انقلاب صنعتی چهارم یا صنعت نسل چهارم منجر به افزایش انعطافپذیری، بهرهوری و قابلیت اطمینان در فرآیندهای صنعتی میشود. تحقق صنعت نسل چهارم مستلزم تبادل زمان واقعی حجم زیادی از داده بین بخشهای مختلف صنایع است. از این رو، فراهم کردن بستر ارتباطی با قابلیت برآوردهسازی نیازمندیهای تاخیر، پهنای باند، امنیت و اطمینانپذیری مورد نیاز، از چالشهای توسعه صنعت نسل چهارم است. یکی از فناوریهای امیدبخش در این زمینه فناوری 5G است. این فناوری با پشتیبانی از موارد کاربرد eMBB ،uRLLC و mMTC میتواند پاسخگوی نیازمندیهای صنعت نسل چهارم باشد. علاوه بر این برشبندی شبکه[1] و همچنین شبکههای خصوصی 5G امکان ارائه سرویس به صاحبان صنایع بهصورت اختصاصی و شخصیسازی شده را فراهم میآورند که بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. در این مقاله ضمن مرور ویژگیهای صنعت نسل چهارم، شبکههای خصوصی 5G مورد بررسی قرار گرفته و نمونههایی از کاربرد آنها در اکوسیستم صنعتی ارائه شدهاست.
کلیدواژه: انقلاب صنعتی چهارم، 5G، شبکه خصوصی، برشبندی شبکه.
انقلاب صنعتی چهارم (IR4.0[2]) یا صنعت نسل چهارم (I4.0[3])، در سالهای اخیر با تعاریف متفاوت مورد مطالعه قرار گرفته است. مطابق تعریف ارائه شده توسط GSMA «چهارمین انقلاب صنعتی، تغییرات تصاعدی در نحوه زندگی، کار و ارتباط ما با یکدیگر به دلیل بهکارگیری سیستمهای سایبر-فیزیکی، اینترنت اشیا (IoT[4]) و اینترنت سیستمها (IoS[5]) است [1]». اگرچه این تعریف بسیار گسترده است، اما نشاندهنده تمایز I4.0 از نسل قبلی آن یعنی I3.0 است. I3.0 مبتنی بر بهکارگیری رایانه و اترنت صنعتی (مانند EtherCAT و PROFINET) به منظور افزایش پیشبینیپذیری و کاهش تأخیر در فرایندهای خودکار مقیاس بزرگ و کنترل دیجیتال آنها است که منجر به بهبود و افزایش سرعت فرایندها میشود. در مقابل I4.0 به دنبال بازنمایی سایبر-فیزیکی از اشیا، فرآیندها و عملیات است تا امکان تصمیمگیری زمانواقعی مبتنی بر داده را فراهم کند. در I4.0 هدف اصلی جمعآوری هوشمند، انعطافپذیر و هماهنگ دادههای مختلف و استفاده از روشهای چابک با هدف بهبود کیفیت محصولات، افزایش ایمنی و کاهش زمان عرضه به بازار، ضایعات و هزینه بوده و درنهایت، بهبود کیفیت تجربهشده مشتریان است [2]. ویژگیهای متمایزکننده و مولفههای کلیدی معماری I4.0 در جدول 1 آورده شدهاند. تحقق سیستمی با ویژگیهای مذکور در جدول 1، مستلزم تبادل زمان واقعی حجم زیادی از دادهها بین گرههای حسگر، محرک و پردازشی از یک طرف و مؤلفههای توزیع شده سیستم از طرف دیگر است. از این رو، فراهم کردن بستر ارتباطی با قابلیت برآوردهسازی نیازمندیهای تأخیر، پهنای باند، امنیت و اطمینانپذیری مورد نیاز، از چالشهای توسعه I4.0 است. یکی از فناوریهای امیدبخش برای تحقق I4.0 ، فناوری 5G است.
