Viidennen polven langattoman teknologian täysimittainen soveltaminen teollisuudessa on vielä vuosien päässä. 5G avaa valtavia mahdollisuuksia, mutta kaiken hyödyntäminen vaatii paljon harjoittelua ja kokonaisvaltaista lähestymistapaa. Onneksi 3GPP- konsortio tukee painokkaasti siirtymäpolkua 4G LTE - teknologian kautta, kertoo u-blox ETNdigi-artikkelissa.

Ei ole mikään uutinen, että elämme parhaillaan neljännen teollisuus- vallankumouksen käännekohtaa. Esineiden internet (IoT), tekoäly, kaikkialle ulottuva langaton verkko, lohkoketjut, autonomiset ajoneuvot, pilviyhteydet – kaikki nämä ja lukemattomat muut viime aikojen kehityssuuntaukset muuttavat merkittävästi teollisuuden toiminta- tapoja. Tämä kehitys tarjoaa lupauksen: digitaaliset ja fysikaaliset järjestelmät sulautuvat teolliseksi IoT-kokonaisuudeksi (IIoT) eli kyberfysikaaliseksi järjestelmäksi, josta muodostuu koko Teollisuus 4.0 -konseptin peruskivi.

Tällä hetkellä suurimman huomion kohteena ja usein myös mielipiteiden jakajana on tuleva 5G-järjestelmä. Joidenkin mielestä viidennen sukupolven matkapuhelinteknologia on vahvasti yliarvostettua. Toiset taas valmistautuvat kasvattamaan tuotantoaan voidakseen osallistua toimintaan jo varhaisessa vaiheessa. Jossain näiden välimaastossa varovaisemmat toimijat sijoittavat 5G-kehitykseen saadakseen kokemusta, jota tarvitaan uusien tuotteiden ja ratkaisujen luomiseen sekä niiden toimittamiseen asiakkaille siinä vaiheessa, kun pöly on laskeutunut ja teknologia riittävän kypsää.

Juuri kaiken asiaan liittyvän hypetyksen vuoksi tämä hämminki tuskin on kenellekään yllätys. Kun teollisuuden kannalta merkittävimmät 5G:n ominaisuudet ovat vielä useiden vuosien päässä laajasta käyttöönotosta, perinteisesti konservatiivisilla teollisuusaloilla on houkutus pantata investointeja IIoT- kehitykseen, kunnes 3GPP:n standardipaketti Release 17 on pantu kokonaan täytäntöön. Eli miksi kaataa rahaa 4G LTE -teknologiaan, joka näyttää jo olevan vanhenemisen partaalla, kun samaan aikaan on tekninen vallankumous tekeillä?

Tähän vain liittyy yksi merkittävä asia:

4G LTE on vielä kaukana vanhentumisestaan, sillä se saa edelleen vahvaa vetoapua, kasvattaa jalansijaansa vielä vuosia ja hallitsee markkinoita vieläkin pidempään.

Itse asiassa 4G LTE -verkot täydentävät ja jopa tukevat 5G-verkkoja niiden juurtumisvaiheessa.

5G:tä ympäröivän hälinän keskellä usein unohtuu se näkökohta, että vielä tälläkin vuosikymmenellä 4G LTE on edelleen vahvin ehdokas IIoT-ratkaisuihin. Seuraavassa perustellaan, miksi näin on. Samalla tarkastellaan, kuinka voi parhaiten varautua uuteen 5G-aikakauteen. Lisäksi tutkitaan eri tapoja aloittaa 5G:n tuottaman lisäarvon hyödyntäminen – käyttäen tämän päivän 4G LTE -teknologiaa.

PELI UUSIKSI - VIIMEINKIN

Epäilemättä 5G on mullistava konsepti. Suuri osa 5G-teknologiaan liittyvästä hypetyksestä onkinaivan perusteltua. Sillä on jopa mahdollisuus yltää korkeaan tavoitteeseensa, että koko matkapuhelinteknologian rooli yhteiskunnassa muuttuu perus- teellisesti ja huipentuu useiden hajautettujen innovaatioiden pohjalta rakennettuun IoE-konseptiin (Internet of Everything).

5G tarjoaa kapasiteetin lisäämiseksi uusia taajuuskaistoja, mukana myös alle 1 GHz alue ja millimetriaallot eli yli 24 GHz alue. Se mahdollistaa jopa 1 GHz kaistanleveyden millimetriaaltoalueilla ultranopeita laajakaistayhteyksiä varten.

5G esittelee uuden radiorajapinnan (5G NR), joka on riittävän monipuo- linen palvelemaan erilaisia tarpeita. Se vaatii uuden core-verkon, joka koostuu pienikokoisista soluista,

verkon viipaloinnista, virtualisoinnista, reunalaskennasta ja paljosta muusta. Nämä tarvitaan, jotta kaikki vaatimukset voidaan täyttää ja suorituskyky räätälöidä eri teollisuuskohteiden asettamiin erityisvaatimuksiin.

Solukkopohjaisten verkkojen standardoinnista maailman- laajuisesti vastaava konsortio 3GPP on määritellyt 5G-spesifikaatiot kattamaan monipuolisesti kaikki uudet käyttötavat, joilla on merkitystä teollisissa sovelluksissa. Aina uudentyyppisistä ihmisen ja koneen välisistä käyttöliittymistä (HMI) automaattiseen tuotantoon ja kaikkialle ulottuvaan anturointiin sekä pilviyhteyksiin asti kaikki käyttö- kohteet voidaan toteuttaa hyödyntämällä 5G:n kolmen peruspilarin välistä tasapainoa oikealla tavalla:

Parannettu mobiililaajakaista (eMBB) tarjoaa datansiirtoa yli 10 gigabitin sekuntinopeudella ja kasvattaa siirtokapasiteettia kolme kertaluokkaa. Alhaisen latenssin ultraluotettavan viestinnän (URLLC) tavoitteena on yltää hämmästyttävän korkeaan, jopa 99,9999% luotettavuuteen latenssien pysyessä millisekuntien tasolla.

Lisäksi massiiviset mMTC- koneyhteydet (massive machine type communication) laajentavat entisestään nykyisten LPWA- verkkojen (Low Power Wide Area) tarjoamia mahdollisuuksia siirtämällä satunnaista dataa hyvin alhaisella tehonkulutuksella ja vähäisin kustannuksin.

VAIHEITTAIN KÄYTTÖÖN

Tässä on paljon, mitä odottaa. 5G:n täysi käyttöönotto kaikkialla maailmassa vie kuitenkin aikaa. Voimme jo nähdä matkapuhelin- operaattorien mukauttavan aika- taulujaan neuvotellessaan eri bisneskohteista kullakin markkina- alueella ja myös niiden halukkuuden ja kapasiteetin tehdä tarvittavia investointeja. Lisäksi 3GPP ei aio julkistaa kaikkia 5G-spesifikaatioita kertaheitolla kaikille teollisuusaloille. Sen sijaan jokainen julkistus tuo teknologiaan uusia ominaisuuksia.

3GPP:n julkaisema Release 15 koski lähinnä eMBB:n ja sen nopean, pääasiassa kuluttajamarkkinoille suunnatun datansiirron mahdollistamista. Rel-15 jaettiin edelleen kolmeen osajulkaisuun. Ensimmäisenä julkaistu osa keskittyi NSA- toteutuksiin (Non-Stand-Alone) 4G LTE -verkkojen taustalla ja se käynnistettiin ja pantiin täytäntöön nopeasti vuoden 2017 lopulla. Suuret matkapuhelinoperaattorit ovat sittemmin tuoneet tämän tekniikan tarjolle kaupunkien tärkeimmille markkina-alueille.

Toinen osajulkaisu koskee 5G:n erillistä eli SA-toteutusta (Stand- Alone) ja se saatiin päätökseen vuoden 2018 puolivälissä. Viimeinen osajulkaisu seurasi sitten viime vuoden alkupuolella ja lisäsi järjestelmään useita teknisiä parannuksia. Koska operaattorit edelleen kiirehtivät 5G:n NSA- toteutuksia, saattaa kulua vielä muutama vuosi, ennen kuin nähdään erillisten SA-toteutusten kaupallisen käyttöönoton lähtevän laajasti liikkeelle.

3GPP:n julkaisu Rel-16 puolestaan on ajoitettu tämän vuoden alkupuoliskolle ja se käsittelee lopulta niitä 5G:n kahta pilaria, jotka vaikuttavat eniten teollisuuskohteissa käytettäviin yhteyksiin: URLLC ja viimeisenä mMTC. Erityisesti URLLC vaatii erillisen verkkototeutuksen. Ensi vuoden viimeiselle neljännekselle ajoitettu Rel-17 laajentaa edelleen näiden peruspilarien ominaisuuksia.

NIUKKATEHOINEN LAAJAKAISTA SUJUVASTI

Varmistaakseen vasta hiljattain nousuvaiheeseen edenneiden nykyisten LPWA-ratkaisujen pitkäikäisyyden 3GPP-konsortio haluaa painokkaasti varmistaa pehmeän siirtymäpolun 4G LTE -järjestelmistä 5G-teknologiaan.

LTE-verkot ovat käytettävissä vielä vähintään vuosikymmenen ajan, mutta lisäksi niiden odotetaan jatkavan kehitystään pitkälle 5G- aikakauteen saakka tarjoamalla kauas tulevaisuuteen kantavia investointeja ja tuomalla parannuksia järjestelmien energiatehokkuuteen, suorituskykyyn, laitteiden kokoon, ominaisuuksiin ja kustannus- tehokkuuteen.

Yhteensopivuus taaksepäin varmistaa, että 4G LTE -ratkaisut toimivat edelleen jopa siinä vaiheessa, kun 5G:stä tulee valtavirtaa. Lisäksi nykyisissä 4G- verkoissa toimivat ’vanhat’ LPWA- laitteet sovitetaan yhteen 5G- verkkojen kanssa.

Tämä selittää, miksi joillakin teollisuusaloilla yritykset hyödyntävät 4G LTE:n tarjoamia edistysaskelia toimintojensa virtaviivaistamiseen, tehokkuutensa parantamiseen ja tuottavuutensa kasvattamiseen. Tämä on suuntaus, joka vain kiihtyy, kun siirrytään 5G-aikakauteen. Kehitys tulee muuttamaan koko toimintalogiikan tehdassaleissa, joissa edelleen vallitsevat langallisiin yhteyksiin perustuvat, vahvasti pirstoutuneet markkinat.

Esimerkiksi nykyajan tuotantolaitokset koostuvat ’liitäntäsaarekkeista’, jotka on kenttätasolla erotettu yhdyskäytävin. Koska nykyiset teknologiastandardit ovat pirstoutuneita ja näin ollen yhteentoimivuudeltaan puutteellisia, pelkästään erilaisten teollisten verkkotekniikoiden liittäminen yhteen vaatii lukuisia protokollakäännöksiä.

Tämä on vastoin Teollisuus 4.0 - konseptin tarjoamaa lupausta kaikkien kohteiden ja prosessien täydestä läpinäkyvyydestä kaiken aikaa sekä saumattomasta viestinnästä eri tavaroiden, tuotantojärjestelmien, toimitus- ja jakeluketjujen sekä ihmisten ja prosessien kesken niin, että kaiken takana on yhtenäinen, vankka ja luotettava langaton yhteys.

UUSIA LIIKETOIMINTAMALLEJA

Kyse ei ole vain toimintojen määrittämisestä uudelleen. Kokonaisia liiketoimintamalleja ravistellaan, koska dataan käsiksi pääseminen helpottuu. Tietoa generoidaan nopeammin kuin koskaan aiemmin – yli kapeiden teollisuussektorien – ja se tuottaa strategista lisäarvoa muun muassa reaaliaikaisen laadunhallinnan, ennakoivan ylläpidon, integroitujen toimitus- ja jakeluketjujen sekä työvoiman seurannan mahdollistajana. Tämä muuttaa perusteellisesti tapaa, jolla teollisuusyritykset toimivat.

Esimerkiksi Teollisuus 4.0 -konseptin kykyä parantaa liiketoiminnan nopeutta on julistettu iskulauseella:

”Tämän päivän tilaus on huomispäivän toimitus”. Muutoksen uskotaan samalla kääntävän vuosituhansia vanhan keskitetyn massatuotannon periaatteen päälaelleen: Yksilöllisesti räätälöityjen massatuotettujen tavaroiden kysyntä voidaan tyydyttää ainoastaan, jos tuotantokapasiteetti siirtyy entistä lähemmäksi loppukäyttäjiä.

Myös vaatimus täydestä jäljitettävyydestä on aiemmin ollut ongelmallinen: Teollisuus 4.0 - konseptin ansiosta valmistus- operaatioista vastaavat päälliköt voivat nyt tietää kaikkien tuotteissa käytettyjen osien tarkan alkuperän.

Valmistettuja laitteita voidaan myös käyttöönoton jälkeen valvoa jatkuvasti, jolloin voidaan paljastaa tuotantoprosessin heikkouksia, jotka voidaan sitten korjata tulevien tuotteiden laadun parantamiseksi. Näin asiakkaat hyötyvät uudelle tasolle nousevasta dataan ja syvään ymmärrykseen perustuvasta tuesta ja palvelusta.

Hyödyntämällä tekniikoita, jotka eivät vaadi langallisia yhteyksiä, Teollisuus 4.0 tekee valmistuksesta entistä ketterämpää ja monipuolisempaa. Langallisia ratkaisuja paljon helpommin toteutettavat LPWA- ja 5G- tekniikat vähentävät investointeja, joita muuten tarvittaisiin mittauksista saatavien suurten datamäärien keräämiseen. Niiden avulla voidaan kiihdyttää nykyisten ja tulevien asennusten toteuttamista. Ne kykenevät tuottamaan entistä laadukkaampaa dataa ja parantavat käyttäjän turvallisuutta. Ja lopulta ne ovat paljon joustavampia toteuttaa ja helpompia skaalata.

TEHDASAUTOMAATIO UUDELLE TASOLLE

Tähän tietomassaan käsiksi pääseminen ja muuttaminen todellisiksi hyödyiksi vaatii entistä kokonaisvaltaisemman ajattelutavan resurssien, ihmisten ja tavaroiden virroista sekä toimitus-, tuotanto- ja jakeluketjuista. Puhumattakaan kaikkien koneiden ja muiden laitteistojen toiminnasta ja ylläpidosta sekä mukana olevien ihmisten turvallisuudesta ja hyvinvoinnista.

Tämän uuden viestintätavan käyttöönotto tavaroiden, tuotantojärjestelmien ja prosessien välillä vaatii vahvaa ihmisajattelua ja valvontaa sekä entistä syvempää ymmärrystä tuotantoprosessin kaikista näkökohdista. Samoin tuotantolinjan eri prosessien rationalisointi vaatii entistä hienostuneempaa suunnittelua, luomista ja prosessien hallintaa yhdistettynä tavoitteeseen vahvistaa paikallista tuotantokapasiteettia.

Tämän kokonaisvaltaisen lähestymistavan – joka yhdistää operatiivisen tekniikan (OT) ja tietotekniikan (IT) – huipentumana syntyy digitaalinen kaksoisolento, joka on virtuaalinen esitys kaikesta valmistusprosessia koskevasta oleellisesta tiedosta. Digitaalisten kaksosten kypsyessä ne edistyvät sekä laadultaan että syvyydeltään sitomalla yhteen entistä yksityiskohtaisempia tietoja resursseista, tuotteista ja välineistä, samoin kuin tietoja operatiivisen infrastruktuurin, koneiden ja jopa ulkoisten toimitusketjujen tilasta ja suorituskyvystä.

TEOLLISUUS UUTEEN MUOTTIIN

Sveitsiläinen u-blox-yhtiö on vahvasti sitoutunut verkkoyhteyksiin perustuvan teollisuuden tulevaisuuden muokkaamiseen. 3GPP:n aktiivisena jäsenenä yhtiö osallistuu NB-IoT - ja mMTC-järjestelmien standardointiin ja kehitystyöhön. Lisäksi u-blox on mukana tekemässä pilottitutkimuksia, joissa selvitetään 5G-teknologian vaatimuksia ja suorituskykyä teollisessa käytössä.

Euroopan komission rahoittama 5G- SMART-hanke tuo yhteen kumppaneita teollisuuesta (esim. Bosch, ABB, Ericsson, u-blox) ja tutkimusmaailmasta (Lund University, Universitat Politechnica de Valencia, Fraunhofer Institute) arvioimaan 5G:n potentiaalia todellisissa teollisuusympäristöissä. Toimiessaan lisäksi 5G-ACIA-hankkeen aktiivisena jäsenenä u-blox tekee yhteistyötä IT- ja OT-teollisuuden monipuolisen kumppaniryhmän kanssa tavoitteenaan varmistaa 5G-tekniikan ja -verkkojen paras mahdollinen sovellettavuus verkkoyhteyksiin perustuvien teollisuusalojen, erityisesti valmistavan ja prosessiteollisuuden tarpeisiin.

ALKUUN JO TÄNÄÄN

Laajentamalla soluverkkojen tietotekniikan mahdollistamia sovellusalueita 5G on valmis siirtämään verkkoyhteyksiin pohjautuvaa teollisuutta seuraavalle tasolle. Mutta kuluu vielä vuosia, ennen kuin teollisuuden kannalta merkitykselliset standardien osat ovat riittävän kypsiä, ja matkapuhelinoperaattorit ottavat laajasti käyttöön 5G-pohjaisten ratkaisujen toteuttamiseen tarvittavan infrastruktuurin.

Hyvä uutinen on se, että 3GPP- konsortio haluaa painokkaasti varmistaa pehmeän siirtymisen 4G LPWA -tekniikoista 5G- pohjaisiin seuraajiin. Tämä tarkoittaa, että matkan kohti 5G:tä voi aloittaa jo tänään hyödyntämällä 4G LPWA:n tarjoamia mahdollisuuksia uusien liiketoimintamallien luomiseksi ja saada samalla teknistä etumatkaa kilpailussa, joka tuottaa omistajilleen osinkoja hyvin pitkällä tähtäyksellä.

Artikkeli on luettavissa ETNdigi-lehden uusimmassa numerossa.