Hoe 5G IoT en industriële IoT zal revolutioneren

Om te achterhalen wat de impact is van 5G mobiele breedbanddienst op IoT/IIoT, interviewde ik Jai Suri, Vice President, IoT en Blockchain Applications Development, Oracle, en Mike Anderson, Embedded Systems Architect, en consultant in de luchtvaartindustrie. Ik vroeg hen of we dichtbij zijn om 5G naar de industrie te brengen of of andere toepassingen waarschijnlijk eerst zullen komen. Volgens hen allebei is het ingewikkeld.

"5G is ontworpen met IoT use cases als kern, terwijl 4G en eerdere standaarden primair ontworpen waren voor spraak en dataoverdracht. Met 4G/LTE maakten snelle datadownloads streaming content mogelijk, en 5G zal ultra-snelle, lage-latentie communicatie en de mogelijkheid om miljoenen apparaten per vierkante kilometer te hanteren, in de handen werken," 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 is van draadloze mobiele breedbandcommunicatie (zie "Understanding the Implications of 5G Cellular", Sensor Technology, maart 2020.) En het is niet slechts één frequentie, het dekt drie banden:

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

• Midden-band dekt het bereik van 2.5 – 3.7 GHz.

• Hoog-band werkt van 25 – 39 GHz. Signalen in dit frequentiebereik worden doorgaans millimolengolven genoemd en zij leveren de extreme prestaties die veel mensen bedoelen als ze aan 5G denken.

5G in de IIoT

The Third Generation Partnership Project (3GPP) is een internationale standaardisatieorganisatie die protocollen ontwikkelt voor mobiele telefonie. Hun Release 15 focuste op 5G voor consumenten, terwijl de huidige Release 16 de focus verplaatst van de consument naar de IIoT en andere industriële markten. Hun intentie is om in de loop van de tijd standaarden te publiceren voor het ontwikkelen en implementeren van een groeiende hoeveelheid 5G-toepassingen.

De uitstekende voordelen van millimolengolf 5G zijn hoge snelheid, lage latentie, hoog aantal aangesloten apparaten en hoge betrouwbaarheid. Met een 5G millimolengolf draadloze verbinding krijg je het soort prestaties dat je van een bedrade link zou verwachten. En vanwege zijn hoge frequentiebereik is het doorgaans niet vatbaar voor elektrische interferentie van nabijgelegen apparatuur.

De grote problemen zijn echter dat millimolengolf 5G geblokkeerd kan worden door een raam en niet ver doordringt. Dat betekent dat je veel 5G-cellen nodig hebt om ervoor te kunnen profiteren. Op een redelijk grote fabrieksvloer heb je waarschijnlijk 20 tot 30 radio's nodig die aan het plafond hangen boven je primaire werkcellen, volgens Anderson.

Industriële toepassingen vereisen doorgaans hoge betrouwbaarheid en 5G kan dat zeker leveren. Zoals Anderson uitlegde: "De huidige 4G-netwerkbetrouwbaarheid is 99,8%. Een vervalpercentage van 0,2% wordt beschouwd als een super-betrouwbare, carrier-grade mobiele telefonienetwerk. Maar de betrouwbaarheidseis voor industriële toepassingen is typisch zes-9's (99,9999%). 5G-netwerken kunnen dat betrouwbaarheidsniveau leveren door celduplicatie, slim gebruik van radiospectrum, en massive MIMO (multiple-in, multiple-out) antennes."

Om een 5G-signaal van een telecomprovider naar binnen in een fabriek te brengen, moet een antenne die eruitziet als een miniatuur cell tower binnenin het gebouw worden geplaatst. Om dit in een industriële toepassing te gebruiken, heb je een veel grotere infrastructuur binnenin het gebouw nodig — je kunt het gebouw niet gewoon doordringen en klaar — het is veel ingewikkelder. Afhankelijk van het frequentiebereik, kun je niet noodzakelijk het signaal aan de andere kant van het gebouw zien. Er zijn girders en allerlei dingen die het signaal zullen absorberen. Dus je hebt meerdere antennes nodig. Wie de fabriek opzet moet ervoor zorgen dat die antennes adequate dekking binnenin het gebouw hebben en dat er geen dode zones zijn.