| ویژگی | مولفههای کلیدی |
| بههمپیوسته[6]: توانایی ادغام اجزای فیزیکی و دیجیتالی همه اشیا متصل، که بیانگر توانایی ماشینها، دستگاهها، حسگرها و سیستم ها برای اتصال و ارتباط است. | – شبکه خصوصی 5G – شبکه عمومی – IoT و IIoT[7] – IoS |
| شفاف[8]: I4.0 شامل حجم عظیمی از دادهها است که بهطور شفاف به اشتراک گذاشته میشوند و برای تأثیرگذاری بر تصمیمگیری، بهبود فرآیند و زنجیره تأمین، تجربه مشتری و غیره قابل دسترسی هستند. | – امنیت – مدیریت – مصورسازی[9] |
| افزوده شده[10]: هوش مصنوعی (AI[11])، یادگیری ماشین (ML[12])، رباتیک، شبیهسازی (مانند دوقلوهای دیجیتال[13]) و واقعیت توسعه یافته (XR[14])، که تواناییهای انسان در تصمیمگیری، حل مسائل و اقدام را تقویت میکنند، به طور گسترده در I4.0 مورد استفاده است. | – رباتها – دوقلوی دیجیتال – AI/ML |
| غیرمتمرکز[15]: عبارت است از توانایی سیستمها و گرههای درون سیستمها برای عمل مستقل و هماهنگی با یکدیگر برای تصمیمگیری و اقدام. | – MEC[16] – همنواسازی[17] لبه – تجزیهوتحلیل لبه |
جدول 1: ویژگیها و مولفههای کلیدی I4.0ا[2]
بهکارگیری 5G در Industry 4.0
همانطور که در بخش قبل بیان شد، ارتباطات نقش حیاتی در I4.0 بازی میکند. خلاصه نیازمندیهای ارتباطی کاربردهای صنعتی کلیدی I4.0 در جدول 2 آورده شده است [3]. با بلوغ I4.0 و افزایش گسترده بهکارگیری حسگرها و محرکها در صنایع مختلف، ارتباطات سیمی امکان برآوردهسازی نیازمندیهای I4.0 را نخواهند داشت و انتخابی جز یک راهحل بیسیم، میسر نخواهد بود. از مزایای فناوریهای بیسیم در ارتباطات صنعتی میتوان به انعطافپذیری بیشتر برای اتصال ماشینها و دستگاهها، کاهش هزینههای نصب و نگهداری، پشتیبانی از تحرک و قرار گرفتن کمتر پرسنل در موقعیتهای خطرناک اشاره کرد. اگرچه فناوریهای WiFi و بلوتوث از نظر هزینه پیادهسازی بهصرفه به نظر میرسند، اما فاقد مکانیسمهای لازم برای فراهمسازی اطمینانپذیری، امنیت و عملکرد مورد انتظار در I4.0 هستند. 5G به دلایلی که در زیر آمده است گزینه مناسبتری در کاربرد I4.0 است [3]:
جدول 2: نیازمندیهای ارتباطی کاربردهای صنعتی کلیدی در صنعت نسل چهارم [3]
- 5G به گونهای طراحی شده است که قابلیت پشتیبانی از سه دسته اصلی خدمات که عبارتند از eMBB (با نرخ داده 100Mbpsدر فروسو[18] و 50Mbps در فراسو[19]))، mMTC (با چگالی اتصال 1 گره بر مترمربع) و uRLLC (با تأخیر از مرتبه چند میلیثانیه و قابلیت اطمینان 99.9999%) را داراست [4]. با توجه به جدول 2، این مشخصات 5G پاسخگوی نیازمندیهای صنعتی است.
- برخلاف فناوریهای بیسیم صنعتی پیشین مبتنی بر Wi-Fi و بلوتوث، 5G کیفیت سرویس مشخصی را برای کاربردهای صنعتی حیاتی فراهم میکند.
