Technologia 5G, oprócz oczywistych korzyści dla telefonii komórkowej, będzie także źródłem udoskonaleń w szeregu innych zastosowań. Wyższa szybkość transmisji danych zredukuje opóźnienia podczas pobierania informacji z sieci, lecz znacznie większy wpływ będzie miała na zastosowania pojawiające się w przemyśle i motoryzacji. Przyjrzyjmy się tym zmianom i rozważmy kilka sposobów wykorzystania zalet technologii 5G w przyszłych projektach.

Co 5G będzie oznaczać dla procesów przemysłowych?

Sieci przewodowe Fieldbus, takie jak Profinet, CANBus i Industrial Ethernet, stanowią szkielet komunikacji cyfrowej w wielu dzisiejszych fabrykach. Łączą one czujniki i elementy wykonawcze ze sterownikami przemysłowymi. Jedną z wad komunikacji przewodowej jest to, że wprowadzanie zmian w procesie przemysłowym nie jest proste. Wymaga bowiem manipulowania przewodami przy czujniku, elemencie wykonawczym albo sterowniku przez technika. Jest to czasochłonne i kosztowne, ponieważ produkcja musi zostać wstrzymana na czas wprowadzania zmian.

Każda kolejna generacja telekomunikacji bezprzewodwej oferuje coraz większą prędkość transmisji. Tym niemniej prędkość oferowana przez najnowszą w pełni wdrożoną generację (4G/LTE) jest nadal niewystarczająca, aby zapewnić opóźnienia bliskie zeru wymagane w procesach przemysłowych w czasie rzeczywistym. Kolejnym wyzwaniem związanym z wykorzystaniem telekomunikacji bezprzewodowej w przemyśle są znaczne poziomy zakłóceń elektrycznych w środowiskach fabrycznych powodowanych przez nieustanne włączanie i wyłączanie silników o dużej mocy. Te zakłócenia mogą wpływać na jakość sygnałów bezprzewodowych. 5G oferuje szereg funkcji (patrz rysunek 1), które pomogą pokonać te ograniczenia, zmniejszyć opóźnienia, a jednocześnie zwiększyć wydajność i elastyczność procesów przemysłowych.

Rysunek 1. Technologia 5G zwiększy wydajność wielu aplikacji przemysłowych (źródło: 5GACIA)

Dla menadżerów produkcji w nowoczesnych fabrykach jednym z podstawowych wymogów jest możliwość monitorowania stanu zautomatyzowanego procesu. 5G umożliwi masową komunikację pomiędzy maszynami (mMTC), wymaganą do działania bezprzewodowych sieci czujnikowych (WSN). Nadajniki 5G o niskiej mocy poprawią też wydajność poprzez maksymalizację okresu eksploatacji czujników zasilanych bateryjnie. Zmniejszy to wymogi utrzymania przez personel techniczny.

Przewodowa, przemysłowa sieć Ethernet tradycyjnie obsługiwała technologię Time-Sensitive Networking (TSN), wymaganą do zastosowań w czasie rzeczywistym, takich jak robotyka i sterowanie ruchem w procesach przemysłowych. Natomiast oferowana przez 5G ultra-niezawodna komunikacja o niskich opóźnieniach (URLLC) nadaje się do roli jej bezprzewodowej alternatywy, która pozwoli też zrealizować ideę robotów sterowanych w chmurze.

5G obiecuje przyspieszenie wdrożenia urządzeń brzegowych w halach produkcyjnych oraz zwiększenie wykorzystania wirtualnej rzeczywistości, rozszerzonej rzeczywistości i sztucznej inteligencji (VR/AR/AI). Będzie to możliwe, ponieważ 5G umożliwi szybką komunikację o niskiej latencji bezpośrednio z chmurą. Zmniejszy w ten sposób koszt i złożoność urządzeń eksploatowanych w terenie.

Wyzwania i szanse związane z wdrożeniem 5G

W dającej się przewidzieć przyszłości aplikacje 5G będą musiały współpracować z istniejącymi technologiami sieci przewodowych i bezprzewodowych. Nie będą jednak w stanie całkowicie ich zastąpić. Konieczna więc będzie ich bezproblemowa integracja z obecną infrastrukturą fabryczną. Stanowi to wyzwanie, ponieważ operatorzy sieci komórkowych nigdy nie przywiązywali większej wagi do jakości sygnału w pomieszczeniach. Z tego względu pomysł zastosowania prywatnych (niepublicznych) sieci 5G w zakładach produkcyjnych spodoba się wielu producentom z branży przemysłowej. Technologie Open-RAN mogą także pomóc w zmniejszeniu kosztów eksploatacji radiowego dostępu do sieci 5G (5G RAN), będąc przez to rozwiązaniem, które się opłaca. Twórcy przepisów prawa telekomunikacyjnego na całym świecie wydzielili część dostępnego pasma bezprzewodowego na prywatne wykorzystanie 5G przez firmy, które w zależności od potrzeb będą miały możliwość udostępniania lub pełnego odizolowania swoich prywatnych sieci 5G od sieci publicznych.

