Trots de möjligheter som 5G för med sig krävs det övning och en helhetssyn för att få ut maximalt av tekniken. Ludger Boeggering från u-blox tittar här på både 5G och 4G LTE.

Det är knappast några nyheter att vi är på väg mot den fjärde industriella revolutionen. Internet of Things (IoT), artificiell intelligens, ubikvitär trådlös uppkoppling, blandad verklighet, blockkedjor, autonoma fordon, molnet – dessa och mängder av andra nya innovationer förändrar det sätt på vilket olika branscher verkar. Löftet: fusionen mellan digitala och fysiska system till Industrial Internet of Things (IIoT) – ett cyberfysiskt system som utgör en grundläggande byggsten för Industry 4.0.

Fig 1: Ett cyberfysiskt system utgör en grundläggande byggsten för Industry 4.0

5G står i rampljuset. Vissa ser den femte generationen av mobilteknik som en hype. Andra håller på att vända upp och ned på sina branscher för att kunna hoppa på tåget som tidiga användare. Någonstans där emellan finns de lite mer försiktiga som investerar i 5G för att skaffa sig de kunskaper som behövs för att kunna skapa nya produkter och lösningar som de kan erbjuda kunderna så snart dammet har lagt sig och tekniken mognat lite.

Med tanke på all hype kommer denna förvirring knappast som någon överraskning. I och med att de industrirelevanta aspekterna av 5G fortfarande ligger några år från ett allmänt anammande kommer traditionellt konservativa branscher att frestas att avvakta med investeringarna i IIoT tills den nya standarden i Rel-17 har implementerats helt. När allt kommer till kritan: varför ösa pengar på 4G LTE – en teknik som förefaller hålla på att bli föråldrad – när en teknisk revolution håller på att ske?

En sak måste man dock ha i åtanke: 4G LTE är långt ifrån föråldrad – systemet tar ännu mer fart och fortsätter att öka sin närvaro under kommande år och kommer att dominera marknaden under ännu längre tid. 4G LTE ligger till och med till grund för 5G-nätverken när de börjar rota sig.

En poäng som tenderar att gå förlorad i allt brus kring 5G är att 4G LTE kommer att förbli den starkaste kandidaten för IIoT-lösningar långt in i detta decennium. I denna artikel beskriver vi varför det är på det viset. Vi tittar också på hur man bäst förbereder sig inför den nya 5G-eran och undersöker olika sätt att börja dra nytta av det värde 5G kommer att medföra – men med dagens 4G LTE-teknik.

Fig 2: LTE-nätverk kommer inte bara att vara tillgängliga i ytterligare minst ett decennium – de förväntas också fortsätta att vidareutvecklas långt in i 5G-eran

En gamechanger … så småningom
5G kommer utan tvivel att bli omdanande. Mycket av upphaussningen bakom 5G finns det fog för. Tekniken har till och med möjlighet att leva upp till den högtflygande ambitionen att i grunden omvandla den roll som mobiltekniken spelar i samhället med kulmen i ett ”Internet of Everything” som bygger på flera olika disruptiva innovationer.

* 5G lägger till nya spektrumband, inklusive sub 1 GHz och millimetervåg (>24 GHz) för att utöka kapaciteten.
* Tekniken medger upp till 1 GHz kanalbandbredd i millimetervågsband för att uppnå ultrahöga bredbandshastigheter.
* Tekniken inför också ett nytt radiogränssnitt (5G NR) som är tillräckligt mångsidigt för vitt skilda behov.
* Det krävs ett nytt kärnnätverk med små celler, nätverksskivning, nätverksvirtualisering, edge computing med mera för att klara kraven och skräddarsy prestanda enligt branschspecifika krav.

