Et steg mot Industri 4.0 med private 5G nettverk - Elektronikknett
factory floor
Illustasjon: u-blox

Et steg mot Industri 4.0 med private 5G nettverk

Fag_vignett_80x80

Private 5G-nettverk kan gi et positivt løft for industriell produktivitet, og vil ha viktig påvirkning når det gjelder spektrum, implementeringsstrategier, drift og eierskap. I denne artikkelen ser vi på hvordan og hvorfor.

«Produktivitet er ikke alt, men i det lange løp er det nesten hva som helst,» er økonom og nobelprisvinner Paul Krugman sitert på i en bok nylig utgitt av Verdensbanken, som utforsker Covid-19 pandemiens innvirkning på de synkende tall for den globale produktivitetsveksten. Til tross for at den allerede har hatt en betydelig negativ innflytelse på den globale økonomien, åpner krisen også muligheter: å akselerere implementeringen av digitale teknologier – og blant dem den femte generasjonen av mobilkommunikasjonsteknologier, 5G, og dermed gi den industrielle produktiviteten et kjærkomment løft. 

Industriell 5G-test
En industriell 5G-test som nylig ble utført i Storbritannia viser hvordan og antyder hvor stort dette løftet kan være. I pilotstudien implementerte Worcestershire 5G Consortium et 5G-nettverk i lokalene til Worcester-Bosch, en kjeleprodusent, og Yamazaki Mazak, en maskinverktøybygger. Med fokus utelukkende på én side av bransjen som kan digitaliseres, fabrikkgulvet, resulterte testen angivelig i en robust produktivitetsøkning på to prosent. De som utførte piloten hevder imidlertid at den virkelige muligheten ligger i å utvide den til hele operasjonen. Tenk deg da å implementere denne tilnærmingen på tvers av hele økonomien.

Essensielt for industrien
For noen forbrukere som bor i områder med 5G-dekning, tilbyr teknologien allerede forbedret ytelse, og gir lignende funksjonalitet som 4G LTE, bare bedre. For industrien går teknologien lenger, og åpner helt nye brukstilfeller som var umulige med tidligere generasjoner av mobilteknologi. Suksess hos bedriftskundene vil uansett være viktig for leverandører av mobiltjenester, for å hente inn igjen de betydelige investeringene som trengs for å implementere nettverkene.

En forsmak
Dagens 4G LTE-baserte laveffekt (LPWA) nettverk (LTE-M og NB-IoT), som allerede er en del av 5G-standardene, gir et tidlig innblikk i 5Gs potensial når det gjelder å redefinere hvordan industribedrifter opererer. LPWA-teknologiene kombinerer enkelheten og fleksibiliteten i en trådløs og SIM-sikret enhet med andre viktige funksjoner, som mobilitet.

Forsiktige bedrifter
Men næringslivet har vært forsiktig med å ta i bruk mobilteknologi for å automatisere fabrikkgulv, leveringskjeder og andre driftselementer. Av flere grunner. Til tross for den enkle integrasjonen, fleksibiliteten og den høye ytelsen dette innebærer tilbyr, har de ansvarlige for driftsteknologi (OT) blitt holdt tilbake av risikoene – slik som ansvar, sikkerhet, privatliv – det innebærer å stole på en tredjepart for virksomhetskritiske tjenester.

Håndtering av risiko
I denne artikkelen ser vi på hvordan 5G private nettverk i likhet med det som er implementert av Worcestershire 5G Consortium, nevnt i innledningen, adresserer disse risikoene. Vi vil også se på samspillet mellom behovene til driftsteknologi- (OT) selskapene, spektrumtilgjengelighet, implementeringsalternativer, driftsadministrasjon, tilleggsfunksjonalitet og eierskap.

Private 5G-nettverk i et nøtteskall
Offentlige 5G-nettverk tilbyr mobiltilkobling til alle med en sertifisert og SIM-kortbærende enhet og et abonnement. Private 5G-nettverk begrenser tjenesten til lukkede brukergrupper, typisk i industrien. Fordi kravene til nettverkstilkobling er forskjellige fra brukstilfelle til brukstilfelle, er de eksakte spesifikasjonene til det private nettverket satt for å imøtekomme kravene fra den industrielle partneren, når det gjelder kvalitet på tjenesten, sikkerhet, pålitelighet, ansvar og andre faktorer.