Prime kandidaten voor 5G

Digitale Tweelingen

Een digitale tweeling is een real-time dynamische representatie van een fysiek systeem. De luchtvaartindustrie gebruikt bijvoorbeeld digitale tweelingen op een meer of minder regelmatige basis. Als je een hele hoop technologie in een satelliet stopt en het in een lage aardenbaan schiet, heeft het waarschijnlijk service nodig. Als er software-updates zijn, kunnen die eerst op aarde getest worden in een digitale tweeling — een real-time digitaal tegenhanger van de satelliet — voordat ze geüpload worden. Om de digitale tweeling up-to-date te houden met het echte ding, moet een grote hoeveelheid data met hoge snelheid worden getransporteerd, wat perfect is voor 5G.

Virtuele en Augmented Reality

Voor virtuele realiteit is detecteerbare latentie onacceptabel. Dus de hoge bandbreedte, hoge doorvoer en lage latentie van 5G is een perfecte match. Een toepassing waar virtuele realiteit nuttig is, in plaats van alleen vermakelijk, is voor simulators om operators te trainen van systemen die dodelijk kunnen zijn als er iets misgaat. Bijvoorbeeld, vliegtuig-, spoorweg- of scheepsoperators, en zeker operators van kernreactoren.

"Ik ben in een trainingsruimte voor een schip geweest, waar je niets ziet behalve blote muren, maar als je de virtuele realiteitsbril opzet, zie je alle bedieningselementen die je normaal in een schip zou verwachten. Als de simulator ook een digitale tweeling is, zullen deze virtuele bedieningen doen wat ze op een echt schip zouden doen," zei Anderson.

"Een andere augmented reality toepassing is het in staat stellen van servicetechnici — en vooral derden — om een hoogkwalitatief reparatiewerk te verrichten. Augmented reality kan hen door het hele reparatieproces leiden, door een voorschrijvend onderhoudsmodel te bieden om het probleem te pinpointen en 3D-animatie visueel over een live videofeed te leggen om de volgorde van stappen te tonen," zei Suri.

Predictief Onderhoud

5G zou ook nuttig zijn voor predictief onderhoud in gevallen waar je een toepassing hebt met grote hoeveelheden streaming data die je wilt volgen en analyseren.

Een kritieke toepassing is voor zeer grote motoren of generatoren die ernstige schade kunnen veroorzaken als ze falen of belangrijke diensten zoals stroomopwekking kunnen onderbreken. Real-time monitoring voor remote apparatuur, zoals het monitoren van gascompressoren in de olie- en gasindustrie, is een ander kritisch use case, volgens Suri.

Een ander voorbeeld: als je een HVAC-bedrijf bent dat dakunits verkoopt, wil je data verzamelen niet alleen voor onderhoud, maar ook over het gebruik. "De kosten van het gebruik van een 4G-netwerk om nuttige data te verzamelen bedragen ongeveer $3 – $5 per maand, dus als ik een bedrijf heb dat dak-HVAC's verkoopt en ik heb 100.000 units deployed, zal de kosten heel significant zijn. En al die data verwerken om nuttige informatie te verkrijgen verhoogt de operationele kosten nog verder," zei Suri. "Als organisaties hun klanten inzichten kunnen geven over stroomverbruik versus comfortniveau, kan die data gebruikt worden om een efficiëntere unit te verkopen — of organisaties kunnen usage-based pricing aanbieden waar ze simpelweg een maandelijkse fee rekenen gebaseerd op het aantal uren dat het draaide."

Edge Computing

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

Edge computing is op diverse manieren voordelig:

• Met 5G kan meer computing aan de edge worden gedaan omdat de edge herdefinieerd kan worden om "lokale clouds" te omvatten. Vroeger moest low-latentie computing aan elke sensorknoop worden gedaan, terwijl minder tijdsgevoelige computing toegewezen kon worden aan een enterprise-netwerk of de publieke cloud. Maar de hoeveelheid computing die aan sensorknopen kon worden gedaan, was extreem beperkt door praktische beperkingen op fysieke grootte en stroomverbruik.

