Käytännön 5G-sovellukset teollisuusautomaatiossa

Langattomasta viestinnästä on tullut yhä tärkeämpää teollisuusautomaation tietoliikenteessä. Viidennen sukupolven (5G) matkaviestintää pidetään nykyään laajalti keskeisenä langattomana teknologiana mahdollistamassa neljäs teollinen vallankumous – teollisuus 4.0 tai teollinen esineiden internet (IIoT). Joidenkin lähteiden mukaan 5G on jopa avainasemassa kuluttajien ja muiden kuin teollisten IoT-laitteistojen yleistymisessä, koska 5G mahdollistaa huikean suuren laitemäärän yhdistämisen riippumatta siitä, missä laitteet sattuvat sijaitsemaan.

Kuva 1: 3GPP (3rd Generation Partnership Project) yhdistää televiestintäalan standardointiorganisaatiot, jotta matkaviestintätekniikoista saataisiin mahdollisimman yhteensopivia sekä keskenään että taaksepäin. (Logon lähde: 3GPP)

Mutta tuleeko 5G korvaamaan tällä hetkellä käytössä olevat langattomat standardit? Tuleeko 5G päihittämään WiFi:n, Bluetoothin ja IEEE 802.15.4:n sovelluksissa, joissa nämä muut tekniikat ovat tällä hetkellä johtavia? Vai onko 5G vain paranneltu teknologia niitä harvoja automatisoituja sovelluksia varten, joissa käytetään vanhempia matkaviestinteknologioita? Mitkä ovat 5G:n suorituskykyedut, ja missä määrin niitä voidaan jo hyödyntää?

Ymmärtääksemme vastaukset näihin kysymyksiin on ensin pohdittava, miten 5G eroaa muusta matkaviestinnästä ja muusta kuin matkaviestinnästä. Matkapuhelin- ja teollisuusverkkoja varten parhaillaan käyttöön otettava 5G perustuu digitaalisen matkapuhelinteknologian aiempiin 2G-, 3G- ja 4G-sukupolviin. 1G:tä ei koskaan ollutkaan, sillä 2G:n edeltäjä oli analoginen langaton puhelinteknologia, jolla oli vain vähän yhteistä nykyisten verkkojen kanssa. 2G:n myötä tuli ensimmäinen digitaalitekniikka ja salattu puhelin- ja tekstiviestiliikenne (SMS). GSM-standardit (Global System for Mobile Communications) määrittelevät 2G:n piirikytkentäiset verkot, jotka mahdollistavat täysin kaksisuuntaiset puhelut. Vuosien mittaan 2G-verkkoja kehitettiin edelleen ensimmäisellä General Packet Radio Service (GPRS) -palvelulla ja myöhemmin Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) -palvelulla. GRPS ja EDGE mahdollistivat yleiskäyttöisten datapakettien lähettämisen internet-yhteyksiä varten kasvavilla tiedonsiirtonopeuksilla, minkä vuoksi näitä ominaisuuksia sisältäviä verkkoja kutsutaan joskus 2,5G- ja 2,75G-tekniikoiksi.

3G paransi tiedonsiirtonopeuksia entisestään mahdollistaen jopa videopuhelut. Siihen liittyviä standardeja ovat CDMA2000 ja HSPA (High-Speed Packet Access).

Seuraavaksi tuli 4G ja vieläkin suuremmat tiedonsiirtonopeudet Long Term Evolution- (LTE) ja WiMax-standardien avulla, joissa käytetään MIMO-lähetyksiä (multiple-input and multiple-output).

5G kehittyi 4G:stä, ja ensimmäiset kaupallisesti saatavilla olevat 5G-verkkotuotteet julkistettiin vuoden 2018 lopulla. Historiallinen näkökulma tähän kehitykseen johtaneista vaiheista löytyy tästä vuoden 2016 DigiKey-artikkelista: How 5G Will Change the Industrial Internet of Things (Miten 5G muuttaa teollista esineiden internetiä). Yksityisiä ja kaupallisia käyttäjiä kiinnostaa eniten se, miten 5G-verkkojen täytyy pystyä tukemaan kymmenien tuhansien käyttäjien tiedonsiirtonopeuksia, jotka ovat useita kymmeniä megabittejä sekunnissa. Niiden on myös pystyttävä tarjoamaan 1 gbps:n yhteys kymmenille ihmisille samassa toimistossa.

