkoppling till tiotals personer på ett givet kontor.

De andra egenskaperna hos 5G som är mest relevanta för industriella automationstillämpningar. 5G-näten måste mer specifikt möjliggöra hundratusentals samtidiga anslutningar med mycket låg latens och mycket tillförlitlig täckning. Dessa funktioner är avgörande för den massiva användningen av sensorer i samband med IIoT- och maskinstyrningstillämpningar.

Läs denna relaterade artikel från DigiKey: 5G ger för närvarande inte allt det som utlovas

Spektrum och datakommunikation med millimetervåg

En invändning är att den stora spridningen av uppkopplade enheter i mobilnäten medför en risk för spektrumbrist. Generellt sett ger lägre frekvensband större räckvidd medan högre frekvensband möjliggör ett större antal anslutningar inom ett litet område. Ett exempel på detta: 1G AMPS-standarden använde 800 MHz-bandet medan 2G GSM ursprungligen använde 1 900 MHz. Många GSM-telefoner har idag stöd för tre eller fyra olika band för att möjliggöra internationell användning... och de nuvarande mobilnäten fungerar mellan 700 MHz och 2,6 GHz. I takt med att IoT medför ett ökat antal enheter som kopplas upp till mobilnäten, minskar dock spektrat i de befintliga frekvensbanden. Därför har 5G börjat tränga in i högre frekvenser som 6 GHz och även de så kallade millimetervågsfrekvenserna över 24 GHz - inklusive 28 GHz och 38 GHz.

Figur 2: Sliver-anslutningar för hög hastighet stöder datahastigheter på 25 Gbps och 5G AAS-tillämpningar, inklusive switchning och routing för datacentra och telekomsektorn. (Bildkälla: TE Connectivity)

Kommunikationsfrekvenser för millimetervågor möjliggör mycket högre bandbredd och ett mycket stort antal anslutningar. Nackdelen är att dataöverföring på dessa frekvenser kan ha begränsad räckvidd och dramatisk bortledning när den går genom fasta föremål. Faktum är att millimetervågskommunikation kan uppvisa mindre dämpning än kommunikation på andra frekvenser i torr luft - men denna kommunikation påverkas kraftigt av regn.

En lösning för att utnyttja den större bandbredden hos dessa högre frekvenser (men undvika problem med räckvidden) är strålformning. Med denna teknik riktas en fokuserad kommunikationsstråle mot ett specifikt mål och sänds inte bara ut i alla riktningar. Strålformning kan snart ge millimetervågskommunikation samma räckvidd som de lägre frekvenser som används mest idag - samtidigt som störningar i kommunikationen minimeras.

Standarden 5G New Radio (NR) håller på att skapas för att specificera radioaccesstekniken för 5G. Den har två frekvensområden. Frekvensområde 1 ligger under 6 GHz och frekvensområde 2 ligger inom millimetervågsområdet från 24 GHz till 100 GHz.

Massiv konnektivitet med 5G inom automation

Att öka frekvensen för att få mer spektrum kommer att vara en del av lösningen för att möjliggöra den massiva konnektivitet som krävs för att till fullo förverkliga löftena om sakernas internet, t.ex. en mycket högre sensortäthet. Det är därför troligt att antalet enheter som kan anslutas till 5G-näten kommer att öka omedelbart när näten väl byggs ut.

Millimetervågs-5G kan hantera en miljon anslutningar per kvadratkilometer men kommer att kräva NB-IoT (Narrowband Internet of Things) för att uppnå detta.

NB-IoT är en energisnål teknik som fokuserar på inomhustäckning för billiga och energisnåla enheter. Den nuvarande NB-IoT-anslutningen är långt ifrån en miljon enheter och cellerna har för närvarande stöd för 10 000 enheter. Long Term Evolution for Machines (LTE-M) är en annan energisnål teknik som ger högre datahastighet och lägre latenstid än NB-IoT, men till en högre kostnad av användarenheten och högre energiförbrukning. En annan lösning är mindre celler, särskilt i områden med stor efterfrågan.

5G-latens: publicerade värden och faktisk prestanda

5G ska uppnå en laten på under 1 msek. Men denna övergripande specifikation uppnås oftast inte. För NB-IoT-tekniken med låg effekt är latensen cirka en sekund vid normal täckning och ökar till flera sekunder vid utökad täckning. För LTE-M är latensen något bättre, omkring 100 msek i normalområdet, men fortfarande inte i närheten av den 1 msek som krävs för styrningstillämpningar i realtid.

Figur 3: Olika former av 5G har fått ett snabbt globalt genomslag. (Bildkälla: Design World)

Det är omöjligt att uppnå en latens på under 1 msek med ett centraliserat nätverk, eftersom en rundresa i nätet kan ta 50-100 msek. Lösningen på detta är att utföra bearbetningen inom själva cellen - men det kräver servrar på cellnivå. Detta är en förenkling, för när uppkopplade enheter flyttas runt mellan celler - som i autonoma fordon - måste kontinuitet i styrningen och samordning upprätthållas. Detta kräver i sin tur en kombination av distribuerad och centraliserad styrning i nätverket. Små celler kan också bidra till att minska latensen.

