QRadar UBA SIEM SOC IBM 日誌管理 資訊安全 資安事件 LTE 5G技術 專網 工業4.0 IIoT

LTE/5G聯網技術做後盾 蜂巢式專網加速工業4.0成形

2020-08-17
工業4.0(Industry 4.0)是將實體基礎設施,進行數位化轉型,基礎設施牽涉技術面向甚廣,從擷取資源、製造、電力、推向市場、營運和服務,到城市的營運管理,市民的健康福祉。實現工業4.0最重要的關鍵在於下一代的網路連結,即今日的LTE及不久之後的5G。

 

現在的私有/企業網路連結,大多利用線纜以及以IT為基礎的無線系統(例如Wi-Fi),可能不敷未來用於工業的通訊環境所需。本篇將探討可提供更具安全性、高可靠度、工業等級的無線網路(Industrial-grade Wireless Networks),如何對工業4.0及其應用的進展作出貢獻。 源自於IT的無線解決方案,例如Wi-Fi,雖可應用於工業環境,但較適用於業務相關的日常通訊。該技術方案提供的可靠度、安全性、預測性、多用戶容量及行動功能有限,較無法支持發展關鍵性業務通訊(Business-critical)及緊急任務通訊(Mission-critical)的需求。

省視現今工業的場景裡,例如礦場、港口碼頭或機場,都已經嘗試引進Wi-Fi,但大範圍覆蓋的需求及複雜的環境,讓Wi-Fi有未及之處。此外,採礦及碼頭的應用案例裡,將遠端操作無人自駕車,例如自駕卡車、起重機、跨載機納入規畫,該應用也都建立在行動通訊和高頻寬的視訊功能上,而Wi-Fi並無法滿足行動需求,也無法保證視訊品質。

在智慧製造的應用場景裡,也有類似的限制。Wi-Fi的訊號在許多工業環境中,由於廠房建築結構本身可能造成的干擾,導致傳播效果並不好。Wi-Fi也無法支援無人自動載具(Automated Guided Vehicles, AGVs)或是高速移動的機械手臂的行動通訊需求。另一方面,物聯網所需的低功耗,或是在傳統的工廠裡,所要求的高密度大量連結感測器、終端設備、機器人、員工和自動載具等也無法支援。

幸運的是3GPP的技術,包括LTE以及不久之後的5G,提供了符合工業等級的專用無線網路,用於支持工業4.0的各式應用場景通訊所需。該技術提供了無線和線纜的最佳結合,證明大型的商用行動網路,也可切合各工業應用場景的需求。對許多產業而言,運用LTE的時機已經成熟,也提供了一個順利的演變至5G的途徑。

雖然大多數企業重視無線和行動技術的優點,以及可帶來包括普及性、靈活性、簡便性和連接萬物(即便在機器內部)的能力,但企業仍傾向相信關鍵性業務通訊所需的服務品質、可靠性和安全性,只能透過線纜來實現(圖1)。

圖1  比較二種主要的無線技術於企業網路環境裡,不同層級的關鍵功能需求

比較LTE專網/一般企業接取網路

就可靠度和安全性而言,電纜和光纖仍有其優越之處,將繼續在工業園區裡的固定環境中使用。儘管如此,5G亦可達到相同的可靠度、可預測及安全性,為眾多無線通訊技術中,更適用於帶入工業場域的聯網標準。與Wi-Fi相比,具備低延遲、傳輸速率的可預期性,及能承載多用戶的高容量特性,換言之,每個接取點(或基地台)可連接數以百計的終端、機器、員工,於同一個區域面積裡,產生出非常高的承載密度。

今日的LTE技術已經穩定地向全球超過40億的行動用戶提供服務,並達到家用固網寬頻的傳輸速率。且證明其性能表現,足堪應付各式環境的挑戰,例如,滿足超過10萬觀眾通訊需求的大容量場館,有嚴格資安規範及保密需求的公共安全網路。

最終,LTE可於每小時350公里的高速下進行訊務交遞,開啟了車中的操作人員與設備之間的穩定連結的可能,也可用於支援操控包括無人機、卡車、吊車、自動導航車等無人載具。 

許多企業都已嘗試引進IT的無線技術,如Wi-Fi、Wi-Fi Mesh、藍牙(對於較短距離),但都很快地意識到其局限處。雖然非常適合於辦公室型態的通訊,但由於並非為關鍵型通訊設計,其性能並不適用於工業所需。

安全性向來是Wi-Fi和藍牙的無線技術,最受人關注之處,且已被證明非常容易被駭入。相較之下,LTE和5G從一開始就將安全納入設計考量,端到端的加密技術,包括空中介面的密碼,傳輸層的IPSec,用戶終端的SIM和eSIM以確保終端合乎安全規範才得以入網。也因此許多公共安全機構已經開始使用LTE作為緊急通訊技術(圖2)。

圖2  3GPP技術特性

為了在製造業環境中廣泛建置工業自動化,必須有嚴格的同步限定及高度的網路可靠度,以實現精密準確的流程及工作環境的安全。Wi-Fi被歸類為「盡力原則」(Best Effort)的網通技術,意味著盡力而為,沒有保證品質。