- پلتفرمهای متحرک، مانند وسایل نقلیه هدایت شونده خودکار و رباتهای متحرک، از عناصر کلیدی سیستمهای مختلف صنعتی در حال ظهور و آینده هستند. از جمله ویژگیهای 5G پشتیبانی از تحرک مورد نیاز در این کاربردها (تا سرعت 500کیلومتر بر ساعت) است.
- از جمله توانمندیهای 5G که در حال بررسی و توسعه است، موقعیتیابی با دقت در حد 10 سانتیمتر با تأخیر از مرتبه چند ده میلیثانیه است. این قابلیت برای بسیاری از کاربردهای صنعتی نوظهور بسیار مهم است.
- رایانش لبه[20] توانایی ارتباط بین سیستمهای سازمانی صنعتی را در محلیترین سطح ممکن با شبکه بیسیم (خصوصی یا عمومی) فراهم میکند. این موضوع هم تأخیر انتقال انتها به انتها را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد و هم با حفظ دادهها در محدوده محل سازمانی حفظ امنیت اطلاعات و حریم خصوصی را فراهم میکند. در کنار ویژگیهای فوقالذکر، برشبندی شبکه و همچنین شبکههای 5G خصوصی امکان ارائه سرویس به صاحبان صنایع به صورت اختصاصی و شخصیسازی شده را فراهم میآورند [5] که در بخش بعدی معرفی میشود.
شبکههای خصوصی 5G
در کاربردهای صنعتی، یک گزینه استقرار که مورد توجه بسیاری از صاحبان صنایع قرار دارد «شبکههای خصوصی» سیار است که در اسناد 3GPP شبکههای غیر عمومی[21] خوانده میشود[5]. این شبکهها عبارتاند از شبکههایی که برای استفاده انحصاری شرکت خاص بوده و همه دستگاههای فعال بخشی از یک جامعه بسته هستند. مطابق پیشبینیهای GSMA Intelligence بین 25 تا 40 درصد از شرکتهای کوچک/متوسط بین سالهای 2023 تا 2025 از طریق شبکههای سیار خصوصی خدماترسانی خواهند شد [6]. بر مبنای پیشبینی ABI Research درآمد ناشی از شبکههای خصوصی سیار از 7 میلیارد دلار در سال 2023 به 96 میلیارد دلار در سال 2030 خواهد رسید [7]. از جمله ویژگیهای شبکههای خصوصی که در I4.0 مورد توجه هستند، عبارت است از [3]:
- پوشش اختصاصی: شبکههای خصوصی پوشش انحصاری را در یک مرکز یا مکان ارائه میدهند. این امر به ویژه برای سایتهای صنعتی که اغلب در مناطق دورافتاده قراردارند که شبکههای عمومی وجود نداشته و یا پوششدهی آن مناسب نیست، حائز اهمیت است. این پوشش اختصاصی برای دستیابی به دسترسی بسیار بالا برای عملیات صنعتی بسیار مهم است.
- ظرفیت انحصاری: تمام ظرفیت شبکه خصوصی در اختیار صاحب صنعتی است که شبکه به آن اختصاص دارد و مشابه شبکههای عمومی لازم نیست کاربران برای در اختیار گرفتن ظرفیت با یکدیگر رقابت کنند.
- کنترل داخلی: یک شبکه خصوصی، امکان کنترل کامل را به مالک خود ارائه میدهد؛ چیزی که در شبکههای عمومی امکانپذیر نیست. مالکان این شبکهها میتوانند سیاستهای امنیتی خود را برای مجوز دادن به کاربران، اولویتبندی ترافیک و مهمتر از همه، اطمینان از عدم خروج دادههای حساس، اجرا کنند.
- خدمات سفارشی: یک شبکه خصوصی را میتوان بر اساس الزامات برنامههای صنعتی خاص سفارشی کرد. چنین سفارشیسازی در یک شبکه عمومی امکانپذیر نیست. علاوه بر این، یک شبکه خصوصی 5G را میتوان بهطور مؤثر بین چندین برنامه صنعتی به اشتراک گذاشت.