Eksempel: Bilproduksjon

U-blox_5G_Industry_4.0-bilproduksjon car manufacturing Bilproduksjon er en av industriene som vil ha nytte av egenskapene i 5G-nettverk.

Et bilproduksjonsanlegg kan for eksempel ha behov for en blanding av 5G-tilkoblingsfunksjoner for å effektivisere driften, øke produktiviteten og beskytte arbeidstakerne: massiv IoT (eMTC) for å koble svermer av utplasserte industrielle IoT-sensorer til bedriftsskyen, bredbånds IoT (eMBB) for å levere høyhastighets trådløs tilkobling over hele anlegget, og kritisk IoT-tilkobling (uRLLC) for å aktivere VR-baserte støtteverktøy og styre industrielle roboter. I tillegg kan det være ønskelig å utvide tjenesten til biler som ruller av produksjonslinjen utenfor produksjonsanleggets rammer, først til bilforhandlere, deretter til kjøretøyets private eiere, for ytelsesovervåking etter salg.

Skivet og delt – virtuelt
Realisering av 5Gs tre teknologiske søyler - eMTC, eMBB, uRLLC - krever tre viktige ingredienser: tilstrekkelig trådløst spekter i passende frekvensbånd, og enheten og mobilnettinfrastrukturen som trengs for å gi tilgang til den. Se på bredbånds-IoT, som krever en tilstrekkelig bred del av spekteret ved enten sub-6 GHz eller mmWave-spektrum (24 GHz og oppover) for å levere høy gjennomstrømning. Massive IoT bruker derimot frekvensbånd under 2 GHz for å gi forbedret dekning ved lave datahastigheter. Og kritisk IoT-tilkobling utnytter et høysynkronisert transportnett med lav latens raskt nok til å sende datapakker fra den ene sluttenheten til den andre på under 5 millisekunder.

Knapp ressurs
Dette gjør det trådløse spekteret til en knapp ressurs, og hvordan det tildeles industrielle nettverk er et emne for diskusjon. Å gi markedskreftene frie tøyler kan føre til spektrumhamstring og stenge små, mindre velstående bedrifter og etternølere ute av markedet. Omfattende regulering, som å tildele en fast del av spekteret til industrikunder, kan derimot føre til ineffektiv bruk av spektrum, og – helt unødvendig – spise opp en allerede liten kake og at man mister stordriftsfordelene som MNO-er trenger for å få noe igjen for sine investeringer.

Mer kompleksitet
Ikke overraskende benytter forskjellige markeder forskjellige tilnærminger for å fordele spektrum. Disse faller i utgangspunktet i to hovedleire, hvor noen, som Tyskland, Storbritannia og Japan, spesifikt reserverer spektrum for industrielle applikasjoner, og andre, som Frankrike og Italia, tildeler spektrum til MNO-er som da vil fungere som mellomledd. Hvilken tilnærming som vil er den beste vet vi ikke ennå. Det som imidlertid er klart, er at mangfoldet av tilnærminger tilfører et nytt lag av kompleksitet i det allerede fragmenterte mobilnettlandskapet.

Eiendomsbasert?
Til syvende og sist vil målet være å sikre at bedrifter, selv de som kommer sent, på rimelig vis kan skaffe seg det spekteret de trenger for sin virksomhet. En måte å oppnå dette på, og anbefalt av mobilteknologileverandøren Ericsson, er via en eiendomsbasert tilnærming, som fastslår at industrielt spekter over bestemte lokaler bare kan kjøpes av den lokale grunneieren, mens kommunikasjonstjenesteleverandører gis tilgang til ubrukt spektrum for å hjelpe dem å oppfylle etterspørsel i det offentlige nettet.

Den endelige løsningen for spektertildelingen vil måtte involvere to elementer:

  • Trådløst spektrum bør harmoniseres på tvers av territorier for å maksimere det oppnåelige markedet for 5G-enheter og utnytte stordriftsfordelene som muliggjøres av en global kundebase.
  • En eller annen form for nøytrale rettferdighetskriterier vil være nødvendig for å sikre at spektrumtilgjengelighet er forutsigbar over lange tidsperioder, og at majoriteten av interessenter har tilgang til og drar nytte av teknologien.
ublox figurer Implementeringsmuligheter for industrielle private nettverk, hentet fra 5G-ACIA: Figur 1: Implementert som isolert nettverk; Figur 2: Implementert med delt RAN; Figur 3: Implementert med delt RAN og kontrollplan; Figur 4: NPN implementert i offentlig nettverk.

