Ключевым элементом решений Industry 4.0 являются сети нового поколения. Сегодня это сети 4.9G/LTE, завтра – 5G. Медные кабели и беспроводные системы Wi-Fi, которые преобладают сегодня в частных и корпоративных сетях, не смогут удовлетворить будущие потребности. Эти системы должны быть дополнены или полностью заменены более устойчивыми, надежными и безопасными беспроводными сетями. В этой статье мы рассмотрим беспроводные сети промышленного уровня и поговорим о том, какой вклад внесут эти сети в реализацию идей Industry 4.0.
Цифровизация стимулирует развитие промышленной автоматизации, повышает эффективность бизнеса и безопасность. Industry 4.0 дает возможность объединить физические и цифровые процессы с помощью максимально гибкого сетевого подключения всех датчиков, машин и сотрудников. Подключение к проводной сетевой инфраструктуре стоит достаточно дорого. Кроме того, оно ограничивает возможности внедрения приложений Industry 4.0. Частные беспроводные сети промышленного уровня полностью раскрывают потенциал Industry 4.0, позволяя внедрять приложения самым гибким и эффективным способом.
Беспроводные решения, которые приходят из мира ИТ (например, Wi-Fi), можно адаптировать для поддержки промышленных приложений, но этот вариант имеет множество ограничений и не позволяет удовлетворить все отраслевые требования. Такие решения хорошо подходят для повседневных деловых коммуникаций, но имеют ограничения в таких параметрах, как надежность, безопасность, мобильность и поддержка множества пользователей. Однако все перечисленные качества сети крайне необходимы для критически важных промышленных приложений.
Рассмотрим, например, горнорудную отрасль, морские порты и аэропорты. Там уже предпринимались попытки внедрить Wi-Fi, но выяснилось, что площади, на которые надо распространить зоны покрытия, слишком велики, а среда слишком сложна. На шахтах и в портах используются удаленно управляемые машины без водителей (грузовики, краны, погрузчики и т.д.). Им нужна мобильная связь с поддержкой широкополосного видео. Технология Wi-Fi не может поддерживать мобильность и не способна обеспечить необходимое качество связи (QoS) для видео.
Мы видим такие же ограничения и в области "умного производства". Сигналы Wi-Fi трудно передавать в промышленной среде с мощными структурами, мешающими прохождению радиоволн, и механизмами, создающими помехи. Wi-Fi не поддерживает мобильные требования автоматических беcпилотных машин и не может справиться с управлением быстродействующими роботами. Wi-Fi не работает с энергоэффективными датчиками и другими устройствами Интернета вещей. И наконец, эта технология не может справиться с типичной для промышленного предприятия высокой плотностью датчиков, устройств, роботов, транспортных средств и сотрудников.
К счастью, на рынке имеются технологии 3GPP, такие как 4.9G*/LTE (а в ближайшем будущем и 5G), которые отлично подходят для строительства частных беспроводных сетей промышленного качества и поддержки приложений Industry 4.0. Они поддерживают лучшие качества проводных и беспроводных технологий (медных кабелей, полевых шин и т.д.) и уже доказали свою работоспособность в мобильных сетях крупных заказчиков во множестве отраслевых сегментов. Для многих отраслей наступило время развертывать частные сети 4.9G/LTE, которые в будущем можно легко модернизировать до уровня 5G.
Примечание.
До недавнего времени технология LTE резервировалась для операторов связи, которые и заняли львиную долю частотного спектра. Но в ответ на требования промышленности и для того, чтобы повысить конкурентоспособность национальной экономики, многие правительства стали выдавать частотные лицензии LTE для частных сетей. Операторы мобильной связи оценили возможности частных сетей LTE и стали сдавать свои частоты в аренду для использования на промышленных площадках.