• Met 5G-verbindingen kan data van remote sensoren draadloos worden overgedragen naar 'lokale clouds', bestaande uit off-the-shelf computers. Deze clouds kunnen low-latentie computing uitvoeren, wat besluitvorming dichter bij de bron van de data mogelijk maakt. Pakketten met betekenisvolle informatie in plaats van ruwe data kunnen dan naar zowel enterprise clouds als publieke clouds worden gestuurd voor minder tijdsgevoelige verwerking en opslag.

• Daarnaast willen organisaties misschien de mogelijkheid hebben om gevoelige data te beschermen tegen publieke blootstelling. Edge systemen kunnen data aan 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 killer app zult zien, is bij autonome voertuigen," zei Anderson. "Ze hebben veel sensoren aan boord: lidar, radar, camera's. Deze produceren allemaal grote hoeveelheden data en vereisen heel snelle reactietijden met extrem lage latentie. Autonome voertuigen moeten grote hoeveelheden data over hun omgeving in real-time assimileren en snel reageren."

Communicatie tussen een voertuig en alles in zijn omgeving, inclusief voetgangers, andere auto's en verkeerslichten, staat bekend als V2X. Deze technologie stelt voertuigen in staat om direct met elkaar te communiceren voor botsvermijding. Ook, als een auto een kruising naderen en er is een verkeerslicht en beide zijn verbonden op 5G, kan de auto direct communiceren met het verkeerslicht om de huidige status te begrijpen.

"Om 5G te implementeren voor autonome voertuigen, zou een Staatswegenwacht waarschijnlijk een contract uitbesteden aan een telecomprovider, omdat je hun cell towers en hun ondersteunende infrastructuur wilt benutten," zei Anderson. "Voor hoge data rates en lage latentie heb je minimaal 1 GHz bandbreedte nodig. En als je echt lage latentie wilt, praat je nu in de 25 tot 27 GHz (millimolengolfbereik), wat betekent dat je elke blok in een stad een cell tower nodig hebt. In landelijke gebieden kun je waarschijnlijk ongeveer 5 kilometer tussen torens doen."

Omdat huidige telecom cell towers op ongeveer 20 mijl afstand staan, moeten er veel nieuwe gebouwd worden. 5G millimolengolven vereisen ruwweg vijf keer zoveel cellen als voor normale frequentiebereiken. De redende factor is dat de grootte van een 25 GHz cell tower veel kleiner is dan de bestaande telecom cell towers.

"De realiteit is dat aanvankelijk het millimolengolfband gericht zal zijn op personengebruik, dus die infrastructuur wordt toch gelegd. Dan wordt overcapaciteit verkocht aan de stad of de staat voor gebruik met autonome voertuigen," zei Anderson.

Logistiek

Logistiek kan profiteren van het kunnen traceren en lokaliseren van grote aantallen voertuigen in real-time. Dit zou een bonanza zijn voor vlootmanagers. Zo vaak is het traceren van pakketten neergekommen op retroactief informatie ophalen uit een datalogger. Real-time voertuigtracingssystemen gebruiken GPS en cellulair data om informatie over locatie en bewegingsrichting naar een controlepost te sturen. Die data kan gebruikt worden om routes te troubleshooten of logistieke operaties te optimaliseren. Voertuigtracingssystemen kunnen ook operationele informatie over het voertuig sturen, zoals brandstofniveau, bandenspanning, ontbrandingsstatus en motortemperatuur, die gebruikt kunnen worden om onderhoud te plannen. 5G-gebruik in dit soort toepassing zou ook een killer app kunnen zijn.

Conclusie

De kern is dat 5G een significante impact zal hebben op zowel IoT als IIoT, maar dit zal langzaam ontwikkelen, sommige sectoren eerder en sommige later. Over het algemeen is de tijdlijn voor significante integratie van 5G in IoT/IIoT-toepassingen in de orde van vijf tot tien jaar.

Dit artikel is geschreven door Ed Brown, Editor of Sensor Technology. Voor meer informatie, contacteer Ed op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft JavaScript nodig om het te kunnen zien. of bezoek hier .