在專用LTE網路的建置中,網路可靠度是遵循舊時電話系統設定的5個9或99.999%的系統可靠度標準。專用的LTE網路端到端的低延遲,可達到9~15毫秒範圍,未來的版本將達到2~8毫秒,於5G時代,將低於1毫秒。

除了考量安全性和可靠度外,覆蓋範圍也是關鍵重點之一。對於製造業廠區、露天礦場、港口和電廠,LTE網路可以擴及範圍至2萬平方公里。無論是廠房常見的挑高的天花板、戶外,LTE所需的基站數量遠低於Wi-Fi的接取點。雖然效益會因不同案例而異,以露天礦場為案例,諾基亞(Nokia)曾經見過超過150個戶外Wi-Fi接取點,但Nokia利用了10個微基地台,提供更廣的覆蓋範圍,包括礦區裡主要建築物的室內涵蓋,以及擴大了礦區周遭的覆蓋。

除了支援高資料傳輸速率、低延遲的應用外,最近LTE標準還為了LTE-M和NB-IoT定義了新的低傳輸速率設備類別,其專為低速率IoT感測器而設計。由於降低了這些感知設備的複雜性和數據速率,LTE-M和NB-IoT數據機僅靠電池電量可以運行數年,因此讓在園區內甚或機器內部署感測器,變得直接單純。

當探討能否在工業流程和作業流程中加裝物聯網感知器的時候,安裝是否具有彈性及簡便,將是一個關鍵。Wi-Fi和藍牙需要較高的電力需求,當連接裝置和感測器時,需要連接至電源,這將對加裝感知器於舊機器內的施作造成問題,或是電池的壽命變短。每個LTE基地台的訊號涵蓋,無須安裝額外的布線,即可以連接數以千計的人員、設備和感知器,足以平衡建設專用LTE網路的前期投資。

蜂巢式專網大顯身手 5G/LTE揮軍工業物聯網

5G話題正熱,但似乎該公允地問一個問題,是該等待5G的到來再做投資?或是現在就可投資在LTE?根據諾基亞貝爾實驗室多年的研究,及其專家在建置專用LTE(Private LTE)的眾多經驗,今日的工業應用,已有85~90%可以在LTE網路實現。

也因此許多大型的企業,現在就積極地擁抱工業4.0,著手建設其專用的LTE網路,因為他們認為可以獲得競爭優勢,並為5G時代預先準備。 如同先前的3GPP技術進展一般,5G的標準建立在LTE之上,具備針對垂直產業的特殊應用強化相關的功能,例如資料傳輸速率、容量、延遲、可靠度、可擴展性和靈活性。如今,5G 3GPP標準化仍在持續開發中,預計釋出的版本計畫如下(圖3):

圖3  5G支援垂直產業功能需求規畫

.R15是第一個5G版本,專注於強化行動寬頻應用(提升更高的資料傳輸速率),主要用於視訊應用,對工業4.0的需求適用性有限;

.較晚的R15更新版本,將引進5G SA架構,而這是對5G為實現產業利基的必要基礎架構;

.R16(計畫於2020年年中)將引進第一批工業4.0所需的功能(例如超可靠低延遲),預期2022~2023年,會有相關的終端設備問市;R16亦定義了專用5G網路的標準,如網路切片或將端到端網路資源指配給特定企業或應用的能力;

.完整的5G垂直產業功能需求將於R17發布(目標是在2022年完成標準化,而1~1.5年後會有相關的終端設備);R18將提供5G大規模物聯網(Massive IoT)、時間敏感網路(Time Sensitive Networking, TSN)等,對工業應用極具關鍵的功能。在此之前將倚賴LTE,許多網路會有LTE和5G並存運行的情況。

雖然在有些國家提供專用頻譜給垂直產業,例如德國,以提早布建為目標,可能會從R15就開始建設。大多數的分析師相信,R16應該是企業開始布建5G的時期,R16定義了專用5G網路的功能及能力,所以任何早於標準制定之前的建設,可能有無法相容的問題。此外,企業需要有認知,需要多年的時間,才能發展出可支援R16標準的5G裝置生態圈。若要享受到R17的功能,例如Time Sensitive Network,可能還要更久的時間。屆時先期的使用者需汰換裝置終端,也將是另外一個考量點。

因此,本文期待大多數的企業專用私人網路的建置,藉由把5G站點加入現有的4G環境中可以達到平滑演進的目標。4G和5G將會並存一段時期直到5G生態圈成熟的時刻。

5G尚未完全底定 LTE專網仍扮工業4.0要角

關於工業4.0和物聯網的眾多討論裡,都忽略了一個基本考量,如何以最合乎成本效益、並能提供可靠和安全的連結感測器和終端?線纜布建缺乏彈性,且連結眾多終端、人員、感測器,將所費不貲。

LTE和即將到來的5G,在規格制定上已經將工業4.0納入設計考量。LTE已實際驗證可行性、通過壓力測試、完整的生態系統,這項為眾多企業帶來結構性轉變的技術,並不會產生如同其他新技術引進時的高風險。

專用LTE網路是下一代的工業及無線技術,現在已經提供控制、安全和彈性,讓工業4.0轉型之旅即刻上路。即使未來引進5G用於處理最嚴苛的案例之時,專用LTE網路將仍繼續扮演要角。

(本文由Nokia提供)

 

Upcoming Events

熱門活動

More →

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!