Федеральная комиссия по связи США выделила диапазон CBRS (Citizen Band Radio Service) для "совместного коммерческого использования". Это значит, что предприятия могут пользоваться этим диапазоном для развертывания частных кампусных сетей. Кроме того, мобильные операторы могут использовать этот диапазон для корпоративных сервисов "частная сеть LTE как услуга". Правительства других стран также выделяют диапазоны частот для использования в промышленности. Доступность частот увеличивают некоторые технологии LTE, способные работать в нелицензируемых или слабо лицензируемых диапазонах.
Один из примеров – решение MulteFire, позволяющее сетям LTE не использовать лицензируемые диапазоны частот. Спецификации MulteFire основаны на стандартах 3GPP, чтобы минимизировать разницу между типами LTE и обеспечить "мирное сосуществование" с другими технологиями, работающими на нелицензируемых частотах. В результате внедрение LTE становится таким же простым и легким, как развертывание сети Wi-Fi. Предприятия могут строить частые сети LTE, не заботясь о разрешении на использование частотного спектра. Что же касается операторов мобильной связи, то они получают возможность строить частные сети LTE в странах, где у них нет частотных разрешений, а также предлагать корпоративные частные сети LTE в полном соответствии с принципом plug-and-play.
Сравнение частных сетей LTE с типовыми средствами связи на предприятиях
Несмотря на преимущества беспроводных и мобильных технологий в таких областях, как зоны покрытия, гибкость, простота и способность подключать всё что угодно (даже отдельные компоненты внутри механизмов) большинство предприятий по-прежнему считают, что высокое качество, надежность и безопасность критически важных коммуникаций могут обеспечить только медные кабели.
Рисунок 2. Уровни критичности корпоративных сетей и сравнение двух основных беспроводных сетевых технологий
Высокую безопасность и надежность медных и волоконно-оптических кабельных сетей трудно превзойти, поэтому такие сети будут и впредь использоваться для управления многими стационарными средствами в промышленной среде. Тем не менее, технология 4.9G/LTE (а в будущем и 5G) также демонстрирует высокую надежность, прогнозируемость и безопасность. Помимо этого, она обладает такими преимуществами, как мобильность и отсутствие проводов. По сравнению с Wi-Fi, технология 4.9G/LTE обеспечивает намного более предсказуемую производительность (стабильные задержки и скорость передачи данных при росте абонентской емкости). Она значительно расширяет многопользовательские возможности, позволяя подключать к одной точке доступа (базовой станции) сотни устройств, машин и сотрудников. В результате она поддерживает гораздо более высокую плотность устройств на той же площади.
В настоящее время технология 4.9G/LTE поддерживает надежную связь для более чем 4 миллиардов пользователей по всему миру, предоставляя им широкополосные услуги на скоростях, сравнимых с фиксированными сетями. Эта технология работает с высокой производительностью в самых сложных условиях, к примеру, на стадионах, вмещающих более 100 тысяч человек, и в сетях нового поколения, которыми оснащены правоохранительные органы, требующие самого высокого уровня безопасности и конфиденциальности. И наконец, 4.9G/LTE поддерживает полную мобильность с надежным механизмом передачи абонента от одной базовой станции к другой, если абонент движется со скоростью до 350 км/ч. Таким образом, эта технология может поддерживать стабильную связь с мобильными сотрудниками и оборудованием, а также с автономными транспортными средствами (беспилотниками, кранами, грузовиками и т.д.).
Рисунок 3. Возможности технологий 3GPP – 4G/LTE и 5G
Многие предприятия, которые попытались установить беспроводные ИТ-технологии Wi-Fi, Wi-Fi MESH и даже Bluetooth (для связи на коротких дистанциях), быстро поняли их ограниченность. Эти технологии отлично подходят для офисных коммуникаций и будут использоваться в этой области и впредь, однако ни они, ни их производительность изначально не были предназначены для критически важных коммуникаций в промышленной среде.