5G:s specifikationer har definierats av 3GPP, standardiseringsorganet som ansvarar för att definiera globala mobilkommunikationsstandarder och tillgodoser olika nya användningsfall som är relevanta för olika industritillämpningar. Med allt från en ny generation av gränssnitt mellan människa och maskin till automatiserad tillverkning och ubikvitär avkänning och molnanslutning kan de olika användningsfallen möjliggöras med rätt balans av 5G:s tre grundläggande pelare:

* Extremt mobilt bredband (Enhanced mobile broadband, eMBB) kommer att leverera dataöverföringshastigheter på över 10 gigabit per sekund samtidigt som kapaciteten ökar med tre storleksordningar.
* Ultratillförlitlig kommunikation med låg latens (Ultra-reliable low latency communication, URLLC) kommer att ha som mål att vara en enorm tillförlitlighet på upp till 99,9999 % med latenstider som räknas i millisekunder.
* Slutligen kommer massiv maskinkommunikation (massive machine type communication, mMTC) att ytterligare stärka dagens löfte om nätverk med LPWAN (nätverk med låg effekt, stor täckning) som levererar sporadiska data med låga krav på effekt till en låg kostnad.

En stegvis utrullning
Det finns mycket att se fram emot. Men det kommer att ta tid att rulla ut 5G helt runt om i världen. Vi kommer att få se mobilnätsoperatörerna anpassa sina tidsscheman efter de affärsfall de riktar sig till på respektive marknad samt deras villighet och kapacitet att göra de investeringar som krävs. Dessutom släpper inte 3GPP specifikationerna för 5G i ett svep till alla branscher. Istället kommer varje ny release att lansera ytterligare funktioner för tekniken.

3GPP Release 15 handlade mest om att möjliggöra eMBB och höghastighetsdataöverföring – primärt riktat till konsumentmarknaderna. Release 15 bröts ned i tre ytterligare subreleaser. Den första fokuserar på NSA-implementeringen (nonstandalone) av tekniken ovanpå 4G LTE-nätverk som påskyndades och lanserades i slutet av 2017. Större mobilnätsoperatörer har därefter levererat tekniken på viktiga marknader i tätorter.

Den andra subreleasen, som handlar om en fristående implementering av 5G, stod klar i mitten av 2018. Den tredje subreleasen kom i början av 2019 och innebar flera tekniska förbättringar. Eftersom mobilnätsoperatörer fortfarande håller på att rulla ut 5G NSA kan det dröja några år innan vi ser kommersiella utrullningar av den fristående varianten.

3GPP Release 16, avsedd att lanseras under första halvan av 2020, kommer slutligen att inrikta sig på de båda pelare som mest kommer att påverka den uppkopplade industrin: URLLC och, till sist, mMTC. URLLC i synnerhet kommer att kräva dedikerad nätverksimplementering. Release 17, som är planerad till det sista kvartalet 2021, kommer att utvidga dessa pelare ännu mer.

En smidig övergång för nätverk med låg effekt och stor täckning
För att säkerställa livslängden i dagens LPWA-lösningar, som bara börjat ta fart, gör 3GPP-konsortiet allt för att säkerställa en smidig migreringsväg från 4G LTE till 5G.

LTE-nätverk kommer inte bara att vara tillgängliga i ytterligare minst ett decennium, de förväntas också fortsätta att vidareutvecklas långt in i 5G-eran genom att framtidssäkra investeringar med ytterligare förbättringar i energieffektivitet, prestanda, storlek på enheter, funktioner och kostnader. Bakåtkompatibilitet kommer att säkerställa att 4G LTE-lösningarna fortsätter att leverera också när 5G blivit allmängods. Och ”gamla” LPWA-enheter som fungerar i dagens 4G-nätverk kommer att göras kompatibla med 5G-nätverken.

Detta förklarar varför vissa branscher tar till sig framsteg som görs av 4G LTE för att slimma sin verksamhet, öka effektiviteten och produktiviteten. Det är en trend som kommer att öka när vi går in i 5G-eran. Den kommer att ändra hela logiken på fabriksgolvet där en mycket fragmenterad marknad med trådbunden teknik fortfarande dominerar.

Dagens tillverkningsanläggningar utgörs till exempel av ”uppkopplade öar” som åtskiljs av portar på fältnivå. Eftersom befintliga teknikstandarder är fragmenterade och därmed saknar interoperabilitet krävs ett antal olika protokollöversättningar enbart för att få olika industrinätverkstekniker att kopplas ihop.

