Wat zal 5G doen voor het IoT/IIoT?

Om meer te weten te komen over de impact van 5G mobiele breedbandservice op het IoT/IIoT, interviewde ik Jai Suri, Vice President, IoT and Blockchain Applications Development, Oracle, en Mike Anderson, Embedded Systems Architect en consultant in de lucht- en ruimtevaartindustrie. Ik vroeg hen of we dicht bij het introduceren van 5G in de industrie zijn of dat andere toepassingen waarschijnlijk eerst zullen komen. Volgens hen allebei is het ingewikkeld.

"5G is ontworpen met IoT-gebruiksscenario's als kern, terwijl 4G en eerdere standaarden voornamelijk zijn ontworpen voor spraak- en gegevensoverdracht. Met 4G/LTE, snelle gegevensdownloads die streaming inhoud mogelijk maken, en 5G zal ultrasnelle communicatie met lage latentie inluiden en de mogelijkheid om miljoenen apparaten per vierkante kilometer te verwerken, "zei Suri.

Het is belangrijk om te beginnen met een paar verduidelijkingen. De term 5G verwijst niet naar frequentie, het betekent simpelweg dat het de vijfde generatie draadloze mobiele breedbandcommunicatie is (zie "Understanding the Implications of 5G Cellular", Sensor Technology, maart 2020.) En het is niet slechts één frequentie, het omvat drie frequenties. bands:

• Low-band is van 600 – 850 MHz Dit is niet veel meer dan de momenteel beschikbare 4G.

• Mid-band dekt het bereik van 2,5 – 3,7 GHz.

• High-band werkt van 25 – 39 GHz. Signalen in dit frequentiebereik worden over het algemeen millimetergolven genoemd en bieden de extreme prestaties waar veel mensen aan denken als ze aan 5G denken.

5G in het IIoT

Het Third Generation Partnership Project (3GPP) is een internationale normalisatieorganisatie die protocollen voor mobiele telefonie ontwikkelt. Hun release 15 was gericht op 5G voor consumenten, terwijl de huidige release 16 de focus verschuift van de consument naar de IIoT en andere industriële markten. Het is hun bedoeling om in de loop van de tijd normen te publiceren voor het ontwikkelen en implementeren van een groeiend aantal 5G-toepassingen.

De uitstekende voordelen van millimetergolf 5G zijn hoge snelheid, lage latentie, groot aantal aangesloten apparaten en hoge betrouwbaarheid. Met een draadloze verbinding van 5G millimeter krijg je het soort prestaties dat je zou verwachten van een bekabelde verbinding. En vanwege het hoge frequentiebereik is het normaal gesproken niet gevoelig voor elektrische interferentie van apparatuur in de buurt.

De grote problemen zijn echter dat millimetergolf 5G kan worden geblokkeerd door een raam en niet erg ver doordringt. Dat betekent dat je veel 5G-cellen nodig hebt om hiervan te kunnen profiteren. Op een fabrieksvloer van redelijk formaat zou je volgens Anderson waarschijnlijk 20 of 30 radio's aan het plafond boven je primaire werkcellen nodig hebben.

Industriële toepassingen vereisen doorgaans een hoge betrouwbaarheid en 5G kan dat zeker leveren. Zoals Anderson uitlegde:"de huidige betrouwbaarheid van het 4G-netwerk is 99,8%. Een uitvalpercentage van 0,2% wordt beschouwd als een superbetrouwbaar mobiel telefoonnetwerk van carrier-kwaliteit. Maar de betrouwbaarheidseis voor industriële toepassingen is doorgaans zes tot negen seconden (99,9999%). 5G-netwerken kunnen dat niveau van betrouwbaarheid leveren door gebruik te maken van celduplicatie, slim gebruik van het radiospectrum en enorme MIMO-antennes (multiple-in, multiple-out).'

Om een ​​5G-signaal van een telco naar een fabriek te brengen, zou in het gebouw een antenne moeten worden opgesteld die eruitziet als een miniatuur zendmast. Om dit in een industriële toepassing te gebruiken, zou je een veel grotere infrastructuur in het gebouw nodig hebben - je zou niet zomaar het gebouw kunnen binnendringen en je bent klaar - het is een stuk ingewikkelder. Afhankelijk van het frequentiebereik is het mogelijk dat u het signaal aan de andere kant van het gebouw niet per se kunt zien. Er zijn liggers en allerlei dingen die het signaal opvangen. Je hebt dus meerdere antennes nodig. Degene die de fabriek opzet, moet ervoor zorgen dat die antennes voldoende dekking hebben in het gebouw en dat er geen dode hoeken zijn.