On myös muita 5G:n ominaisuuksia, jotka ovat tärkeimpiä teollisuusautomaatiosovelluksissa. Tarkemmin sanottuna 5G-verkkojen on mahdollistettava satojen tuhansien samanaikaisten yhteyksien muodostaminen erittäin alhaisella latenssilla ja erittäin luotettavalla kattavuudella. Nämä ominaisuudet ovat avainasemassa IIoT- ja koneohjaussovelluksiin liittyvässä anturien massiivisessa käytössä.

Lue aiheeseen liittyvä DigiKey-artikkeli: 5G Doesn't Currently Provide All That It Promises (5G ei täytä tällä hetkellä kaikkia lupauksiaan)

Taajuusalue ja millimetriaaltoja käyttävä tietoliikenne

Yksi ongelma on se, että matkaviestinverkkoihin liitettyjen laitteiden yleistyminen tuo mukanaan uhan taajuuskaistan loppumisesta. Matalammat taajuusalueet tarjoavat yleensä pidemmän kantaman, kun taas korkeammat taajuusalueet mahdollistavat suuremman määrän yhteyksiä pienellä alueella. Esimerkkitapaus: 1G AMPS-standardi käytti 800 MHz:n taajuusaluetta, kun taas 2G GSM käytti alun perin 1900 MHz:n taajuusaluetta. Monet GSM-puhelimet tukevat nykyään kolmea tai neljää eri taajuusaluetta kansainvälisen käytön mahdollistamiseksi – ja nykyiset matkaviestinverkot toimivat 700 MHz:n ja 2,6 GHz:n välillä. Koska esineiden internetin myötä mobiiliverkkoihin liitettävien laitteiden määrä kuitenkin kasvaa, näillä nykyisillä taajuusalueilla on yhä vähemmän taajuuskaistaa käytettävissä. Siksi 5G on alkanut käyttää yhä korkeampia taajuuksia, kuten 6 GHz ja jopa yli 24 GHz:n niin sanottuja millimetriaaltotaajuuksia. Näihin kuuluvat myös 28 GHz ja 38 GHz.

Kuva 2: Sliverin nopeat liitännät tukevat 25 gbps:n tiedonsiirtonopeuksia ja 5G AAS -sovelluksia, mukaan lukien datakeskukset sekä tietoliikenteen kytkentä ja reititys. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Millimetriaaltoiset tiedonsiirtotaajuudet mahdollistavat paljon suuremman kaistanleveyden ja erittäin suuren määrän yhteyksiä. Huonona puolena on se, että näillä taajuuksilla tapahtuvan tiedonsiirron kantama on rajallinen ja siinä voi ilmetä huomattavia häviöitä yhteyden kulkiessa kiinteiden objektien läpi. Itse asiassa millimetriaaltotiedonsiirrossa saattaa esiintyä vähemmän vaimennusta kuin muilla taajuuksilla kuivassa ilmassa tapahtuvassa tiedonsiirrossa, mutta sade haittaa voimakkaasti tätä tiedonsiirtoa.

Yksi ratkaisu näiden korkeampien taajuuksien parempaan kaistanleveyden hyödyntämiseen (mutta kantamaongelmien välttämiseen) on säteenmuodostus. Tässä tekniikassa kohdennettu tietoliikennesäde ohjataan tiettyyn kohteeseen eikä sitä vain lähetetä yksinkertaisesti kaikkiin suuntiin. Säteenmuodostuksen avulla millimetriaaltotiedonsiirrossa voidaan pian saavuttaa nykyisin yleisesti käytettävien matalampien taajuuksien kantama - ja samalla minimoida tiedonsiirron häiriöt.

5G New Radio (NR) -standardia ollaan luomassa 5G:n radioliityntätekniikan määrittelemiseksi. Se sisältää kaksi taajuusaluetta. Taajuusalue 1 on alle 6 GHz:n taajuusalue, ja taajuusalue 2 on 24–100 GHz:n millimetriaaltoalueella.

Massiivinen liitettävyys 5G:n avulla automaatiossa

Taajuuden kasvattaminen taajuuskaistan lisäämiseksi tulee olemaan osa ratkaisua, jolla mahdollistetaan massiivinen liitettävyys, jota tarvitaan esineiden internetin lupausten toteuttamiseksi, esimerkkinä paljon suurempi anturitiheys. Näin ollen 5G-verkkoihin yhdistettävien laitteiden määrässä tulee todennäköisesti tapahtumaan välittömästi parannuksia, kun näitä verkkoja otetaan käyttöön.

