شناسايي 5G در IOT صنعتی

مقدمه

رشد سریع و استفاده فراگیر از فن آوری­های سلولی طی 20 سال گذشته، اساساً روش زندگی، کار و ارتباط ما را با یکدیگر به صورت محلی، منطقه ای و جهانی تغییر داده است. اين تکنولوژی با اتصال و حركت دستگاه برای خدمات صوتی شروع شد و به سرعت به سمت طیف وسیعی از خدمات داده، موارد كاربري و مدل های تجاري وابسته رشد كرد.

با نزديك شدن به سال 2020 ، ما در برابر یک پدیده تکنولوژیکی جدید ایستاده ایم : تكنولوژي تلفن های همراه نسل پنجم، كه با عنوان 5G بهتر شناخته می شود. 5G به عنوان یکی از اجزای مهم انقلاب صنعتی چهارم توسط مجمع اقتصادی جهانی به عنوان “تکنولوژی بزرگ بعدی برای مشتریان بی سیم” مورد استفاده قرار می گیرد.

(منبع: New 5G networks aimed at cord cutters, Jefferson Graham, USA Today, Aug. 30, 2018)

و در عین حال، با این که وعده تکنولوژی 5G عالی است، این فناوری هنوز جوان و در حال تکامل است. شرکت ها شروع به فروش محصولات و خدمات گوناگونی مانند مودم های صنعتی می کنند که بر روی 5G اجرا خواهند شد اما واقعیت این است که برای استقرار در مسیر اصلی آماده نیستند. این تحول یک سفر چند ساله خواهد بود چرا که توسعه تولید نیاز به مشخصات پایدار، اجرای کیفیت و پشتیبانی از اکوسیستم های حمایتی دارد که لازم است قبل از در دسترس قرار گیری گسترده برقرار شود.

تکنولوژی 5G چیست؟

نمودار زمانی برای گسترش 5G به احتمال زیاد برای کسب و کارها و صنایع مختلف، بسته به فعالیت های آنها و استفاده از تکنولوژی پیشنهادی، متفاوت خواهد بود. با این وجود، واضح است که پنج سال آینده موفقيت براي بسیاری از کسب و کارها بسیار سخت خواهد بود – صنايعي از قبيل استاندارد سازی و توسعه محصولات برای ارائه دهندگان خدمات، برنامه ریزی برای خدمات کسب و کار جدید و ارتقاء زیرساخت ها (بدون در نظر گرفتن جنبه های كسب مجوز هاي جدید) برای مشتریان IloT تجزیه و تحلیل شبکه ها و تکامل پروتکل ها برای افزایش عملکردشان و کسب و کار هایی برای جذب مشتری توسط دستگاه ها و خدمات جدید.

قبل از معرفی فن آوری5G و مزایای آن، اجازه دهید توسعه نگارش3GPP را برای 5G بررسی کنیم. نگارش3GPP شامل تعداد زیادی مستندات استاندارد است که تمام جنبه های فن آوری (دسترسی، هسته، امنیت و غیره) را پوشش می دهد. این مستندات توسط گروه های مشخصات فنی و گروه های کاری 3GPP توسعه یافته و در نسخه های اصلی جمع آوری شده است.نگارش های 15 و 16 3GPP در حال حاضر اهداف اصلی برای معماری 5G می باشد که شامل هسته 5G و شبکه رادیو نسل جدید (NG-RAN) است. نگارش 17 و بالاتر پیشرفت های بیشتری را اضافه می کند که هنوز مشخص نشده اند.

سازمان استانداردهای مختلفي ، از جمله ITU، 3GPP و IETF، همچنین به نيازمندي ها، قابليت ها، تعاملات و مشخصات 5G کمک می کنند.

چشم انداز 5G

بازارهای موبايلي امروزه که عمدتاً بر روی موقعيت مشتري تمرکز دارد محدودیت هایی را آشكار مي نمايد كه موجب تحول هايي در بر آوردن نيازمندي ها مي شود، به ویژه آنهايي كه با موارد كاربري جديد مانند وسايل نقليه مستقل مرتبط یا صنعت 4.0 ارتباط دارند. اکوسیستم 5G وعده ی یک جامعه موبایل متصل را داده است که موجب یک تحول اجتماعی و اقتصادی با گسترش اینترنت به مقیاس وسیع در ماشین آلات و دستگاه های با اتصالات دسترسی متنوع می شود. این اتصال متداول باید رشد اقتصادی خدمات جدید را تقویت کند و انتظار می رود که به طور قابل ملاحظه ای بر اقتصاد کلان که با رشد پایدار و مدل های کسب و کار به عنوان انقلاب چهارم صنعتی مطرح شده است، تاثیر بگذارد.