En annan metod som används i 5G för att minska latensen är s.k. network slicing. Här delas nätverksbandbredden upp i sektioner som kan hanteras individuellt så att vissa reserveras för överföringar med låg latens genom att trafiken på dessa sektioner hålls lägre. Industriella styrningstillämpningar som kräver denna kapacitet kan därför använda dessa reserverade sektioner.

De nuvarande 5G-näten uppnår en latens på under 30 msek, men den 1 msek som krävs för realtidsstyrning är långt borta.

Andra 5G-fördelar: låg energi och hög tillförlitlighet

Användningen av mindre celler kommer naturligtvis att minska energiförbrukningen, men det kommer att uppvägas något av det större antalet användarenheter. Smartare energihantering kommer också att spela en roll för att minska energiförbrukningen i 5G-nätet. NB-IoT kommer att möjliggöra en batteritid på mer än 10 år för många enheter med en räckvidd på 10 km.

En mer tillförlitlig täckning är ytterligare en fördel med 5G. 5G byggs ut snabbt. NB-IoT- och LTE-M-nät finns redan tillgängliga i stora delar av världen. Tillgången till reserverade sektioner med låg latens är något mindre klar i detta skede.

Alternativa icke-mobilnätsbaserade trådlösa anslutningar

5G-mobilnätsteknik är inte det enda sättet att trådlöst koppla upp industriella enheter. Alternativen är WiFi, Bluetooth och IEEE 802.15.4-baserad teknik.

WiFi har en latens på vanligtvis 20-40 msek och har vissa problem med stabiliteten i anslutningen, vilket innebär att det i allmänhet inte används för tillämpningar inom industriell styrning och automation. För närvarande används det dock för övervakning av maskiners tillstånd, rörelsesensorer och streckkodsläsare. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) arbetar runt 900 MHz för räckvidder på upp till 1 km med mycket låg energiförbrukning. Detta gör den konkurrenskraftig i förhållande till IoT-specifik 5G-teknik, även om den inte kan mäta sig i fråga om den låga latensen och den höga sensortätheten.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) ger låg kostnad och låg effekt för uppkoppling, med begränsad hastighet och räckvidd, men den är inriktad på konsumentenheter. IEEE 802.15.4-baserad teknik prioriterar också låg kostnad och låg effekt framför hastighet och räckvidd, med endast 250 kbit/s och en räckvidd på endast 10 meter. Eftersom mesh-nätverkstopologier stöds, kan nätverken utvidgas till mer än 10 meter, förutsatt att ingen enhet är mer än 10 meter från en annan enhet i nätverket. Många billiga IoT-enheter använder tekniker som 6LoWPAN, WirelessHART och ZigBee. WirelessHART är den mest industriellt inriktade av dessa och stöds av ett stort antal industriella organisationer och företag, däribland ABB, Siemens, Fieldbus Foundation och Profibus.

Slutsats

5G måste betraktas som en familj av tekniker. Påståendena om imponerande prestanda - inklusive mycket hög bandbredd, massiv sensortäthet och supersnabb latenstid - kan inte alla förverkligas samtidigt med någon enskild specifik teknik. Det betyder att de viktigaste 5G-implementeringarna för industriell automation inte bara kommer att dyka upp när 5G-mobilnätstjänsterna blir allmänt förekommande. Den höga sensortätheten i automatiserade installationer kommer att kräva IoT-specifik teknik som NB-IoT och LTE-M. Den goda nyheten är att sådan teknik redan håller på att introduceras och att tillgången ökar i den utvecklade världen - och även i utvecklingsländerna. Ingenjörer kan förvänta sig en stadig ökning av kapaciteten på 5G-nätverken under de kommande åren.

Video: Vad vi kan förvänta oss av 5G

Att använda 5G för styrningstillämpningar som kräver mycket låg latens ligger fortfarande något längre fram i tiden. Strömsnåla tekniker som NB-IoT och LTE-M 5G (och särskilt IoT-specifika anpassningar) kommer att spela en viktig roll för att förverkliga industri 4.0 och göra maskinerna smartare, fabrikerna mer flexibla och processerna mer spilleffektiva. Naturligtvis kommer 5G att fortsätta att konkurrera med icke-cellulär WiFi, Bluetooth och IEEE 802.15.4-baserad teknik. I slutändan kommer allt detta att leda till högre produktivitet inom automationssektorn.

Kort sagt kommer 5G och andra former av säker och flexibel, trådlös uppkoppling att möjliggöra den sensortäthet som krävs för big data-analyser, för att fullt ut beskriva produktionsprocesser, optimera underhållsprogram, samordna materialflöden och möjliggöra autonoma robotsamarbeten.