Prima kandidaten voor 5G

Digitale tweelingen

Een digitale tweeling is een realtime dynamische weergave van een fysiek systeem. Zo maakt de lucht- en ruimtevaartindustrie min of meer regelmatig gebruik van digital twins. Als je heel veel technologie in een satelliet gaat stoppen en deze in een lage baan om de aarde stuurt, zal deze waarschijnlijk onderhoud nodig hebben. Als er software-updates zijn, kunnen deze eerst op aarde worden getest in een digital twin - een realtime digitale tegenhanger van de satelliet - voordat deze wordt geüpload. Om de digitale tweeling op de hoogte te houden van het echte werk, moet een grote hoeveelheid gegevens met hoge snelheid worden verzonden, wat perfect is voor 5G.

Virtuele en augmented reality

Voor virtual reality is detecteerbare latentie onaanvaardbaar. De hoge bandbreedte, hoge doorvoer en lage latentie van 5G passen dus perfect. Een toepassing waarbij virtual reality nuttig is, in plaats van alleen maar entertainend, is voor simulatoren om operators te trainen van systemen die dodelijk kunnen zijn als er iets misgaat. Bijvoorbeeld exploitanten van vliegtuigen, spoorwegen of schepen, en zeker exploitanten van kernreactoren.

“Ik ben in een trainingsruimte voor een schip geweest, waar je niets anders ziet dan blinde muren, maar als je de virtual reality-bril opzet, zie je alle bedieningselementen die je normaal op een schip zou verwachten. Als de simulator ook een digitale tweeling is, zullen deze virtuele besturingen doen wat ze zouden doen op een echt schip”, aldus Anderson.

"Een andere augmented reality-toepassing stelt servicetechnici - en vooral technici van derden - in staat om een ​​hoogwaardige reparatietaak uit te voeren. Augmented reality zou hen door het hele reparatieproces kunnen leiden, door een prescriptief onderhoudsmodel te bieden om het probleem te lokaliseren en door een visuele overlay van 3D-animatie op een live videofeed om de volgorde van de uit te voeren stappen te laten zien”, aldus Suri.

Voorspellend onderhoud

5G zou ook nuttig zijn voor voorspellend onderhoud in gevallen waarin u een toepassing heeft met grote hoeveelheden streaminggegevens die u wilt volgen en analyseren.

Een kritieke toepassing is voor zeer grote motoren of generatoren die ernstige schade kunnen veroorzaken als ze uitvallen of belangrijke diensten zoals stroomopwekking kunnen onderbreken. Realtime monitoring van apparatuur op afstand, zoals het bewaken van gascompressoren in de olie- en gasindustrie, is volgens Suri een ander kritisch gebruiksscenario.

Een ander voorbeeld is dat als u een HVAC-bedrijf bent dat dakunits verkoopt, u ​​niet alleen gegevens wilt verzamelen voor onderhoud, maar ook over het gebruik ervan. "De kosten van het gebruik van een 4G-netwerk om nuttige gegevens te verzamelen bedragen ongeveer $ 3 - $ 5 per maand, dus als ik een bedrijf heb dat HVAC's op het dak verkoopt en ik 100.000 eenheden heb geïmplementeerd, zullen de kosten zeer aanzienlijk zijn. En het verwerken van al die gegevens om nuttige informatie te verkrijgen, verhoogt de bedrijfskosten nog meer”, aldus Suri. “Als organisaties hun klanten inzicht zouden kunnen bieden in het stroomverbruik versus het comfortniveau, zouden die gegevens kunnen worden gebruikt om een ​​efficiëntere unit te verkopen – of organisaties zouden op gebruik gebaseerde prijzen kunnen aanbieden waarbij ze eenvoudig een maandelijks bedrag in rekening brengen op basis van het aantal uren dat het liep."

Edge-computing

De belofte van 5G van lage latentie, hoge snelheid en hoge betrouwbaarheid, maakt verbeterde edge computing mogelijk om ingenieurs te voorzien van een uitgebreide toolbox voor het ontwerpen van netwerken.

Edge computing is op een aantal manieren nuttig:

• Met 5G kan meer computergebruik aan de rand worden gedaan, omdat de rand opnieuw kan worden gedefinieerd om 'lokale clouds' op te nemen. Voorheen moesten berekeningen met lage latentie worden uitgevoerd op elk sensorknooppunt, terwijl minder tijdgevoelig computergebruik kon worden toegewezen aan een bedrijfsnetwerk of aan de openbare cloud. Maar de hoeveelheid computerwerk die op sensorknooppunten kon worden gedaan, was extreem beperkt vanwege praktische beperkingen op fysieke grootte en stroomverbruik.