Безопасность остается ахиллесовой пятой Wi-Fi и Bluetooth. Эти технологии очень легко взломать. Что же касается технологий 4.9G/LTE и 5G, то они изначально разрабатывались с учетом строгих требований безопасности. Они используют сквозное шифрование с сильными ключами в беспроводных каналах и пользуются защищенным транспортным протоколом IPsec. SIM-карты и eSIM-карты точно программируются на доступ к той или иной сети. До сих пор ни одна частная сеть LTE не была взломана, в том числе в процессе самых жестких испытаний, проведенных правоохранительными органами, использующими LTE для критически важной экстренной связи.
Для широкого распространения промышленной автоматизации необходимы жесткие требования к синхронизации и высокий уровень надежности сетей, поддерживающих точные производственные процессы и безопасность труда. Однако сетевая технология Wi-Fi работает по принципу “best effort”, то есть не дает гарантий качества.
Надежность частных сетей LTE поддерживается на самом высоком уровне, характерном для старых телефонных сетей ("пять девяток" или 99,999%), и отличается высокой предсказуемостью. Сквозная задержка в частных сетях LTE не выходит за рамки 9-15 мс, а в будущем снизится до 2-8 мс. В сетях 5G минимальная задержка составит менее 1 мс.
Еще одним важным требованием, помимо безопасности и предсказуемости, является доступность радиопокрытия. В целях промышленной автоматизации в производственной среде (в открытых карьерах, портах и на электростанциях) сеть LTE может покрывать территорию в 20 000 кв. км. Как при размещении на высоких потолках (в большинстве промышленных помещений), так и при установке на открытой местности, сети LTE используют гораздо меньше точек доступа, чем сети Wi-Fi. Разница может варьироваться, но если взять в качестве примера открытый карьер, то есть примеры, когда более 150 точек доступа Wi-Fi на открытой местности заменялись десятью компактными базовыми станциями LTE, которые обеспечивали намного более качественное покрытие в помещениях и на всей территории карьера.
LTE поддерживает не только высокую скорость и низкую задержку. Недавно были разработаны стандарты LTE (LTE-M and NB-IoT) для новых классов низкоскоростных устройств. Эти стандарты были созданы для поддержки датчиков Интернета вещей, которые передают данные с невысокой скоростью. Низкий уровень сложности и малая скорость работы этих устройств позволяют модемам LTE-M и NB-IoT в течение нескольких лет работать без замены батарейки, что значительно облегчает установку датчиков в кампусах и машинах.
Этот фактор критически важен для проектов по установке датчиков Интернета вещей, поддерживающих ваши деловые процессы и процедуры. Технологиям Wi-Fi и Bluetooth нужно много энергии, поэтому вам придется либо подключать устройства и датчики к электрической сети (что проблематично, если речь идет об установке датчиков на машинах, находящихся в эксплуатации), либо использовать батарейки, которые придется часто менять. Возможность подключения тысяч сотрудников, устройств и датчиков к одной базовой станции LTE без укладки дополнительных кабелей способна окупить все инвестиции, необходимые для развертывания частной сети LTE.
Ждать 5G или устанавливать LTE?
5G сегодня вызывает огромный интерес, и поневоле может возникнуть вопрос: что лучше, ждать технологию 5G или прямо сегодня инвестировать в 4.9G/LTE? На основе многолетних исследований, проведенных специалистами Nokia Bell Labs, и на основе опыта строительства частных сетей LTE, мы считаем, что от 85 до 90 % современных приложений для промышленной автоматизации могут работать в сетях LTE.
Именно поэтому многие крупные предприятия, реализующие стратегию Industry 4.0, уже развертывают частные сети LTE, которые, по их мнению, позволят получить конкурентные преимущества и сохранить лидирующие позиции в момент, когда на рынке появятся технологии 5G.
Стандарты 5G, как и предыдущие технологии 3GPP, основаны на принципах LTE, но содержат ряд усовершенствований, необходимых для поддержки промышленных отраслевых приложений. Они включают высокую скорость передачи данных, низкую задержку, высокую надежность, масштабируемость и гибкость. В настоящее время разработка стандартов 5G 3GPP продолжается.