Millimetriaalto-5G pystyy käsittelemään miljoona laiteyhteyttä neliökilometriä kohden, mutta tämä edellyttää kapeakaistaista esineiden internetiä (Narrowband Internet of Things, NB-IoT).

NB-IoT on vähävirtainen tekniikka, joka keskittyy edullisiin ja pienitehoisiin laitteisiin sisätiloissa. Nykyinen NB-IoT-yhdistettävyys on kaukana miljoonasta laitteesta, ja solut tukevat tällä hetkellä 10 000 laitetta. Long Term Evolution for Machines (LTE-M) on toinen vähävirtainen tekniikka, joka tarjoaa NB-IoT:tä korkeamman tiedonsiirtonopeuden ja alhaisemman latenssin, mutta jonka laitekustannukset ja virrankulutus ovat suuremmat. Toinen ratkaisu ovat pienemmät solut erityisesti suuren kysynnän alueilla.

5G-latenssi: julkistetut arvot ja todellinen suorituskyky

5G:n pitäisi saavuttaa alle 1 ms:n latenssi – mutta tätä pääspesifikaatiota ei useimmiten saavuteta. Vähävirtaisen NB-IoT-tekniikan latenssi on itse asiassa noin yksi sekunti normaalilla peittoalueella ja se kasvaa useisiin sekunteihin peittoalueen kasvaessa. LTE-M:n latenssi on jonkin verran parempi, noin 100 millisekuntia normaalialueella, mutta se ei silti ole lähelläkään reaaliaikaisissa valvontasovelluksissa vaadittavaa 1 millisekuntia.

Kuva 3: 5G:n eri muodot on otettu nopeasti käyttöön maailmanlaajuisesti. (Kuvan lähde: Design World)

Keskitetyn verkon avulla on mahdotonta saavuttaa alle 1 millisekunnin latenssia, koska edestakainen matka voi kestää 50–100 ms. Ratkaisu tähän on suorittaa prosessointi solun sisällä – mutta se edellyttää palvelimia solutasolla. Tämä esittää asian yksinkertaistettuna, sillä kun liitetyt laitteet liikkuvat solujen välillä – kuten autonomisissa ajoneuvoissa – valvonnan ja koordinoinnin jatkuvuus on säilytettävä. Tämä puolestaan edellyttää hajautetun ja keskitetyn ohjauksen yhdistelmää verkon sisällä. Myös pienet solut vähentävät latenssia.

Toista menetelmää latenssin vähentämiseen 5G-verkossa kutsutaan verkon viipaloinniksi. Tällöin verkon kaistanleveys jaetaan kaistoihin, joita voidaan hallita erikseen siten, että osa kaistoista varataan alhaisen latenssin siirtoihin pitämällä liikenne näillä kaistoilla vähäisempänä. Teollisuuden ohjaussovellukset, jotka vaativat tätä ominaisuutta, voivat näin ollen käyttää näitä varattuja kaistoja.

Nykyiset 5G-verkot saavuttavat alle 30 millisekunnin latenssin, mutta reaaliaikaiseen ohjaukseen tarvittava 1 millisekunnin latenssi on vielä kaukana.

Muita 5G:n etuja: vähäinen energiankulutus ja korkea luotettavuus

Pienempien solujen käyttö vähentää luonnollisesti energiankulutusta, mutta laitteiden suurempi määrä tasaa sitä jonkin verran. Älykkäämpi energianhallinta vaikuttaa myös osaltaan 5G-verkon energiankulutuksen vähentämiseen. NB-IoT mahdollistaa monille laitteille yli 10 vuoden akkukeston 10 kilometrin kantamalla.

Luotettavampi kantama onkin toinen 5G:n etu. 5G:n käyttöönotto on nopeaa. NB-IoT- ja LTE-M-verkot ovat jo saatavilla suuressa osassa maailmaa. Matalalle latenssille varattujen kaistojen saatavuus on tässä vaiheessa hieman epäselvempää.