معماری سیستم 5G برای ارائه بیشتر از یک رابط رادیویی جدید با استفاده از فرکانس های بالاتر که ظرفیت بیشتر و تراکم و کارایی بالاتری دارند طراحی شده است. همچنین از مجموعه ای از نوآوری ها مانند ورودی های چندگانه عظیم، خروجی چندگانه (MIMO)، RAN ابری و قسمت بندی شبکه پشتیبانی می کند. علاوه بر این، معماری 5G از تکنولوژی های دسترسی چندگانه با شبکه های دارای مجوز و بدون مجوز و همچنین ماژول های شبکه مجازی پشتیبانی می کند که می توانند در یک مدل خودکار و مقرون به صرفه برای نوآوری در تولید، خودرو، حمل و نقل، خدمات عمومی، امنیت عمومی، رسانه ها و مراقبت های بهداشتی، در میان دیگر صنایع عمودی گسترش پیدا کنند و درجه بندی شوند.

IoT و 5G در شرکت ها

شبکه های IoT صنعتی طیف گسترده ای از موارد کاربردی – از شرکت های توسعه یافته تا بازارها و خدمات عمودی (سرپا / ایستاده)- را با نیازمندی های مختلف که به طور کلی توسط معماری و مشخصات صنعتی توصیف شده است پوشش می دهد.

در حالی که نگارش های مختلفی از پروتکل های شبکه های صنعتی وجود دارد، آنها بر روی انواع فن آوری های دسترسی، سیمی و بی سیم (تا زمانی که فن آوری های دسترسی به نیازهای آنها پاسخ می دهد) اجرا می شود. با توجه به سه وعده اصلی 5G ، که در سه دسته اصلی eMBB, uRLLC و mIoT دسته بندی شده اند، این مبحث زمان ارزیابی نسل های جدید فن آوری هایی که در شرکت ها پذیرفته می شوند مورد بررسی واقع می شوند. این بخش بر روی مواردی بحث می کند که مربوط به سرفصل سرمایه گذاری بر روی 5G مي باشد، اين دانش همیشه براي پيدا كردن یک تکنولوژی که مطابق با تمام نيازمندي ها باشد تلاش مي كند.

در 5G IoT براي شركت، توافقنامه سطح خدمات (SLA) و ابزارهای خودكار که دامنه SP و شركت را اتصال خواهد داد، کلیدهايی برای توسعه موفقیت آمیز مي باشند. این منطقه ای است که در آن هنوز راه حل هايي ارائه می شود.

5G و نوآوري هاي IoT

همانطور که در مقدمه آمده است، 5G یکی از اجزای انقلاب صنعتی چهارم است. این تكنولوژي به نوآوری در زمینه های مختلف صنعتي ، مانند موارد زیر كمك خواهد كرد :

وسيله نقليه با همه چیز (V2X)

نوآوری ها در وسایل ارتباطي متصل با چشم انداز سیستم های حمل و نقل مستقل نیاز به زیرساختي دارد که بتواند توان عملياتي بالايي را براي سرگرمي (infotainment) در خودرو و خدمات فوق العاده قابل اطمینان و کم تاخيري برای رانندگی كمكي فراهم کند.مودم های صنعتی برند های آیسون و آنتایرا علاوه بر IEEE 802.11p موجود و تکنولوژی ارتباطات با برد کوتاه اختصاصی (DSRC) ، 5G وعده ارتباط قابل اعتماد و بدون درنگ با سرعت بالا بر روی یک معماری توزیع شده مورد نیاز برای پشتیبانی از انتقال وسایل ارتباطي، زیرساخت های شبکه و حمل و نقل را داده است.

وسیله نقليه با همه چيز[1]، مبادلات داده بین وسایل ارتباطي، زیرساخت ها، عابرین پیاده و برنامه های اجرا شده در لبه و ابر را فراهم می کند. V2X می تواند با استفاده از تکنیک های مختلفی برای افزایش ایمنی جاده ها مورد استفاده قرار گیرد:

• گروه بندی وسایل نقلیه [2]

وسایل نقلیه را قادر می سازد تا از یک گروه به صورت پویا با یکدیگر مسافرت کنند. به عنوان مثال : کامیون ها بارها را در مسافت های طولانی و با زمان رانندگی زیاد در جاده ها حمل می کنند. V2X موجب می شود کامیون ها کاروانی به صورت ارتباط کامیون به کامیون و با یک کامیون راهبر تشکیل دهند. همه کامیون ها در این گروه از کامیون راهبر داده هایی را دریافت می کنند تا عملیات گروه را انجام دهند. این موضوع موجب می شود راننده ها استراحت کنند و فرمت آیرودینامیکی تشکیل شود که در مصرف سوخت نیز صرفه جویی گردد.

