יישומי 5G‏ מעשיים באוטומציה תעשייתית

תקשורת אלחוטית הפכה ליותר ויותר קריטית לתקשורת עבור אוטומציה תעשייתית. כיום, התקשורת הסלולרית מהדור החמישי (5G) נחשבת על ידי רבים כטכנולוגיית האלחוט העיקרית לקידום המהפכה התעשייתית הרביעית, Industry 4.0‏ או אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏). מקורות מסוימים אף מצביעים על כך ש- 5G תהיה המפתח להפיכת התקנות IoT לא-תעשייתיות ולצרכנים לנפוצות ביותר מכיוון ש- 5G מאפשר חיבור של מספר הולך וגדל של התקנים, בכל מקום שבו נמצאים התקנים אלה.

איור 1: ה- 3rd Generation Partnership Project‏ (3GPP) מאגד ארגוני תקני טלקומוניקציה כדי להפוך טכנולוגיות טלקומוניקציה סלולריות לתואמות לרוחב ולאחור ככל האפשר. (מקור הלוגו: 3GPP‏)

אך האם 5G יחליף את מערך תקני האלחוט שהם כיום בפעולה? האם 5G יגיע לביצועים טובים יותר מאשר WiFi, Bluetooth ו- IEEE 802.15.4 ביישומים בהם טכנולוגיות אחרות אלו מובילות כיום? או שמא 5G הוא פשוט טכנולוגיה משופרת עבור מעט היישומים האוטומטיים שבהם משתמשים בטכנולוגיות סלולריות ישנות יותר? מהם יתרונות הביצועים של 5G, ובאיזו מידה הם כבר ניתנים למינוף?

כדי להבין את התשובות לשאלות אלה, שקלו תחילה במה 5G שונה מתקשורות סלולרית ולא-סלולרית אחרות. דור 5G - המיושם כיום ברשתות טלפונים-ניידים וברשתות תעשייתיות - מבוסס על הדורות הקודמים של 2G‏, 3G‏ ו- 4G של טכנולוגיות סלולריות דיגיטליות. מעולם לא היה דור 1G, מכיוון שהדור שקדם ל- 2G היה בטכנולוגיית טלפון אלחוטי אנלוגית שלה מעט מאוד מן המשותף עם הרשתות של ימינו. עם 2G הגיעה הטכנולוגיה הדיגיטלית הראשונה וכן תקשורת טלפון מוצפנת ושירות הודעות קצרות (SMS). תקני Global System for Mobile Communications‏ (GSM) מגדירים רשתות מיתוג-מעגלים 2G המאפשרות שיחות קול בדופלקס-מלא. במהלך השנים, רשתות 2G שופרו עוד יותר על ידי טכנולוגיית General Packet Radio Service‏ (GPRS‏) ולאחר מכן טכנולוגיית Enhanced Data Rates for GSM Evolution‏ (EDGE‏). GRPS ו- EDGE אפשרו שידור של מנות (Packets‏) נתונים למטרות-כלליות עבור חיבוריות לאינטרנט עם קצבי נתונים הולכים וגדלים, ולכן רשתות עם יכולות אלה נקראות לפעמים טכנולוגיות 2.5G‏ ו- 2.75G‏ בהתאמה.

דור 3G שיפר עוד יותר את קצב העברת הנתונים - אפילו עד כדי אפשור שיחות וידאו. התקנים הקשורים כוללים CDMA2000 וצורות שונות של High-Speed Packet Access‏ (HSPA‏).

לאחר מכן הגיע דור 4G עם קצבי העברת נתונים גדולים עוד יותר באמצעות תקני Long Term Evolution‏ (LTE) ו- WiMax, המשתמשים בשידורי Multiple-Input and Multiple-Output‏ (MIMO‏).

דור 5G התפתח מ- 4G, עם מוצרי רשת 5G הראשונים הזמינים מסחרית שהושקו בסוף שנת 2018. לפרספקטיבה היסטורית על מה שהוביל להתפתחות זו, קראו מאמר DigiKey זה משנת 2016: כיצד 5G ישנה את האינטרנט של דברים התעשייתי. המעניין ביותר עבור משתמשים פרטיים ומסחריים הוא כיצד רשתות 5G חייבות להיות מסוגלות לתמוך בקצב נתונים של כמה עשרות Mb/sec עבור כמה עשרות-אלפי משתמשים. הן חייבות להיות מסוגלות לספק חיבור של Gbit/sec‏ 1 עבור עשרות אנשים בתוך מקום נתון.