Vaihtoehtoiset langattomat yhteydet ilman soluja

5G-matkaviestintekniikat eivät ole ainoa tapa yhdistää teollisuuslaitteita langattomasti. Vaihtoehtoja ovat WiFi, Bluetooth ja IEEE 802.15.4 -pohjaiset tekniikat.

WiFin latenssi on tyypillisesti 20–40 millisekuntia, ja siihen liittyy joitakin yhteyden vakauteen liittyviä ongelmia, joten sitä ei yleensä käytetä ohjaus- ja teollisuusautomaatiosovelluksissa. WiFiä käytetään kuitenkin tällä hetkellä koneiden kunnonvalvonnassa, liiketunnistimissa ja viivakoodinlukijoissa. IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) toimii noin 900 MHz:n taajuudella jopa 1 km:n etäisyyksillä ja sen virrankulutus on erittäin alhainen. Tämä tekee siitä kilpailukykyisen IoT-kohtaisten 5G-teknologioiden kanssa, vaikka se ei pysty vastaamaan alhaisen latenssin ja suuren anturitiheyden haasteisiin.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) tarjoaa edullisen ja pienitehoisen yhteyden, jonka nopeus ja kantama ovat rajalliset, mutta se on suunnattu kuluttajalaitteisiin. Myös IEEE 802.15.4 -standardiin perustuvissa tekniikoissa korostuvat edullisuus ja alhainen virrankulutus nopeuden ja kantaman sijaan, sillä niiden nopeus on vain 250 kbps ja kantama pelkästään 10 metriä. Koska se kuitenkin tukee mesh-verkkotopologioita, verkkoja voidaan kuitenkin laajentaa yli 10 metrin etäisyydelle edellyttäen, että yksikään laite ei ole yli 10 metrin päässä jostakin toisesta verkkoon kuuluvasta laitteesta. Monet edulliset IoT-laitteet käyttävät 6LoWPAN-, WirelessHART- ja ZigBee-tekniikoita. WirelessHART on näistä teknologioista teollisuuspainotteisin, ja sitä tukevat monet teollisuusorganisaatiot, kuten ABB, Siemens, Fieldbus Foundation ja Profibus.

Yhteenveto

5G on katsottava teknologiakokonaisuudeksi. Vaikuttavia suorituskykylupauksia – kuten erittäin suurta kaistanleveyttä, massiivista anturitiheyttä ja huippunopeaa latenssia – ei voida saavuttaa samanaikaisesti millään yksittäisellä teknologialla. Tämä tarkoittaa sitä, että kaikkein tärkeimmät teollisuusautomaation 5G-toteutukset eivät yksinkertaisesti tule ilmestymään sitä mukaa, kun 5G-mobiiliverkkopalvelut yleistyvät. Automatisoitujen laitosten suuri anturitiheys edellyttää IoT-kohtaisia teknologioita, kuten NB-IoT ja LTE-M. Hyvä uutinen on, että tällaisia teknologioita otetaan jo käyttöön ja niiden saatavuus lisääntyy kaikkialla kehittyneessä maailmassa – samoin kuin kehitysmaissa. Insinöörit voivat odottaa 5G-verkkokapasiteetin tasaista kasvua tulevina vuosina.

Video: Mitä odottaa 5G:ltä

5G:n käyttö erittäin alhaista latenssia vaativissa valvontasovelluksissa on vielä jonkin matkan päässä. NB-IoT:n ja LTE-M 5G:n kaltaisilla pienitehoisilla teknologioilla (ja erityisesti IoT-kohtaisilla mukautuksilla) tulee olemaan merkittävä rooli teollisuus 4.0 -aloitteen toteuttamisessa, kun koneista tehdään älykkäämpiä, tehtaista joustavampia ja prosesseista vähemmän tuhlaavia. 5G kilpailee tietenkin edelleen soluttomien WiFi-, Bluetooth- ja IEEE 802.15.4 -pohjaisten teknologioiden kanssa. Viime kädessä kaikki tämä lisää automaation tuottavuutta.

Lyhyesti sanottuna 5G ja muut turvallisen ja joustavan langattoman yhteyden muodot mahdollistavat big data -analytiikan edellyttämän anturitiheyden, jonka avulla tuotantoprosesseille voidaan suorittaa täysi karakterisointi, huolto-ohjelmien optimointi, materiaalivirtojen koordinointi ja se mahdollistaa myös autonomisen robottiyhteistyön.