Muligheter på implementeringsmenyen
For å kunne oppfylle deres applikasjonsspesifikke krav uten å kaste bort knappe spekter, har industrikunder en rekke alternativer til rådighet, alt fra å distribuere hele infrastrukturen for mobilkommunikasjonsnettverk i egne lokaler og betjene den selv (eller via en tredjepart, ofte en MNO ), til hybridløsninger der man i varierende grad er avhengig av det offentlige mobilkommunikasjonsnettverket. Disse scenariene blir utforsket mer detaljert i en whitepaper fra 5G Alliance for Connected Industries and Automation, 5G-ACIA. 

Frittstående lokale distribusjoner (alternativ 1) innebærer å sette opp et helt mobilkommunikasjonsnett som eies og drives av industrikunden, og potensielt holder en forbindelse åpen til det offentlige nettverket for å få tilgang til offentlige nettverkstjenester, og muliggjøre roaming for å utvide tilgangen utover området som betjenes.

Hybride distribusjoner derimot, har alle til en viss grad en piggy-back på det offentlige nettverket. Ved å dele bare radiotilgangsnettverket (alternativ 2), kan OT-ledere dra nytte av en praktisk talt isolert skive av 5G-radioaksessnettverket, samtidig som de opprettholder full kontroll og eierskap til kontrollplanet, samt sine egne, ikke-offentlige tjenester. Alternativ 3 delegerer også kontrollplanfunksjoner til det offentlige nettverket. Til slutt har vi alternativ 4 som kjører hele det private nettverket på en dedikert skive av det offentlige nettverket, samtidig som det opprettholdes en kommunikasjonskanal til bedriftsskyen.

Fordeler og ulemper

Det er betydelige fordeler og ulemper ved de ulike tilnærmingene. Å drive et fullt isolert mobilkommunikasjonsnettverk på stedet og påta seg fullt eierskap og ansvar for infrastrukturen gir den høyeste grad av sikkerhet, privatliv og kontroll, men krever dyp teknologisk ekspertise. Den fysiske isolasjonen av nettverket betyr at utvidelse til å dekke andre fabrikker og til det offentlige nettverket, for eksempel for varesporing, administrasjon av forsyningskjeden og logistikk, også må håndteres.

Å sette opp og drive et privat nettverk som en del av det offentlige nettverket krever derimot langt mindre IKT-kompetanse for OT-kundene. Dette kan man hevde vil gjøre en slik løsning mer attraktiv for mindre bedrifter. Å håndtere risikoen for outsourcing av viktig infrastruktur, inkludert å sikre datasikkerhet og håndtere de økonomiske konsekvensene av tjenesteforstyrrelser, krever imidlertid utarbeidelse av juridiske forhold og forpliktelser fra nettverksleverandørens side.

Nytteverdier ved den fjerde industrielle revolusjon
15_robots-building-cars_401_1670 5G vil være essensielt i utvikling av Industri 4.0, mener u-blox.

Investering i et privat nettverk kan bli en katalysator for dypere digitalisering av industrielle prosesser som, som det fremgår av innledningen til denne artikkelen, svarer seg når det gjelder økt produktivitet. I en whitepaper rapporterer Ericsson at digital transformasjon også kan øke selskapets bunnlinje, med en inntektsøkning på 2-3 prosent som følge av økt kapasitet og kvalitet, og 9-18 prosent kostnadsbesparelser ut fra forbedret kapitaleffektivitet og reduserte produksjonskostnader.

