Digitalisaatio pakottaa yritykset kehittymään jatkuvasti pysyäkseen kilpailussa mukana. Privaatit 5G-verkot auttavat heitä olemaan ketterämpiä, tehokkaampia ja hyödyntämään digitaalisuutta tehokkaammin.

Yksityiset 5G-verkot ovat paikallisia, maantieteellisesti rajoitettuja 5G -verkkoja, jotka eivät ole yleisön saatavilla. Ne ovat erityisen kiinnostavia teollisessa käytössä, koska 5G-tekniikka tarjoaa juuri verkottuneen tuotannon edellyttämät ominaisuudet - korkean luotettavuuden, laajan kantaman, alhaisen latenssin ja suuren kaistanleveyden energia- tehokkuuden rinnalla. Nämä ominaisuudet edellyttävät kuitenkin korkeampia taajuusalueita. Aiempien matkapuhelinstandardien kahden gigahertsin sijasta 5G-privaattiverkot nojaavat 3,7 - 3,8 gigahertsin taajuuksiin. Tämä tarkoittaa 5G-taajuuskaistaa n78.

MIKÄ TEKEE PRIVAATTIVERKOSTA ERITYISEN?

5G-tekniikka mahdollistaa langattoman reaaliaikaisen viestinnän ihmisten, koneiden, antureiden ja muiden päätelaitteiden välillä. 5G-verkko voittaa 4G-edeltäjänsä parannetulla mobiililaajakaistalla (eMBB, enhanced mobile broadband), massiivisella koneiden välisellä viestinnällä (mMTC, massive Machine Type Communication) ja erittäin luotettavalla ja alhaisen viiveen yhteydellä (URLLC, Ultra-reliable low-latency communication).

URLLC:n myötä latenssi putoaa 4G:n noin 15-80 millisekunnista alle yhteen millisekuntiin. Tämä mahdollistaa koneiden, robottien ja itsenäisten kuljetusjärjestelmien ohjaamisen ilman havaittavaa viivettä.

EMBB:n avulla tiedonsiirtonopeus voi nousta 5G:ssä jopa 10 giga- bittiin sekunnissa – kapasiteetti on tällöin 10 terabittiä sekunnissa neliökilometrillä. Vertailun vuoksi 4G-tekniikan raja oli 1 gigabitti sekunnissa, mikä tekee 5G:stä noin kymmenen kertaa 4G:tä nopeamman. Videot voidaan lähettää suorana erittäin korkealla resoluutiolla. Näinä koronavirus- pandemian aikoina ulkomaiset kehittäjät voivat videon välityksellä tarkastella pienimpiäkin yksityiskohtia ja kommentoida niitä.

Erityisen mielenkiintoista on mMTC:n mahdollistama valtava yhteystiheys, joka on jopa miljoona päätelaitetta jokaisella neliökilometrillä. Samalla eMTC minimoi energiankulutuksen, joka on vain noin 10 prosenttia LTE- järjestelmien kulutuksesta. Tämä siitä huolimatta, että 4G:ssä yhdellä neliökilometrillä voi parhaimmillaankin olla vain noin 200 päätelaitetta. MMTC on erityisen hyödyllinen suurissa varastoissa, pysäköintialueiden hallintajärjestelmissä ja suurissa tapahtumissa loppuunmyydyillä stadioneilla käytetyissä sovelluksissa.

Lisäksi älykkään verkon viipalointitekniikan (network slicing) ansiosta useat virtuaaliverkot voivat toimia samanaikaisesti samalla fyysisellä verkkoinfrastruktuurilla. Tämä mahdollistaa jokaisen sovellustyypin (eMBB, mMTC ja URLLC) tietojen siirtämisen oman virtuaalisen matkapuhelinverkkonsa kautta, mikä puolestaan voidaan optimoida yksilöllisesti kullekin sovellukselle. Privaattiverkot voittavat julkiset verkot myös luotettavuuden ja saatavuuden suhteen, koska niiden toiminta ei ole riippuvainen operaattorista.