5G w erze samochodów podłączonych do sieci

Przewiduje się, że dużym beneficjentem wdrożenia 5G będzie sektor motoryzacyjny. Wprawdzie może upłynąć trochę czasu, zanim na naszych drogach pojawią się w pełni autonomiczne samochody. Lecz pojazdy współpracujące z siecią będą wyposażone w samozarządzające rozwiązania telematyczne, czujniki Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) oraz zaawansowane funkcje informacyjno-rozrywkowe.

Rysunek 2. Technologia 5G umożliwi podłączenie samochodów do sieci (źródło: Mouser)

Samochody w pełni połączone z siecią będą codziennie generować ogromne ilości danych (nawet 4 terabajty). Systemy komunikacyjne C-V2X już z nich korzystają na kilka sposobów. Na przykład dane z systemów obsługi silnika są obecnie wysyłane bezpośrednio do zdalnych centrów serwisowych. Są tam monitorowane na potrzeby konserwacji predykcyjnej. Lokalne warunki drogowe i pogodowe są stale monitorowane przez czujniki w pojeździe. Te informacje te są wykorzystywane w systemach bezpieczeństwa publicznego. Firmy ubezpieczeniowe również używają danych dostarczanych przez te systemy. Pozwalają one bowiem poznać schematy zachowań kierowców, położenie pojazdu i pokonywane odległości, co pomaga im ustalać koszty przyszłych składek.

W ostatnich latach funkcjonalność C-V2X dotrzymywała kroku rozwojowi technologii sieci komórkowych (rysunek 3). Motorem napędowym jest tu 3rd Generation Partnership Project (3GPP). To międzynarodowa organizacja normalizacyjna technologii telekomunikacji komórkowej, w tym dostępu radiowego, sieci szkieletowych i zakresu usług. Organizacja ta udostępnia kompletny opis systemu dla telekomunikacji mobilnej. Wydanie szesnaste tego projektu obejmuje dalsze udoskonalenia zaawansowanych systemów wspomagania kierowcy (ADAS).

Rysunek 3. Ewolucja standardów 3GPP C-V2X (źródło: 5GAA, raport techniczny Timeline for deployment of C-V2X – Update).

Firmy takie jak Tesla, Google i BMW są w trakcie testowania pojazdów w pełni autonomicznych. Wydarzenia te budzą duże zainteresowanie i mają na celu zwiększenie oczekiwań społeczeństwa, aby przyspieszyć przyjęcie się tych pojazdów w przyszłości. Niektóre samochody z najwyższej półki już są wyposażane w technologie C-V2X, zapewniające różne stopnie autonomii (do poziomu 3 włącznie).

Przepustowość dostępna w sieciach 4G/LTE po prostu nie wystarcza dla stale rosnącej ilości danych generowanych w opisanych powyżej zastosowaniach. Systemy o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa wymagają prawie zerowej latencji, aby mogły reagować na zdarzenia w czasie rzeczywistym. Tej nie może zapewnić technologia 4G/LTE. Przez to szybko zaczynamy sobie zdawać sprawę, że bez 5G pojazdy w pełni autonomiczne nie staną się rzeczywistością.

Wnioski

Bezprzewodowa komunikacja w fabrykach i pełna autonomia pojazdów będą możliwe dopiero po pełnym udostępnieniu usprawnień sieci oferowanych przez 5G. Chociaż wdrażanie 5G na wczesnym etapie przebiegało powoli ze względu na wpływ ogólnoświatowej pandemii, drugi i kolejne etapy wdrażania najprawdopodobniej przyspieszą wzrost popytu na tę usługę. To z pewnością będzie czynnikiem sprzyjającym opracowaniu wielu innowacyjnych zastosowań w przyszłości.

Aby uzyskać więcej informacji na temat 5G, odwiedź witrynę „Empowering Innovation Together” firmy Mouser: https://www.mouser.com/empowering-innovation/5G.