Рисунок 4. План выпуска стандартов для технологии 5G
• R15 стал первым релизом стандартов 5G. Он был сфокусирован на расширении возможностей широкополосных мобильных приложений (повышение скорости передачи данных). Он охватывал, главным образом, видеоприложения и почти не учитывал требования Industry 4.0.
• Следующая усовершенствованная версия R15 будет описывать архитектуру 5G SA, которая станет базовой для всех будущих промышленных приложений 5G.
• Релиз R16 (запланированный к выпуску в середине 2020 года) определит первый пакет функций Industry 4.0 (сверхвысокая надежность и низкая задержка). Устройства, поддерживающие эти стандарты, должны появиться на рынке в 2022-2023 годах. Кроме того, R16 определит стандарты для частных серей 5G, включая правила сегментации сетей (network slicing), то есть способность выделять сквозные сетевые ресурсы для конкретного предприятия или приложения.
• Полный набор промышленных функций 5G будет определен в релизах R17 (запланирован к выпуску в 2021 году; первые устройства появятся на год-полтора позже) и R18, где будут описаны функции 5G Massive IoT, Time Sensitive Networking (TSN) и другие ключевые функции, необходимые промышленным приложениям. До этого момента мы будем использовать LTE. Во многих сетях будет использоваться гибридный вариант, то есть сочетание технологий LTE и 5G.
В некоторых странах, где промышленность уже получила доступ к частотам 5G (например, в Германии) есть возможность начать внедрение 5G с релиза R15, однако большинство аналитиков считает, что лучше все-таки начинать с релиза R16. Именно этот релиз определит функции и возможности частных сетей 5G, поэтому всё, установленное ранее, может не вполне соответствовать стандартам. Кроме того, предприятиям важно понять, что потребуется еще несколько лет, прежде чем на рынке появится солидная экосистема производителей устройств 5G, поддерживающих функции R16. Поддержка функций R17 (таких, как TSN) потребует еще больше времени, поэтому предприятиям, которые слишком рано установят сети 5G, может понадобиться замена устройств.
По этой причине мы ожидаем, что большинство частных беспроводных сетей будет постепенно модернизироваться за счет установки базовых станций 5G в существующую среду 4G. В течение долгого времени технологии 4G и 5G будут работать параллельно и одновременно, поддерживая все существующие приложения. Окончательный переход от 4G к 5G произойдет не раньше, чем на рынке появится полномасштабная экосистема 5G.
Заключение
В большинстве рассуждений на тему Industry 4.0 и Интернета вещей не учитывается важнейшая проблема: как подключить все эти датчики и устройства с высокой экономичностью, эффективностью, надежностью и безопасностью? Кабельные подключения совершенно негибки и к тому же чрезвычайно дороги, тем более что нам нужно подключать очень много датчиков, устройств и машин. Wi-Fi не отвечает требованиям производительности, мобильности и безопасности.
К счастью, технология 4.9G/LTE (и в ближайшем будущем 5G) изначально разрабатывалась для перечисленных выше задач, и многие страны, понимая огромное значение этой технологии, уже приступили к лицензированию частотного спектра для промышленных предприятий. Очень важно, что технология 4.9G/LTE проверена в полевых условиях в самой неблагоприятной среде и опирается на зрелую рыночную экосистему. Поэтому, хотя многим предприятиям технология 4.9G/LTE кажется чем-то совершенно новым и даже революционным, она не несет в себе больших рисков, характерных для новых технологий.
Частные сети 4.9G/LTE – это новое поколение промышленных беспроводных технологий, которые доступны уже сегодня. Они поддерживают управляемость, безопасность и гибкость на уровне, который необходим предприятиям для реализации стратегии Industry 4.0. Эти технологии сохранят свое значение даже после появления технологии следующего поколения – 5G, которая будет использоваться в первую очередь для решения самых сложных вопросов по мере их возникновения в будущем.