Det starter på maskinvarenivå, med trådløst tilkoblede enheter som gir enestående fleksibilitet, noe som gjør dem enklere å sette opp, ta i bruk, vedlikeholde, omkonfigurere og erstatte. Hvis du fjerner kabler, elimineres en av de viktigste svakhetene ved fysisk forbundne installasjoner. Videre er det bransjestyrte 3GPP-konsortiet, som har tilsyn med standardiseringsprosessen som ligger til grunn for 5G-teknologi, forpliktet til å sikre lang levetid for mobilløsninger. Et eksempel på dette: 4G-teknologier med lavt strømforbruk (LPWA) som allerede er distribuert i dag, er allerede en del av serien med 5G-standarder.

Mange anvendelser

Det finnes mange brukstilfeller som vil ha nytte av dypere digitalisering. For eksempel vil smarte digitale tvillinger være i stand til å integrere alle innganger fra distribuerte sensorer i en beregningsmodell for et produksjonsanlegg. 5G-SMART-konsortiet, der u-blox er et aktivt medlem, undersøker de teknologiske kravene til slike systemer. Høy pålitelighet og lav forsinkelse er essensielt for disse virtuelle representasjonene av fabrikkprosesser, for gi meningsfull og verdiskapende innsikt.

Andre eksempler som blir undersøkt av 5G-SMART inkluderer robotstyring i produksjonslinjen, med sitt strenge krav til forsinkelse på maks ett millisekund og pålitelighet med seks nitall (99,9999 prosent); styring av automatiserte guidede biler; og fjernstyring av automatiserte kraner. 5G høykapasitets kommunikasjon med lav latens kan endelig muliggjøre applikasjoner med blandet virkelighet (AR) i fabrikkmiljøet. 5G vil også gi nye ytelsesnivåer når det gjelder nøyaktig distribuert timing og synkronisering for industrielle applikasjoner, og innendørs (og overalt) posisjonering.

Hvordan leve opp til hypen

De siste årene har hypen rundt 5G-teknologien gått nærmest uavbrutt. I anerkjennelse av at forbrukerabonnement alene ikke vil være nok til å betale regningen, har bruk av 5G i industrisektorene blitt viktig for teknologien, for å gi fortjeneste og i beste fall leve opp til hypen. Her vil 5G private nettverk spille en fundamental rolle, og bringe nye nivåer av mobilnettfunksjonalitet til bedrifter samtidig som de reduserer tilknyttede risikoer gjennom virtuell eller fysisk nettverksisolasjon, kontraktbaserte tjenestenivåavtaler og klart definerte forpliktelser.

Med en rekke distribusjonsalternativer kan OT-ledere velge en løsning som balanserer deres ønske om fullt eierskap til mobilnettinfrastrukturen og deres faktiske grad av teknisk ekspertise. Og sist, men ikke minst tilbyr 5G private nettverk et rammeverk som regulatorer kan basere seg på for å sikre effektiv fordeling av spekteret blant konkurrerende offentlige og private interessenter, samt å stimulere konkurranse.

Fortsatt mye å lære

Mens de fleste 5G private nettverk fortsatt er i pilotfasen, og relevante fasetter av 5G-standardene fortsetter å utvikle seg, er det fremdeles mye å lære fra alle involverte interessenter, det være seg nasjonale regulatorer, MNOs, OT-selskaper og til og med 3GPP-konsortiet selv. I dette arbeidet er bransjestyrte konsortier som 5G-ACIA, og mange andre testprosjekter og forsøk som 5G-SMART avgjørende, ikke bare for å undersøke de tekniske kravene 5G-standardene bør adressere, men også for å legge grunnlaget for å etablere beste praksis når det gjelder å distribuere og sertifisere 5G private nettverk, og få mest mulig ut av deres mangeartede fordeler.

Økt produktivitet

Adopsjon av de unike fasettene ved 5G-teknologi, særlig massiv IoT og kritisk IoT-tilkobling, vil sannsynligvis bli ledet av industrielle vertikaler, som står for å være de første til å dra nytte av 5G private nettverk. Men suksess i dette segmentet vil være viktig for å drive adopsjon av 5G og digitalisering generelt i andre segmenter, inkludert satellitt-, maritim- og bilkommunikasjon. Med en verden som allerede spreller i kjølvannet av første halvår av Covid-19-krisen, og ingen åpenbar slutt på pandemien i sikte, vil presset mot økt global produktivitet for å bidra til økonomisk gjenoppretting uten tvil akselerere trendene med digitalisering og 5G adopsjon som allerede er i gang.

Kommentarer