Jämför det med Industry 4.0:s löfte om full och ständig transparens inom alla processer och tillgångar med smidig kommunikation mellan varor, produktionssystem, leverans- och distributionskedjor, människor och processer, allt ovanpå en enhetlig, robust och tillförlitlig trådlös anslutning.

Nya affärsmodeller dyker upp
Det handlar inte bara om att driften omdefinieras. Hela affärsmodeller skakas om, drivet av en förenklad tillgång till data. Denna utveckling har skett snabbare än någonsin – i branschvertikaler – och får strategiskt värde som en möjliggörare av kvalitetskontroll i realtid, förebyggande underhåll, integrerade leverans- och distributionskedjor, övervakning av arbetskraften med mera. Detta ändrar i grunden det sätt på vilket industrier verkar.

Fig 3: Data ökar i strategiskt värde som en möjliggörare av kvalitetskontroll i realtid, förebyggande underhåll, integrerade leverans- och distributionskedjor, övervakning av arbetskraften med mera

I ett aktuellt fall accelererar Industry 4.0 hastigheten i företagets verksamhet under denna slogan: ”Dagens order är morgondagens leverans.” Man backar samtidigt den trend som varit standard sedan decennier tillbaka med centraliserad massproduktion: Efterfrågan på massproducerade varor som skräddarsys ned till varje enskild enhet kan endast klaras i tid om produktionskapaciteten kommer närmare slutkunderna.

Full spårbarhet är precis lika disruptiva: Tack vare Industry 4.0 känner nu driftcheferna till exakt källa för varenda komponent som används i varje producerad enhet. Enheterna kan övervakas kontinuerligt även i drift och avslöja svagheter i tillverkningsprocessen som kan avhjälpas och därmed förbättra kvaliteten hos framtida produkter. Kunderna kan dessutom skörda fördelarna med en ny nivå av data- och insiktsdriven service och support.

Genom att ta till sig tekniker som inte kräver trådbunden uppkoppling gör Industry 4.0 tillverkningen smidigare och mer mångsidig. LPWA och 5G är enklare att driftsätta än de gamla trådbundna lösningarna och minskar de investeringar som behövs för att samla in enorma mängder av avkända data. De accelererar implementeringen i befintliga och nya installationer. De levererar information av högre kvalitet och förbättrar operatörssäkerheten. Slutligen är de mycket mer flexibla att implementera och enklare att skala upp.

Lyfter industriell automatisering till nya nivåer
Att använda dessa data och omvandla dem till faktiska fördelar kräver en ny helhetssyn kring flöden med resurser, varor och människor liksom leverans-, produktions- och distributionskedjor. Drift och underhåll av alla maskiner och övriga installationer och säkerhet och välbefinnande hos de människor som är berörda får heller inte falla i glömska.

Konfigurationen och användningen av detta nya kommunikationssätt mellan varor, produktionssystem och processer kommer att kräva en omfattande mänsklig tankekraft och övervakning och en djupare förståelse för alla aspekter i produktionsprocessen. På samma sätt kommer rationalisering av processer på transportbanden att kräva en mer sofistikerad planering, framtagning och processhantering samt en förstärkning av den lokala produktionskapaciteten.

Kulmen på denna helhetssyn – kombinationen av driftsteknik (OT) och informationsteknik (IT) – blir den digitala tvillingen, en virtuell representation av all relevant information om tillverkningsprocessen. Allt eftersom digitala tvillingar mognar kommer de att utvecklas både i omfattning och djup. De kommer att binda samman allt mer detaljerade data om resurser, produkter och tillgångar liksom information om status och prestanda i den operativa infrastrukturen, maskiner och till och med externa leveranskedjor.