המאפיינים האחרים של 5G הם הרלוונטיים ביותר ליישומי אוטומציה תעשייתית. באופן ספציפי יותר, רשתות 5G חייבות לאפשר מאות אלפי חיבורים בו-זמנית עם שיהוי (Latency) קצר ביותר וכיסוי אמין ביותר. מאפיינים אלו הם המפתח לפרישת חיישנים מסיבית הקשורה ליישומי IIoT ולבקרת מכונות.

קראו את המאמר הקשור בנושא DigiKey‏: נכון להיום, 5G‏ אינו מספק את כל מה שהוא מבטיח

ספקטרום ותקשורת נתונים של גל-מילימטרי

אזהרה אחת היא שריבוי ההתקנים המחוברים ברשתות סלולריות מביא עמו את האיום של מחסור בספקטרום. ככלל, פסי תדרים נמוכים יותר מספקים טווח גדול יותר ואילו פסי תדרים גבוהים יותר מאפשרים מספר גדול יותר של חיבורים בתוך אזור קטן. מקרה לדוגמה: תקן 1G AMPS השתמש בפס-התדרים MHz‏ 800‏ ואילו ה- GSM‏ 2G‏ השתמש תחילה ב- MHz‏ 1,900‏. טלפוני GSM רבים תומכים כיום בשלוש או ארבע פסי-תדרים שונים כדי לאפשר שימוש בינלאומי ... ורשתות סלולריות קיימות פועלות בין MHz‏ 700‏ ו- GHz‏ 2.6‏. עם זאת, מכיוון שה- IoT מגדיל את מספר ההתקנים המתחברים לרשתות סלולריות, הספקטרום הזמין הולך וקטן בפסי-התדרים הקיימים הללו. זו הסיבה ש- 5G החל לדחוף לתדרים גבוהים יותר כמו GHz‏ 6‏ ואפילו מה שמכונה תדרי גל-מילימטרי מעל GHz‏ 24‏ - כולל GHz‏ 28‏ כמו גם GHz‏ 38‏.

איור 2‏: חיברורים במהירות גבוהה Sliver תומכים בקצבי נתונים של Gbps‏ 25‏ ויישומי AAS‏ 5G כולל מרכזי נתונים ומיתוג וניתוב טלקום. (מקור התמונה: TE Connectivity)

תדרי תקשורת של גל-מילימטרי מאפשרים רוחב פס גבוה בהרבה ומספר גדול הרבה יותר של חיבורים. החיסרון הוא ששידור נתונים בתדרים אלה יכול לסבול מטווח מוגבל ופיזור דרמטי בעת מעבר באובייקטים מוצקים. למעשה, תקשורת גל-מילימטרי עשויה להציג פחות ניחות לעומת אלה בתדרים אחרים דרך אוויר יבש - אך תקשורת זו מושפעת מאוד מגשם.

פיתרון אחד הוא למנף את רוחב-הפס הטוב יותר של התדרים הגבוהים הללו (אך להימנע מבעיות טווח) הוא עיצוב האלומה (Beamforming). בטכניקה זו, אלומת תקשורת ממוקדת מכוונת אל מטרה ספציפית ולא סתם משודרת לכל הכיוונים. עיצוב אלומה עשוי בקרוב לתת לתקשורת גל-מילימטרי את תחום התדרים הנמוכים הנפוצים יותר כיום - אפילו תוך הקטנה למינימום של הפרעות תקשורת.

תקן New Radio‏ (NR‏) של 5G‏ הוא בתהליך אפיון כדי להגדיר את טכנולוגיית גישת רדיו עבור 5G‏. הוא כולל שני תחומי תדרים. תחום תדרים 1 הוא מתחת ל- GHz‏ 6‏ ותחום תדרים 2 הוא בתחום גל-מילימטרי מ- GHz‏ 24‏ עד GHz‏ 100‏.

חיבוריות מסיבית עם 5G‏ באוטומציה

הגדלת התדר להשגת יותר ספקטרום תהיה חלק מהפתרון כדי לאפשר חיבוריות מסיבית הדרושה למימוש מלא של הבטחות ה- IoT, כמו צפיפות חיישנים גדולה הרבה יותר. לכן יהיו ככל הנראה שיפורים מיידיים במספר ההתקנים שיכולים להתחבר לרשתות 5G עם פרישתן.