MITÄ 5G TEKEE PAREMMIN KUIN WI-FI 6?

Tällä hetkellä suurin osa privaattiverkoista – joita esimerkiksi Saksassa kutsutaan varsin yleisesti kampusverkoiksi - perustuu Wi-Fi-tekniikkaan. Wi-Fi 6, joka tunnetaan myös nimellä Wi-Fi AX, on tekniikan uusin sukupolvi, joka julkistettiin lähes samaan aikaan kuin 5G-tekniikka. 5G:n tapaan se tuo lukuisia parannuksia, kuten enemmän kaistanleveyttä datastriimiä kohden, alhaisemman viiveen ja korkeammat tiedonsiirtonopeudet, jotka yltävät jopa 6 gigabittiin sekunnissa. Tämän mahdollistavat uudet modulointimenetelmät, kuten OFDMA (ortogonaalinen taajuusjakoinen monipääsy) ja 1024-QAM (kvadratuuri-amplitudimodulaatio). Koska Wi-Fi 6 on taaksepäin yhteensopiva, käyttäjän laitteistoa ei tarvitse vaihtaa. Tämä on iso etu erityisesti toimistorakennusten yksityisille verkoille.

Kun verkkoon liitettyjen koneiden, järjestelmien ja mobiilisovellusten, kuten robottien ja itsenäisten kuljetusjärjestelmien määrä kasvaa, myös yksityisen verkon tarpeet lisääntyvät. Monet teollisuus- ja tuotantolaitokset tarvitsevat myös privaattiverkon, joka kattaa sisätilojen lisäksi ulkoalueet, koska esimerkiksi kuljetus- järjestelmät levittäytyvät yleensä koko tuotantolaitoksen alueelle. Matalataajuisena (3,7–3,8 GHz verrattuna 5 GHz:iin Wi-Fi-verkossa) 5G kattaa suuremman alueen ja tarjoaa silti Wi-Fin kanssa vertailukelpoisia tiedonsiirtonopeuksia. Wi-Fiä ja jopa Wi-Fi-verkkovierailua käytettäessä tapahtui usein, että autonomisen kuljetusjärjestelmän oli pysähdyttävä hetkeksi, kun siirrytään solun alueelta toiselle. Liikkeeseen päästään vasta, kun yhteys uuteen soluun tai yhdyskäytävään on muodostettu. Tämä koskee erityisesti kaikkia mobiili- sovelluksia, jotka ovat riippuvaisia jatkuvasta datavirrasta.

5G-solut ovat suurempia, latenssiajat ovat lyhyempiä ja siirtyminen solujen välillä on saumatonta. Joten kun on kyse mobiili- järjestelmistä ja sovelluksista, joita käytetään teollisuuden järjestelmien ja tuotantolaitosten automaatiossa, 5G:llä on selvä etu puolellaan.

MITEN YRITYKSET SAAVAT 5G-PRIVAATTIVERKON?

Saksassa yritykset voivat hankkia lisenssejä 5G -taajuuksille jättämällä hakemuksen liittovaltion sähkö-, kaasu-, televiestintä-, posti- ja rautatievirastolle. Federal Network Agency on hyväksynyt 100 megahertsiä taajuuksia (3,7 - 3,8 GHz) paikallisiin verkkoihin tätä tarkoitusta varten. Taajuuslohkoja voidaan myöntää yhdelle tai useammalle kiinteistölle.

Lisenssimaksu lasketaan pyydetyn kaistanleveyden (B) megahertseinä (joka on määritettävä 10 megahertsin välein), lisenssisopimuksen keston vuosina (t) ja alueen perusteella (neliökilometreinä). Katettava alue voidaan luokitella "rakennettuna ympäristönä ja siihen liittyvänä liikennealueena" (a1) tai "muuna" (a2). Teollisuus- ja kauppa-alueet luokitellaan a1-luokkaan. Laskentakaava on seuraava:

Hinta euroissa = 1000 + B x t x 5 x (6 x a1 + a2)

Tuotantolaitokselle, jonka tehokas pinta -ala on 0,2 km², sopimuskausi kymmenen vuotta ja koko kaistanleveys 100 MHz, lisenssimaksu on 6000 euroa. Vuodessa lisenssin hinta on siis 600 euroa.