Privata nätverk – en språngbräda på väg till 5G
Det kommer dock att ta åratal innan de industrirelevanta aspekterna av 5G rullas ut i publika nätverk. Under tiden är icke-publika nätverk som ägs och drivs av företag eller professionella tjänsteleverantörer det snabbaste sättet att lösa utmaningar som tillförlitlighet, tillgänglighet, kort genomloppstid och datasekretess.
Icke-publika nätverk med 4G LTE är redan tillgängliga och ger företag möjlighet att justera nätverksparametrar och utnyttjande av radiospektrum för att klara branschspecifika behov. Dessa privata nätverk kan möjliggöra verksamhetskritiska tillämpningar, ultralåga latenstider, ultrahöga dataöverföringshastigheter och ge en extra nivå av säkerhet som konkurrerar med dem som erbjuds genom 5G.

Tillverkningsanläggningar, lager, leveranskedjor och logistik gynnas självklart av privata nätverk. I den omfattning de utnyttjar trådlös anslutning över huvud taget tenderar tillverkningsanläggningar att bestå av ett lappverk av tekniker som inte kan integreras i en enda plattform – något som begränsar komplexiteten i de tillämpningar de kan möjliggöra. Privata nätverk med 4G LTE, och längre fram 5G, erbjuder en ny nivå av mångsidighet, skalbarhet och enkelhet att implementera.

Flera länder har börjat att reservera spektrum specifikt för industriella privata mobilnätverk. Tyskland har reserverat spektrum i frekvensområdet 3,7 till 3,8 GHz och det är troligt att Sverige följer efter. Japan har reserverat spektrum i frekvensområdena 2,4, 4,5, 4,6 och 28,2–29,1 GHz medan Storbritannien har reserverat spektrum i frekvensområdena 1,8 GHz, 2,3 GHz, 3,8–4,2 GHz samt 24,25–26,5 GHz.

På begäran allokerar tyska Bundesnetzagentur (den federala infrastrukturmyndigheten) frekvenser under en begränsad period av upp till 10 år, med årsavgifter på 4-5-siffriga belopp (euro) baserat på begärd bandbredd, varaktighet i allokeringen samt täckningsområde. Det är ett attraktivt erbjudande som inte har välkomnats överallt av mobilnätsoperatörer, inte minst eftersom det tar en betydande del av tillgängligt frekvensspektrum.

Formar den uppkopplade industrins framtid
Vi på u-blox är mycket engagerade i att forma den uppkopplade industrins framtid. Som aktiva medlemmar i 3GPP-konsortiet deltar vi i och bidrar till standardiseringen av NB-IoT och mMTC. Dessutom är vi engagerade i pilotstudier som undersöker krav och prestanda för 5G-tekniken i industriella användningsfall.

5GSMART, som finansieras av Europeiska kommissionen, sammanför partners från industrin (Bosch, ABB, Ericsson och u-blox bland andra) och forskningsvärlden (Lunds universitet, Universitat Politècnica de València, Fraunhofer IPT), för att utvärdera potentialen för 5G i verkliga tillverkningsmiljöer. Som aktiv medlem i 5G-ACIA arbetar vi med ett blandat team av IT- och OT-industripartners för att säkerställa bästa möjliga tillämpning av 5G-teknik och 5G-nätverk för uppkopplade industrier, i synnerhet tillverknings- och processindustrier.

Fig 4: 5GSMART, som finansieras av Europeiska kommissionen, sammanför partners från industrin och forskningsvärlden för att utvärdera potentialen för 5G i verkliga tillverkningsmiljöer

Börja redan idag
Genom att bredda alla tillämpningar som mobiltekniken kan möjliggöra står 5G redo att ta den uppkopplade industrin till nästa nivå. Men det kommer att ta flera år innan industrirelevanta aspekter av standarden är mogna och mobilnätsoperatörerna rullar ut den infrastruktur som behövs för att implementera 5G-baserade lösningar. De goda nyheterna är att 3GPP gör allt för att tillhandahålla en smidig övergång från dagens 4G LPWA-tekniker till sina 5G-efterträdare. Det innebär att ni kan inleda er 5G-resa redan idag, ta till er av de möjligheter 4G LPWA redan erbjuder för att möjliggöra nya affärsmodeller och få ett teknikförsprång framför konkurrenterna som kommer att ge utdelning på lång sikt.

Ludger Boeggering, Senior Professional Market Development – Product Strategy, Product Center Cellular, u-blox

Filed under: Embedded