5G‏ בגל-מילימטרי מסוגל לטפל במיליון חיבורי התקנים לכל קילומטר רבוע, אך נדרש Narrowband Internet of Things‏ (NB-IoT‏) כדי להשיג זאת.

NB-IoT היא טכנולוגיה עם צריכת הספק נמוכה המתמקדת בכיסוי לשימושי פנים עבור התקנים בעלות נמוכה והספק נמוך. יכולת חיבוריות NB-IoT הנוכחית נמוכה בהרבה ממיליון התקנים כאשר התאים תומכים כיום ב- 10,000 התקנים. Long Term Evolution for Machines‏ (LTE-M‏) היא טכנולוגיה בהספק נמוך אחרת המספקת קצב נתונים גבוה יותר ושיהוי (Latency) קצר יותר לעומת NB-IoT‏ אך בעלות התקן וצריכת הספק גבוהים יותר. פיתרון נוסף יהיה תאים קטנים יותר, במיוחד באזורים עם ביקוש גבוה.

השיהוי (Latency‏) ב- 5G‏: הערכים שפורסמו והביצועים למעשה

5G אמור להשיג שיהוי של פחות מ- msec‏ 1‏ ... אך מפרט כותרת זה אינו מושג במרבית המקרים. למעשה, עבור הספק נמוך, השיהוי של טכנולוגיית NB-IoT הוא בסביבות שנייה אחת בכיסוי רגיל, וגדל למספר שניות עבור כיסוי מורחב. שיהוי LTE-M הוא מעט טוב יותר, בערך msec‏ 100‏ בטווח רגיל, אך הוא עדיין רחוק מאד מה- msec‏ 1‏ שנדרש עבור יישומי בקרה בזמן-אמת.

איור 3‏: צורות שונות של האימוץ העולמי המהיר של 5G‏. (מקור התמונה: Design World)

השגת שיהוי של מתחת ל- msec‏ 1‏ עם רשת מרכזית אינה אפשרית, מכיוון שהזמן של הלוך ושוב יכול לקחת מ- msec‏ 50‏ עד msec‏ 100‏. הפיתרון לכך הוא ביצוע עיבוד בתוך התא ... אם כי זה מחייב שרתים ברמת התא. זהו למעשה פישוט מסוים, מכיוון שכאשר התקנים מחוברים נעים בין תאים - כמו ברכבים אוטונומיים - יש לשמור על רציפות הבקרה והתיאום. זה בתורו דורש שילוב של בקרה מבוזרת ובקרה מרכזית ברשת. תאים קטנים יכולים גם לסייע בקיצור השיהוי.

שיטה נוספת המשמשת ב- 5G לקיצור זמן השיהוי נקראת פילוח הרשת. כאן, רוחב-הפס של הרשת מחולק לנתיבים הניתנים לניהול בנפרד, כך שחלקם שמורים לשידורים עם זמן שיהוי נמוך על ידי שמירה על תנועה מועטה יותר בנתיבים אלה. לכן יישומי בקרה תעשייתית הדורשים יכולת זו יכולים להשתמש בנתיבים שמורים אלה.

רשתות 5G הנוכחיות משיגות זמן שיהוי של פחות מ- msec‏ 30‏, אך ה- msec‏ 1‏ הנדרש עבור בקרה בזמן-אמת הוא עדיין רחוק מאד.

יתרונות אחרים של 5G: אנרגיה נמוכה ואמינות גבוהה

השימוש בתאים קטנים יותר יפחית באופן טבעי את צריכת האנרגיה אך זה יקוזז במידת מה על ידי מספר ההתקנים הגדול יותר. ניהול אנרגיה חכם יותר ישחק תפקיד בהפחתת צריכת האנרגיה ברשתות 5G. NB-IoT יאפשר חיי סוללה העולים על 10 שנים עבור התקנים רבים, עם טווח של 10 ק"מ.

כיסוי אמין יותר הוא יתרון נוסף של 5G. 5G נפרש במהירות. רשתות NB-IoT ו- LTE-M כבר זמינות במרבית אזורי העולם. הזמינות של נתיבים שמורים עבור שיהוי קצר ברורה מעט פחות בשלב זה.

