Praktische 5G-toepassingen in industriële automatisering

Draadloze communicatie is steeds belangrijker geworden voor de communicatie in de industriële automatisering. Nu wordt cellulaire communicatie van de vijfde generatie (5G) alom aangekondigd als de belangrijkste draadloze technologie om de vierde industriële revolutie - Industrie 4.0 of het Industrial Internet of Things (IIoT) - vooruit te helpen. Sommige bronnen suggereren zelfs dat 5G de sleutel zal zijn om consumenten- en andere niet-industriële IoT-installaties alomtegenwoordig te maken, grotendeels omdat 5G de verbinding van duizelingwekkende aantallen apparaten mogelijk maakt, waar die apparaten zich ook bevinden.

Afbeelding 1: Het 3rd Generation Partnership Project (3GPP) verenigt organisaties voor telecommunicatienormen om cellulaire telecommunicatietechnologieën zo kruis- en achterwaarts compatibel mogelijk te maken. (Bron logo: 3GPP)

Maar zal 5G de reeks draadloze standaarden die momenteel in gebruik zijn, vervangen? Zal 5G beter presteren dan WiFi, Bluetooth en IEEE 802.15.4 in toepassingen waar deze andere technologieën momenteel toonaangevend zijn? Of is 5G gewoon een verbeterde technologie voor de weinige geautomatiseerde toepassingen waar oudere cellulaire technologieën worden gebruikt? Wat zijn de prestatievoordelen van 5G, en in welke mate kunnen die nu al worden benut?

Om de antwoorden op deze vragen te begrijpen, moet eerst worden nagegaan hoe 5G verschilt van andere cellulaire en niet-cellulaire communicatie. 5G - dat momenteel wordt uitgerold voor mobiele telefoon- en industriële netwerken - bouwt voort op de vorige 2G-, 3G- en 4G-generaties van digitale cellulaire technologie. Er is nooit een 1G geweest, aangezien de voorloper van 2G een analoge draadloze telefoontechnologie was die weinig gemeen had met de huidige netwerken. Met 2G kwam de eerste digitale technologie en gecodeerde telefoon- en short message service (SMS) communicatie. De normen van het Global System for Mobile Communications (GSM) definiëren 2G circuitgeschakelde netwerken die full-duplex spraakgesprekken mogelijk maken. In de loop der jaren werden de 2G-netwerken verder uitgebreid met de eerste General Packet Radio Service (GPRS) en vervolgens Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GRPS en EDGE maakten transmissie van datapakketten voor algemeen gebruik mogelijk voor internetconnectiviteit met steeds hogere datasnelheden, reden waarom netwerken met deze mogelijkheden soms respectievelijk 2,5G- en 2,75G-technologieën worden genoemd.

3G zorgde voor een verdere verbetering van de datatransmissiesnelheden - zelfs tot het punt dat videogesprekken mogelijk werden. Bijbehorende normen zijn CDMA2000 en verschillende vormen van High-Speed Packet Access (HSPA).

Daarna kwamen 4G en nog hogere gegevensoverdrachtsnelheden via de Long Term Evolution (LTE)- en WiMax-normen, die gebruik maken van MIMO-transmissies (multiple-input and multiple-output).

5G is voortgekomen uit 4G, met de eerste commercieel beschikbare 5G-netwerkproducten die eind 2018 zijn uitgebracht. Voor historisch perspectief op de aanloop naar deze ontwikkeling, lees dit DigiKey artikel uit 2016: Hoe 5G het industriële Internet of Things zal veranderen. Van het grootste belang voor particuliere en commerciële gebruikers is dat 5G-netwerken datasnelheden van enkele tientallen Mb/sec voor tienduizenden gebruikers moeten kunnen ondersteunen. Zij moeten ook in staat zijn een 1 Gbit/sec-verbinding te leveren aan tientallen mensen binnen een bepaald kantoor.

De andere kenmerken van 5G die het meest relevant zijn voor industriële-automatiseringstoepassingen. Meer specifiek moeten 5G-netwerken honderdduizenden gelijktijdige verbindingen met een zeer lage latentie en een zeer betrouwbare dekking mogelijk maken. Deze kenmerken zijn essentieel voor de massale inzet van sensoren in verband met IIoT- en machinebesturingstoepassingen.

Lees het gerelateerde DigiKey artikel: 5G biedt momenteel niet alles wat het belooft

Spectrum en millimetergolf-datacommunicatie

Een voorbehoud is dat de proliferatie van aangesloten apparaten op mobiele netwerken de dreiging van spectrumtekort met zich meebrengt. Over het algemeen bieden banden met een lagere frequentie een groter bereik, terwijl banden met een hogere frequentie een groter aantal verbindingen binnen een klein gebied mogelijk maken. Een goed voorbeeld: De 1G AMPS standaard gebruikte de 800-MHz band terwijl de 2G GSM aanvankelijk 1.900 MHz gebruikte. Veel GSM-telefoons ondersteunen tegenwoordig drie of vier verschillende banden om internationaal gebruik mogelijk te maken ... en de huidige mobiele netwerken werken tussen 700 MHz en 2,6 GHz. Naarmate het ivd het aantal apparaten met een verbinding met mobiele netwerken doet toenemen, is er echter steeds minder spectrum beschikbaar op deze bestaande frequentiebanden. Daarom is 5G zich beginnen te begeven op hogere frequenties zoals 6 GHz en zelfs de zogenaamde millimetergolffrequenties boven 24 GHz - waaronder 28 GHz en 38 GHz.