MITÄ LAITTEITA VAADITAAN PRIVAATTIVERKKOON?

Tarvittavat laitteet, 5G-korteista ja modeemeista antenneihin, palvelimiin ja virtalähteisiin, ovat saatavilla Rutronikilta. Yksi esimerkki on Telitin FN980-5G- M.2-kortti, joka oli yksi ensimmäisistä markkinoille tulleista 5G- tuotteista. Se tukee maailman- laajuisesti käytettyjä LTE- ja 5G- yhteyksiä alle 6 gigahertsin taajuuksilla eli myös n78-kaistaa, joka kattaa alueen 3,3 - 3,8 GHz, jota tarvitaan privaattiverkon rakentamiseksi Eurooppaan.

30 × 50 millimetrin kokoisena ja -40...+85 asteen lämpötila- alueella toimivana tämä 5G-M.2- kortti on ihanteellinen teollisiin sovelluksiin. Se perustuu Qualcommin Snapdragon X55 5G - piirisarjaan. FN980-kortin mukana toimitetaan oma Telit-ohjelmisto,  ja se voidaan konfiguroida AT- komennoilla. FN980m-malli tukee myös uusia millimetrialueen taajuuksia.

Myös Advantech tarjoaa 5G-M.2- kortin AIW-355DQ-perheen muodossa. Telitin piirisarjan tapaan Advantechin kortti perustuu Snapdragon X55 5G -piirisarjaan. Toisin kuin Telit, Advantech suunnittelee kuitenkin alueellisia versioita Eurooppaan, Pohjois-Amerikkaan ja Japaniin AIW-355DQ-sarjan avulla. Kortin koko on 52 × 30 millimetriä ja lämpötila-alue kattaa alueen -10 ... +55 astetta.

Molempien valmistajien 5G- verkossa toimivat M.2-kortit tarjoavat useita 5G- ja GNSS- antenniliitäntöjä. Rutronik tarjoaa sopivia antenneja esimerkiksi 2J:ltä, AVX:ltä ja Pulselta.

Yksi tuotepaletin kohokohdista on 2JW1683 Katana 2J:lta. Yhtenä pienimmistä 5G-mono- poliantenneista se tukee alle 6 GHz:n taajuusalueita privaattiverkossa ja on myös taaksepäin yhteensopiva 4G-, 3G- ja 2G- kaistojen tuen kanssa.

Nivelpistokkeen ansiosta antenni voi olla 45 - 90 asteen asennossa. Se on erittäin pienikokoinen, kooltaan vain 10 × 80 millimetriä, joten se mahdollistaa hyvin pienet laitteet. Silti antennilla voidaan lähettää rakennusten ja voimakkaasti rakennettujen kaupunkialueiden läpi, joten se sopii täydellisesti tuotantolaitosten koko alueen peittämiseen.

Mitä tulee 5G-laitteiden polymeeriliima-antenneihin, 2J tarjoaa versiot 2F0283P, 2JF0383P, 2JF0483P ja 2JF0583P. Nämä eroavat toisistaan vain maadoituslevyn koon suhteen.

Ne optimoivat signaalin voimakkuuden ja signaalin laadun koko alle 6 GHz:n alueella käyttämällä monisuuntaista lähetyskuviota. Ne tukevat 5G:n lisäksi myös vanhoja 4G-, 3G- ja 2G-taajuus- alueita.

Rutronikin langattomien tekniikoiden tiimiltä on saatavana sopivia kaikenpituisia ja -värisiä kaapeleita ja liittimiä, ja teknistä tukea tarjoaa suuri joukko sovellus- suunnittelijoita ja tuoteasian- tuntijoita.

Artikkeli on ilmestynyt ETNdigi-lehden numerossa 2/2021. Sen voit lukea täällä.