חיבוריות אלחוטית לא-סלולרית חלופית

טכנולוגיות סלולריות 5G אינן הדרך היחידה לחבר אלחוטית התקנים תעשייתיים. החלופות כוללות טכנולוגיות מבוססות WiFi, Bluetooth ו- IEEE 802.15.4.

השיהוי (Latency‏) של WiFi הוא בדרך כלל msec‏ 20 עד msec‏ 40‏ ויש לו כמה בעיות ביציבות החיבור - כלומר הוא אינו משמש בדרך כלל עבור יישומי בקרה ואוטומציה תעשייתית. עם זאת, הוא משמש כיום לניטור מצב מכונות, חיישני תנועה וסורקי ברקוד. ה- IEEE 802.11ah‏ (WiFi HaLow‏) פועל בסביבות MHz‏ 900 לטווח של 1 ק"מ עם צריכת הספק נמוכה ביותר. זה הופך אותו לתחרותי עם טכנולוגיות 5G ספציפיות ל- IoT, אם כי הוא לא מתקרב לשיהוי הקצר ולצפיפות החיישנים הגבוהה.

ה- Bluetooth Low-Energy‏ (Bluetooth LE‏) מעניק חיבוריות בהספק נמוך ובעלות נמוכה, עם מהירות וטווח מוגבלים, אך הוא מתמקד בהתקנים לצרכנים. טכנולוגיות מבוססות IEEE 802.15.4 גם כן מדגישות עלות נמוכה והספק נמוך על פני מהירות וטווח, עם רק kbit/sec‏ 250‏ וטווח של 10 מטרים בלבד. עם זאת, מכיוון שטופולוגיות רשת Mesh‏ נתמכות, ניתן להרחיב את הרשתות מעבר ל- 10 מטר בתנאי שאף התקן אינו רחוק יותר מ- 10 מטרים מהתקן אחר ברשת. התקני IoT רבים בעלות נמוכה משתמשים בטכנולוגיות כגון 6LoWPAN, WirelessHART ו- ZigBee. הטכנולוגיה הממוקדת ביותר על התעשייה, WirelessHART‏ נתמכת על ידי מגוון רחב של ארגונים תעשייתיים, כולל ABB‏, Siemens‏, Fieldbus ו- Profibus‏.

סיכום

את 5G צריך להחשיב כמשפחה של טכנולוגיות. טענות ביצועים מרשימות - כולל רוחב-פס גבוה ביותר, צפיפות חיישנים מסיבית, ושיהוי (Latency‏) סופר-מהיר - אינן אפשריות בו-זמנית עם טכנולוגיה אחת כלשהי. משמעות הדבר היא שמימושי האוטומציה התעשייתית החשובים ביותר של 5G לא יופיעו פשוט ברגע ששירותי רשתות סלולריות 5G יהפכו לנפוצים בכל מקום. צפיפות החיישנים הגבוהה של התקנות אוטומטיות תדרוש טכנולוגיות ספציפיות ל- IoT כגון NB-IoT ו- LTE-M. החדשות הטובות הן שטכנולוגיות כאלה כבר מושקות ורואים זמינות מוגברת בכל העולם המפותח - כמו גם בעולם המתפתח. המהנדסים יכולים לצפות לשיפורים קבועים ברשתות 5G בשנים הקרובות.

סרטון: למה לצפות עם 5G

השימוש ב- 5G ליישומי בקרה הדורשים שיהוי קצר ביותר נמצא עדיין רחוק יותר. טכנולוגיות הספק נמוך כמו NB-IoT ו- LTE-M 5G (ובעיקר התאמות ספציפיות ל- IoT) ישחקו תפקיד משמעותי במימוש Industry 4.0‏ והפיכתן של מכונות לחכמות יותר, מפעלים לגמישים יותר ותהליכים לפחות בזבזניים. כמובן, 5G תמשיך להתחרות בטכנולוגיות הלא-סלולריות המבוססות WiFi, Bluetooth ו- IEEE 802.15.4. בסופו של דבר, כל זה ידרבן את הפרודוקטיביות של אוטומציה גבוהה יותר.

בקיצור, 5G וצורות אחרות של חיבוריות אלחוטית מאובטחת וגמישה יאפשרו את צפיפות החיישנים הנדרשת עבור אנליזות של ביג דאטה כדי לאפיין באופן מלא את תהליכי הייצור, לייעל את תוכניות התחזוקה, לתאם את זרימות החומרים ולאפשר שיתופי-פעולה רובוטיים אוטונומיים.