• رانندگی مبتنی بر مقصد

وسایل نقلیه که در نزدیکی هم رانندگی می کنند می توانند اطلاعات را با وسایل نقلیه دیگر برای فعالیت هایی مانند تغییر خط، توقف های ناگهانی و غیره به منظور جلوگیری از برخورد، بهبود ایمنی و راندمان حمل و نقل، به اشتراک بگذارند. به طور مشابه، اطلاعات ترافیکی را می توان از واحد های کنار جاده، واحدهای مسدود کردن موقت جاده و پیاده روهای وسایل نقلیه برای به دست آوردن یک دید کلی از محیط رانندگی، جمع آوری کرد و عملکرد آن ها را به بیش از پیش خودکار نمود.

• ادغام لبه و ابر

برنامه های کاربردی نیاز به استفاده از منابع شبکه موجود در لبه برای محتوای ذخیره سازی CDN برای تجربه کیفیت بهبود یافته (QoE) و ادغام سیستم cloud-hosted و back-end جهت فراهم آوردن خدمات کاربردی اتصال خودرو به شبکه از طریق مجوز طیف سلولی دارد.

چنین برنامه هایی نیاز به کنترل متمرکز برای مدیریت خدمات اشتراکی دارند تا وسایل نقلیه به طور ایمن یک گروه قابل اعتماد را با دیگر وسایل نقلیه به صورت یک کاروان مقدماتی ایجاد نمایند و تبادل داده قابل اطمینانی داشته باشند. علاوه بر این، برنامه های V2X مانند ایمنی جاده، مدیریت ترافیک، خدمات سرگرمی که بر روی هسته اجرا می شوند، زیرساخت های ابری و شخص ثالث، نیاز به مدیریت ایمنی برای اطمینان از درستی اطلاعات زمان واقعی دارند. وسایل نقلیه معتبر می توانند خدمات OEM و سرویس های شخص ثالث را از طریق رابط کاربری API پویا که توسط قابلیت قرار گرفتن در معرض شبکه بر روی هسته اجازه داده شده است، تصدیق نماید.

محاسبه لبه با دسترسی چندگانه

در شرایطی که قابلیت اتصال با موفقیت انتقال دیجیتال در IoT به طور بنيادين می باشد، بازارهای عمودی مانند تولید، حمل و نقل و آب و برق فعالیت های خود را با استفاده از سرویس های رایانش ابری و لبه برای بهبود بهره وری، بهینه سازی هزینه تولید، افزایش ایمنی و حداکثر سود دیجیتالیزه می کنند. برای برآورده ساختن موارد مورد استفاده در صنعت 4.0 نیاز به تاخیرهای چند میلی ثانیه، موقعیت مکانی دقیق، قابلیت اطمینان بالا و توانایی بسیار بالا وجود دارد و برای رسیدن به وعده قابلیت های5G URLLC ، محاسبه لبه با دسترسی چندگانه راهی برای رسیدن به تخلیه قابل اعتماد محلی و یکپارچه سازی ابری backend برای پردازش داده های زمان واقعی (real-time) و محلی سازی محتوا که در شکل زیر نشان داده شده است می باشد. بدون برنامه های MEC، دستیابی به نیازمندی های URLLC سخت خواهد بود.

گسترش تماس صفر گره های MEC و پیاده سازی خدمات بر روی لبه با نیازمندی های امنیتی، سیاسی و محاسباتي برای ارائه مدیریت شده ، کلیدی برای پیاده سازی موفق است. پلت فرم مدیریت 5G-aware MEC برای IoT اطمینان حاصل خواهد کرد که داده ها در جايي كه بيشتر مورد نياز است باقي مي مانند و با هسته مجازی 5G و تابع کاربري توزیع شده (UPF) هماهنگ مي شوند و با مورد هاي كاربري IIoT خدمات ارتباطي با كيفيت بالا فراهم مي كنند.

[1] Vehicle to Everything

[2] Vehicle Platooning