• Met 5G-verbindingen kunnen gegevens van sensoren op afstand echter draadloos worden verzonden naar 'lokale wolken', bestaande uit kant-en-klare computers. Deze clouds kunnen low-latency computing uitvoeren, waardoor de besluitvorming dichter bij de bron van de gegevens kan worden gebracht. Pakketten met zinvolle informatie in plaats van onbewerkte gegevens kunnen dan worden verzonden naar zowel enterprise clouds als openbare clouds voor minder tijdgevoelige verwerking en opslag.

• Daarnaast willen organisaties mogelijk de mogelijkheid hebben om gevoelige gegevens te beschermen tegen blootstelling van het publiek. Edge-systemen kunnen gegevens bij de bron verwerken en alleen geanonimiseerde en samengevatte inzichten naar de cloud sturen voor verdere verwerking.

Autonome voertuigen

"Waar ik denk dat je 5G als een geweldige app zult zien, zijn autonome voertuigen", zei Anderson. “Ze hebben veel sensoren:lidar, radar, camera's. Deze produceren allemaal grote hoeveelheden data en vereisen zeer snelle responstijden met extreem lage latency. Autonome voertuigen moeten grote hoeveelheden gegevens over hun omgeving in realtime verwerken en snel reageren.”

Communicatie tussen een voertuig en alles in zijn omgeving, inclusief voetgangers, andere auto's en verkeerslichten, staat bekend als V2X. Met deze technologie kunnen voertuigen rechtstreeks met elkaar communiceren om botsingen te voorkomen. Als een auto een kruispunt nadert en er is een verkeerslicht en beide zijn verbonden op 5G, kan de auto rechtstreeks communiceren met het verkeerslicht om de huidige status te begrijpen.

"Om 5G voor autonome voertuigen te implementeren, zou een State Highway Department waarschijnlijk een contract uitbesteden aan een telecomprovider (telecommunicatie-operator), omdat je gebruik wilt maken van hun zendmasten en hun ondersteunende infrastructuur", zegt Anderson. “Voor hoge datasnelheden en lage latentie heb je minimaal 1 GHz bandbreedte nodig. En als je echt een lage latentie wilt, dan praat je nu in de 25 tot 27 GHz (millimeterbereik), wat betekent dat je elk blok in een stad een zendmast nodig hebt. In landelijke gebieden zou je tussen de torens waarschijnlijk zo'n 5 kilometer kunnen doen.”

Aangezien de huidige telco-zendmasten zich op een afstand van ongeveer 20 mijl bevinden, zouden er veel nieuwe moeten worden gebouwd. 5G millimetergolven vereisen ongeveer vijf keer zoveel cellen als voor de normale frequentiebereiken. De goedmaker is dat de grootte van een 25 GHz zendmast veel kleiner is dan de bestaande telco zendmasten.

“De realiteit is dat de millimetergolfband in eerste instantie gericht zal zijn op het persoonlijk gebruik van mensen, zodat er sowieso infrastructuur komt. Dan wordt overtollige capaciteit verkocht aan de stad of aan de staat voor gebruik met autonome voertuigen”, aldus Anderson.

Logistiek

Logistiek kan profiteren van het in realtime kunnen volgen en lokaliseren van grote aantallen voertuigen. Dit zou een aanwinst zijn voor wagenparkbeheerders. Zo vaak kwam het volgen van pakketten neer op het met terugwerkende kracht ophalen van informatie uit een datalogger. Realtime voertuigvolgsystemen gebruiken echter GPS- en mobiele gegevens om informatie over de locatie en de bewegingsrichting naar een controlestation te verzenden. Die gegevens kunnen worden gebruikt om routes op te lossen of logistieke operaties te optimaliseren. Voertuigvolgsystemen kunnen ook operationele informatie over het voertuig verzenden, zoals brandstofniveaus, bandenspanning, ontstekingsstatus en motortemperatuur die kan worden gebruikt om onderhoud te plannen. 5G-gebruik in dit soort toepassingen kan ook een geweldige app zijn.

Tot slot

Het komt erop neer dat 5G een aanzienlijke impact zal hebben op zowel het IoT als het IIoT, maar dit zal zich langzaam ontwikkelen, sommige sectoren eerder en sommige later. Over het algemeen ligt de tijdlijn voor een aanzienlijke integratie van 5G in IoT/IIoT-toepassingen in de orde van vijf tot tien jaar.

Dit artikel is geschreven door Ed Brown, redacteur van Sensor Technology. Neem voor meer informatie contact op met Ed via Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier .