Teollinen tuotantokyky on saamassa tervetullutta potkua 5G-yksityisverkoista, jotka tuovat mukanaan uudenlaisia mahdollisuuksia taajuusspektrin, toteutusstrategioiden, toimintojen ohjauksen ja omistajuuden hyödyntämiseen.

”Tuottavuus ei ole kaikki kaikessa, mutta pitkällä aikavälillä se on likimain kaikki.” Tämä Nobel-palkitun ekonomistin Paul Krugmanin usein siteerattu lausahdus on jälleen ajankohtainen Covid-19-pandemian myötä. Huolimatta siitä, että pandemia verottaa raskaasti maailman taloutta, se antaa myös mahdollisuuksia optimoida tuotantokykyä uudella tavalla hyödyntämällä laaja-alaisesti kehittyneitä digitaalisia työkaluja.

Teollisuuden 5G on nyt tapetilla. Isossa-Britanniassa äskettäin tehdyt kokeilut antavat osviittaa 5G:llä saatavista potentiaalisista tuottavuuden kasvun lisäyksistä. Worcestershiren 5G -konsortio toteutti tehdastason 5G-yksityisverkot konepajayhtiöiden Worcester-Boschin ja Yamazaki Mazakin tuotantolaitoksilla. Kokeilussa saatiin tuottavuutta lisättyä kahdella prosentilla. Kokeilussa mukana olleiden mukaan hyötyä saataisiin todellisuudessa vielä enemmän, jos kaikki tuotantolinjat toteutettaisiin kokeilun mukaisilla toiminnoilla.

Mitä saataisikaan aikaan, jos 5G-privaattiverkkoa sovellettaisiin kaikissa mahdollisissa järjestelmissä?

Teollisuudessa 5G:llä on mahdollista toteuttaa sellaisia sovelluksia, joita aikaisemmilla mobiilin verkkoteknologian sukupolvilla ei ollut mahdollista toteuttaa. Tärkeää on myös, että yritykset nopealla aikataululla menestyksellisesti omaksuvat uuden teknologian, jotta mobiilipalvelujen tarjoajat saavat 5G-verkkojen toteutukseen investoimansa varat takaisin.

Osana 5G-standardia jo olevat LTE-pohjaiset pienitehoiset LPWA-verkot (low-power wide-area) LTE-M ja NB-IoT ovat esimerkkejä esineiden internetin (IoT) tarjoamista teknologioista muuttaa teollisuutta kustannuksiltaan edullisemmaksi ja tuotantoajoiltaan nopeammaksi, kun halutaan tuottaa tuotteita älykkääseen mittaukseen, toiminnallisen luotettavuuden valvontaan ja omaisuuden seurantaan. Teknologioiden tarjoamia etuja ovat helppokäyttöisyys, joustavuus, turvallisuus ja langattomuus. LTE-M:llä ja NB-IoT:llä varustettu 5G-järjestelmä mahdollistaa teollisen esineiden internetin käyttöönoton missä tahansa tuotantotiloissa ja yritysjärjestelmissä.

Kuitenkin langattoman teknologian helposta integroimisesta, joustavuudesta ja tehokkuudesta huolimatta monet teollisuuden alat ovat olleet varovaisia ottamaan niitä käyttöön automatisoidessaan tehtaitaan, jakeluteitään ja muita vastaavia toimintojaan. Tämä todennäköisesti johtuu haluttomuudesta antaa liiketoiminnan kannalta olennaisia palveluja kolmannen osapuolen hallittavaksi, jolloin vastuullisuuteen, turvallisuuteen ja yksityisyyteen liittyvät kysymykset voivat aiheuttaa hankausta.

Yksityisissä 5G-verkoissa nämä mainitut riskit on tunnistettu, ja niiden ohjaus ja hallinta hoidetaankin sisäisesti kussakin yrityksessä. Monia asioita joudutaan silti vielä pohtimaan tarkasti, kuten saatavissa olevaa taajuusspektriä, toteutusstrategioita, verkkotoimintoja sekä viime kädessä hallittavuutta ja omistusoikeutta. Tässä artikkelissa tarkastellaan näiden tekijöiden keskinäistä vaikutusta.

5G-yksityisverkko pähkinänkuoressa

5G-yksityisverkkojen palvelut on rajattu suljetuille käyttäjäryhmille. Verkon määrittelyt sovitetaan käyttökohteiden mukaisesti palvelujen laadun, turvallisuuden, luotettavuuden, vastuullisuuden ja muiden vastaavien tekijöiden osalta.

Esimerkiksi autoelektroniikan tuotantolaitos saattaa tarvita joukon ominaisuuksiltaan erilaisia yhteyksiä virtaviivaistaakseen toimintoja, lisätäkseen tuotantoaan ja suojellakseen työntekijöitään. Tarvitaan massiivinen IoT (mMTC) yhdistämään liuta teollisia IoT-antureita yrityksen pilvipalveluihin, laajakaistainen IoT (eMBB) tuottamaan nopeat langattomat yhteydet eri puolille tuotantotiloja ja kriittinen IoT-liitettävyys (uRLLC) VR-pohjaisten tukityökalujen ja teollisuusrobottien ohjausta varten. Edelleen palvelua voidaan laajentaa ajoneuvojen valmistumisen jälkeisiin kunnon valvonnan tilanteisiin, ensin myyntiportaan ja sitten auton omistajien käyttöön.

Siivutettu ja kuutioitu – virtuaalisesti

Jotta 5G:n kolme teknologista pilaria – mMTC, eMBB, uRLLC – saadaan muodostetuksi, tarvitaan kolme tärkeää tekijää: riittävä saatavissa oleva langaton spektri sopivilla taajuuskaistoilla, käytettävissä oleva verkkoinfrastruktuuri ja päätelaite. Otetaan esimerkiksi laajakaistainen IoT, joka vaatii sopivan kokoisen osan spektristä joko alle 6 gigahertsin tai mm-aallon taajuuksilla (24 gigahertsistä ylöspäin) tuottaakseen riittävän suuren suoritustehon. Toisaalta massiivinen IoT käyttää alle 2 gigahertsin taajuuskaistoja tuottaakseen tarpeeksi tehokkaan verkon peiton pienillä datanopeuksilla. Ja kriittinen IoT-liitettävyys hyödyntää tarkasti synkronoitua ja pienen latenssin omaavaa tiedonsiirtoverkkoa, joka on riittävän nopea lähettämään datapaketteja päätelaitteelta toiselle alle viidessä millisekunnissa (ks. lähde¹).

Langaton spektri on niukka resurssi ja sen allokointi teollisuusverkoille on kiistanalainen asia. Jos markkinavoimille annettaisiin vapaat kädet, seurauksena olisi spektrin hamstraus, jolloin pienemmät yritykset ja uudet tulokkaat jäisivät puille paljaille. Laaja-alainen sääntely, kuten tietyn spektriosan osoittaminen teollisuusasiakkaiden käyttöön, johtaisi puolestaan spektrin epätarkoituksenmukaiseen käyttöön, mikä haittaisi jo saatavissa olevan spektrin osan hyödyntämistä ja jolloin mobiiliverkko-operaattorit menettäisivät mittakaavaedut, joita tarvitaan tehtyjen investointien kustannusten kattamiseksi. Eri markkinoilla sovellettaisiin erilaisia lähestymistapoja, jolloin markkinatilanne jäisi epäselväksi eikä selvää voittajaa pääsisi muodostumaan. Tekniikoiden monilukuisuus vain lisäisi edelleen monimutkaisuutta jo ennestään sirpaleiseen mobiiliverkkojen maailmaan.

Päämääränä tulee olla, että kaikille yrityksille, mukaan lukien myöhäiset soveltajat, pystytään takaamaan kustannustehokkaasti riittävä taajuusspektri heidän tarvitsemiaan toimintoja varten. Eräs ratkaisu on kiinteistöön perustuva lähestymistapa, jossa tietyn kiinteistön alueella toimivan teollisuusverkon voisi hankkia omistukseensa ainoastaan kiinteistönomistaja, kun taas käyttämätön spektrin osa annettaisiin palveluntuottajien yleiseen käyttöön helpottamaan julkisten palvelujen toteutusten tarvetta.

Viime kädessä spektrin allokointia määriteltäessä tulee suorittaa:

• Langattoman spektrin harmonisointi alueellisesti siten, että maksimoidaan 5G-laitteiden saavutettavuus ja hyödynnetään globaalin asiakaskunnan tarjoamat mittakaavaedut.
• Neutraalin kohtuullisuusperiaatteen määritteleminen ja toteuttaminen siten, että taataan spektrin käytettävyys ennakoivasti pitkällä aikavälillä ja että taataan kaikille mahdollisille asianosaisille teknologian haltuunotto.

Toteutusvaihtoehdot

Teollisuuden toimijoilla on tarjottavana lukuisia toteutusvaihtoehtoja, joiden avulla sovelluskohtaiset vaatimukset saadaan täytettyä tuhlaamatta niukkoja spektriresursseja. He voivat sijoittaa koko verkkoinfrastruktuurin omiin tuotantotiloihinsa ja operoida sitä itse tai kolmannen osapuolen toimesta. Tähän voi sisältyä yhteys julkiseen verkkoon, jolloin verkon palvelut olisivat saavutettavissa myös alueen ulkopuolelta. Tässä lähestymistavassa turvallisuus, yksityisyys ja ohjattavuus olisivat hyvällä tasolla. Lähestymistapa kuitenkin vaatii suurta teknologista osaamista ja kattavuuden laajentaminen muihin tuotantolaitoksiin ja julkiseen verkkoon on monimutkaista.

Vaihtoehtoisesti toimijat voivat ottaa käyttöön hybridiratkaisun, joka perustuu enemmän ja vähemmän julkiseen langattomaan verkkoon. Jakamalla ainoastaan radioliityntäverkkoa (RAN) käyttöpäällikkö voi hyödyntää virtuaalisesti eristettyä osaa 5G-radioliityntäverkosta samalla, kun ohjauspaneeli pysyy hänen täydessä ohjauksessaan ja hallinnassaan samoin kuin toimijan omat ei-julkiset palvelut. Muita vaihtoehtoja ovat, että myös ohjauspaneelin toiminnot jaetaan julkiseen verkkoon tai että koko yksityisverkko asetetaan toimimaan tähän tarkoitukseen varatussa osassa julkista verkkoa samalla, kun ylläpidetään tiedonsiirtokanavaa yrityksen pilvipalveluihin.

Kun yksityisverkko asennetaan osaksi ja sitä operoidaan osana julkista verkkoa, tietotekniikan osaamista tarvitaan vähemmän. Kuitenkin olennaisen infrastruktuurin ulkoistaminen tuo etenkin datan turvallisuuteen ja palvelun saatavuuteen liittyviä riskejä. Onkin olennaista selvästi määritellä verkko-operaattorin kanssa lailliset sitoumukset ja vastuut.

Teollisuus 4.0:n edut käyttöön

Yksityisverkoilla saadaan tuottavuutta parannettua teollisuusprosessien digitalisaation edetessä. Ericsson on raportoinut, että digitalisaation avulla liikevaihto voi lisääntyä 2-3 prosenttia tuotantoprosessin nopeutumisen ja laadun parantumisen ansiosta, ja että kustannuksista voidaan säästää 9-18 prosenttia pääoman käytön tehostumisen ja tuotantokustannusten alenemisen myötä².

Langattomasti toisiinsa yhteydessä olevat laitteet tarjoavat myös ennen näkemätöntä joustavuutta ja kokoonpano, valtuuksien solmiminen, ylläpito, uuskokoonpano ja korjaaminen tapahtuvat aikaisempaa helpommin.

Käyttötapausten mukaan yhä pidemmälle menevä digitalisaatio tarjoaa runsaasti etuja. Kahteen toisiinsa yhdistettyyn älykkääseen digitaaliseen verkkoon on mahdollista integroida kaikki anturitulot, joita tarvitaan tuotantotilojen laskennallisen mallin toteuttamisessa. 5G-SMART -konsortio, jossa u-blox toimii aktiivisena jäsenenä, on keskittynyt tutkimaan teknologioiden asettamia vaatimuksia. Pyrkimys hyvään luotettavuuteen ja viiveen minimointiin ovat keskeisessä asemassa arvonlisää haettaessa.

5G-SMART:ssa tutkitaan myös robottiohjausta tuotantolinjoilla, joilta edellytetään tiukkoja yhden millisekunnin luokkaa olevia latenssiaikoja ja 99.9999 prosentin (eli kuuden ysin) luotettavuutta, automatisoitujen ajoneuvojen ohjausta ja automatisoitujen nosturien etäohjausta. 5G:n tehokas, pieniviipeinen tiedonsiirto voi myös ratkaista yhdistetyn todellisuuden sovellukset tehdastasolla. Se tuo myös uudentasoista suorituskykyä teollisuussovellusten jaetun ajastuksen tarkkuuteen ja synkronointiin sekä sijainnin määritykseen.

Hypeen vastaaminen

Kuluttajien innostus 5G:n ympärillä on ollut pysyvää, mutta se ei ole vielä riittävästi realisoitunut kuluttajien tekemiksi tilauksiksi. Teollisuuden kiinnostus teknologiaa kohtaan on sen sijaan ollut sitä luokkaa, että voittoa on alkanut syntyä toimijoille ja teknologia on osoittanut elinvoimansa. 5G-yksityisverkot tulevat olemaan perustavan laatuisessa asemassa tuomassa uuden luokan matkapuhelinverkon toiminnallisuutta yrityksiin samalla käyttöönottoon liittyviä riskejä minimoiden.

Toteutusvaihtoehtoja on runsaasti tarjolla, ja käyttöpäälliköt voivat valita ratkaisun, joka parhaiten sopii heidän omistajuus- ja ohjausvaatimuksiinsa sekä heidän asiantuntemukseensa. Eikä vähäisimpänä, 5G-yksityisverkot tarjoavat kehysympäristön, joka muodostaa perustan tehokkaan spektrin allokoinnin takaamiseksi.

Koska useimmat 5G-yksityisverkot ovat vielä kokeiluprojekteja ja 5G-standardit ovat kehitysvaiheessa, on paljon vielä opittavaa jäljellä. Teollisuuslähtöiset yhteenliittymät, testausalustat ja kokeilut auttavat olennaisesti ymmärtämään teknologian asettamia vaatimuksia, joita 5G-yksityisverkkojen yhteydessä nousee esiin, ja aloittamaan toteutusten ja varmennusten parhaiden käytäntöjen julkaisemisen, ja ottamaan niistä mahdollisimman suuren hyödyn irti.

Soveltamisessa ovat todennäköisesti tärkeässä asemassa teollisuuden kärkiyritykset. Onnistuneet sovellusten käyttöönotot tulevat lisäämään laajempaa kiinnostusta myös muilla markkinasektoreilla, kuten avaruuden, merenkulun ja autoelektroniikan tiedonvälityksessä. Covid-19-pandemian varjostaessa maailmaa tarvitaan digitalisaation ja 5G-käyttöönoton antamaa vipuvoimaa maailmalaajuisen tuottavuuden parantamiseksi ja myötävaikutusta talouden elpymiseen.

Lähteet

1. https://broadbandlibrary.com/5g-low-latency-requirements
2. 5G spectrum for local industrial networks, Ericsson, June 2020