Afbeelding 2: Sliver high-speed interconnects ondersteunen 25 Gbps datasnelheden en 5G AAS-toepassingen, waaronder datacenter en telecom switching en routing. (Bron afbeelding: TE Connectivity)

Millimetergolfcommunicatiefrequenties maken een veel grotere bandbreedte en zeer grote aantallen verbindingen mogelijk. Het nadeel is dat datatransmissie op deze frequenties een beperkt bereik kan hebben en een dramatische dissipatie kan vertonen bij het reizen door vaste objecten. In feite kan millimetergolfcommunicatie door droge lucht minder verzwakking vertonen dan communicatie op andere frequenties - maar deze communicatie wordt sterk beïnvloed door regen.

Een oplossing om de betere bandbreedte van deze hogere frequenties te benutten (maar bereikproblemen te vermijden) is beamforming. Met deze techniek wordt een gerichte communicatiestraal op een specifiek doel gericht en niet gewoon in alle richtingen uitgezonden. Beamforming zou millimetergolfcommunicatie binnenkort het bereik kunnen geven van lagere frequenties die tegenwoordig vaker worden gebruikt, terwijl tegelijkertijd communicatie-interferentie tot een minimum wordt beperkt.

De 5G-norm "New Radio" (NR) wordt opgesteld om de radiotoegangstechnologie voor 5G te specificeren. Het omvat twee frequentiebereiken. Frequentiebereik 1 ligt onder 6 GHz en frequentiebereik 2 ligt in het millimetergolfgebied van 24 GHz tot 100 GHz.

Massale connectiviteit met 5G in automatisering

Frequentieverhoging om meer spectrum te verkrijgen zal een deel van de oplossing zijn om de massale connectiviteit mogelijk te maken die nodig is om de beloften van het ivd, zoals een veel grotere sensordichtheid, volledig waar te maken. Het aantal apparaten dat verbinding kan maken met 5G-netwerken zal dus waarschijnlijk onmiddellijk toenemen naarmate deze worden uitgerold.

Millimetergolf 5G kan een miljoen apparaatverbindingen per vierkante kilometer aan, maar daarvoor is smalband Internet of Things (NB-IoT) nodig.

NB-IoT is een technologie met een laag stroomverbruik die gericht is op dekking binnenshuis voor apparaten met lage kosten en een laag stroomverbruik. De huidige NB-IoT-connectiviteit haalt bij lange na niet een miljoen apparaten; cellen ondersteunen momenteel 10.000 apparaten. Long Term Evolution for Machines (LTE-M) is een andere technologie met laag stroomverbruik die een hogere datasnelheid en lagere latentie biedt dan NB-IoT, maar tegen hogere apparaatkosten en een hoger stroomverbruik. Een andere oplossing zijn kleinere cellen, vooral in gebieden met een grote vraag.

5G-latentie: gepubliceerde waarden en werkelijke prestaties

5G wordt verondersteld een latentietijd van minder dan 1 msec te halen, maar deze hoofdspecificatie wordt meestal niet gehaald. Voor het lage vermogen bedraagt de latentie van de NB-IoT-technologie ongeveer één seconde bij normale dekking, oplopend tot enkele seconden bij uitgebreide dekking. Voor LTE-M is de latentie iets beter, rond 100 msec in het normale bereik, maar nog steeds nergens in de buurt van de 1 msec die vereist is voor real-time controletoepassingen.

Afbeelding 3: Verschillende vormen van 5G zijn wereldwijd in hoog tempo ingevoerd. (Bron afbeelding: Design World))

Het is onmogelijk om met een gecentraliseerd netwerk een latentietijd van minder dan 1 msec te bereiken, aangezien de rondreis 50 tot 100 msec kan duren. De oplossing hiervoor is om de verwerking binnen de cel uit te voeren, maar dat vereist servers op celniveau. Dit is een vereenvoudiging, want als aangesloten apparaten zich tussen cellen verplaatsen - zoals in autonome voertuigen - moet de continuïteit van de controle en coördinatie worden gehandhaafd. Dat vereist op zijn beurt een combinatie van gedistribueerde en gecentraliseerde controle binnen het netwerk. Small cells kunnen ook helpen de latentie te verminderen.

Een andere methode die in 5G wordt gebruikt om de latentie te verminderen, heet network slicing. Hierbij wordt de netwerkbandbreedte verdeeld in lanes die afzonderlijk kunnen worden beheerd, zodat sommige kunnen worden gereserveerd voor transmissies met een lage latentie door het verkeer op die lanes lager te houden. Industriële besturingstoepassingen die deze mogelijkheid vereisen, kunnen derhalve gebruik maken van deze gereserveerde lanes.

De huidige 5G-netwerken halen een latentie van minder dan 30 msec, maar de 1 msec die nodig is voor real-time controle is nog ver weg.

Andere voordelen van 5G: laag energieverbruik en hoge betrouwbaarheid

Het gebruik van kleinere cellen zal uiteraard het energieverbruik verminderen, maar dit wordt enigszins gecompenseerd door het grotere aantal apparaten. Slimmer energiebeheer zal ook een rol spelen bij de vermindering van het energieverbruik in het 5G-netwerk. NB-IoT zal voor veel apparaten een batterijlevensduur van meer dan 10 jaar mogelijk maken, met een bereik van 10 km.

Betrouwbaardere dekking is nog een voordeel van 5G. 5G wordt in hoog tempo uitgerold. NB-IoT- en LTE-M-netwerken zijn al in grote delen van de wereld beschikbaar. De beschikbaarheid van gereserveerde lanes met lage latentie is in dit stadium iets minder duidelijk.

Alternatieve niet-cellulaire draadloze connectiviteit

5G cellulaire technologieën zijn niet de enige manier om industriële apparaten draadloos met elkaar te verbinden. Alternatieven zijn onder meer WiFi, Bluetooth en IEEE 802.15.4-gebaseerde technologieën.

De latentie van WiFi bedraagt doorgaans 20 tot 40 msec en er zijn problemen met de stabiliteit van de verbinding, zodat WiFi over het algemeen niet wordt gebruikt voor besturings- en industriële automatiseringstoepassingen. Het wordt momenteel echter gebruikt voor conditiebewaking van machines, bewegingssensors en barcodescanners. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) werkt rond 900 MHz voor een bereik tot 1 km met een zeer laag stroomverbruik. Dit maakt het concurrerend met IoT-specifieke 5G-technologieën, hoewel het niet kan tippen aan de lage latency en hoge sensordichtheid.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) biedt goedkope en energiezuinige connectiviteit, met beperkte snelheid en bereik, maar is gericht op consumentenapparatuur. Op IEEE 802.15.4 gebaseerde technologieën leggen ook de nadruk op lage kosten en laag vermogen in plaats van op snelheid en bereik, met slechts 250 kbit/sec en een bereik van slechts 10 meter. Omdat mesh-netwerktopologieën worden ondersteund, kunnen netwerken echter worden uitgebreid tot meer dan 10 m, op voorwaarde dat geen enkel apparaat zich op meer dan 10 m van een ander apparaat in het netwerk bevindt. Veel goedkope ivd-apparaten maken gebruik van technologieën zoals 6LoWPAN, WirelessHART en ZigBee. WirelessHART is het meest industrieel gericht en wordt ondersteund door een groot aantal industriële organisaties, waaronder ABB, Siemens, de Fieldbus Foundation, en Profibus.

Conclusie

5G moet worden beschouwd als een familie van technologieën. Indrukwekkende prestaties - waaronder zeer hoge bandbreedte, enorme sensordichtheid en supersnelle latentie - zijn niet gelijktijdig mogelijk met één technologie. Dat betekent dat de belangrijkste 5G-implementaties voor industriële automatisering niet zomaar zullen verschijnen wanneer 5G mobiele netwerkdiensten alomtegenwoordig worden. De hoge sensordichtheid van geautomatiseerde installaties zal IoT-specifieke technologieën vereisen, zoals NB-IoT en LTE-M. Het goede nieuws is dat dergelijke technologieën reeds worden ingevoerd en in toenemende mate beschikbaar komen in de ontwikkelde wereld - en ook in de ontwikkelingslanden. Ingenieurs kunnen de komende jaren een gestage toename van de mogelijkheden van het 5G-netwerk verwachten.

Video: Wat te verwachten met 5G

Het gebruik van 5G voor besturingstoepassingen die een zeer lage latency vereisen, is nog iets verder weg. Technologieën met laag stroomverbruik zoals NB-IoT en LTE-M 5G (en vooral IoT-specifieke aanpassingen) zullen een belangrijke rol spelen bij het realiseren van Industrie 4.0 en het slimmer maken van machines, het flexibeler maken van fabrieken en het minder verspillend maken van processen. Natuurlijk zal 5G blijven concurreren met niet-cellulaire WiFi, Bluetooth en IEEE 802.15.4-gebaseerde technologieën. Uiteindelijk zal dit alles leiden tot een hogere productiviteit van de automatisering.

Kortom, 5G en andere vormen van veilige en flexibele draadloze connectiviteit zullen de sensordichtheid mogelijk maken die nodig is voor big data-analyses om productieprocessen volledig te karakteriseren, onderhoudsprogramma's te optimaliseren, materiaalstromen te coördineren en autonome robot-samenwerkingen mogelijk te maken.