علاوه بر شبکه خصوصی، برشبندی شبکه نیز قابلیتی است که در 5G معرفی شده و میتواند در صنایع مورد استفاده قرار گیرد. برشبندی شبکه به مشتریان اجازه میدهد تا منابع شبکه را برای استفاده انحصاری خود در اختیار داشته باشند و طیف وسیعی از ویژگیهای عملکردی را که برای نیازهایشان بهینه است، ارائه دهند. این ویژگی از طریق پیکربندی زیرساخت فیزیکی شبکه محقق میشود و یک شبکه «مجازی» ارائه میدهد که همان قابلیتهایی را فراهم میکند که گویی مشتری یا برنامه کاربردی شبکه سفارشی خود را دارد [6].
شکل 1: معماریهای مختلف شبکه خصوصی 5G: (الف) استقرار مستقل، (ب) استقرار RAN مشترک عمومی-خصوصی، (ج) استقرار RAN و صفحه کنترل اشتراکی [3]
در این مقاله تمرکز اصلی بر روی راهاندازی شبکههای خصوصی 5G است. از جمله نکات حائز اهمیت در پیادهسازی این شبکهها، معماری و تعامل آنها با شبکههای عمومی، چگونگی تخصیص طیف فرکانسی به آنها و همچنین استانداردسازی در این حوزه است. در ادامه به این موضوعات پرداخته میشود.
معماری شبکه خصوصی 5G
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، سه معماری برای شبکههای خصوصی 5G معرفی شده است[3]:
استقرار مستقل: در این گزینه که در شکل 1 (الف) نشان داده شده است، یک شبکه خصوصی تمامی اجزا شبکه (رادیو و هسته) را دارا بوده و کاملاً از شبکه عمومی جدا است. تمام جریانهای داده و عملکردهای شبکه (صفحه کاربر[22] و صفحه کنترل[23]) در داخل محوطه سایت صنعتی (به عنوان مثال، یک انبار یا یک کارخانه) انجام میشود. در صورت نیاز، امکان اتصال به شبکه عمومی از طریق فایروال وجود دارد.
استقرار RAN مشترک عمومی-خصوصی: در این گزینه که در شکل 1 (ب) آورده شده است، شبکه خصوصی و عمومی دارای RAN مشترک و در عین حال توابع شبکه مجزا هستند. صفحه داده شبکه خصوصی به سایت صنعتی محدود می شود. شبکه خصوصی شناسه مختص خود را داشته و از طریق توافقنامه اشتراک RAN با همتای عمومی تعامل میکند.
استقرار RAN و صفحه کنترل اشتراکی: در این گزینه که در شکل 1 (ج) نشان داده شده است، شبکههای عمومی و خصوصی بخشی از RAN را به اشتراک میگذارند. علاوه بر این، توابع شبکه صفحه کنترل در شبکه عمومی مدیریت شده و صفحه داده شبکه خصوصی در محوطه سایت صنعتی است. این گزینه از طریق تکنیکهای برشبندی شبکه محقق میشود. شبکه خصوصی و نسخه عمومی دارای شناسههای برش جداگانه هستند. کاربران شبکه خصوصی در واقع مشترکان شبکه عمومی هستند.
مقایسهای از ویژگیهای هریک از این سه معماری در جدول 3 آورده شده است.
طیف فرکانسی در شبکه خصوصی 5G
طیف موردنیاز در شبکه خصوصی 5G را میتوان به سه روش تأمین کرد:
استفاده از طیف مجوزدار[24]: مشابه شبکههای عمومی، شبکههای خصوصی نیز میتوانند در طیف مجوزدار مستقر شوند. عملکرد در طیف مجوزدار، اطمینان عملکرد بیشتر با خطر تداخل کم را فراهم میکند. در استقرار به این شیوه، اپراتورها میتوانند بخشی از طیف مجوزدار خود را به شبکه خصوصی در یک منطقه جغرافیایی خاص، مانند یک سایت صنعتی، اختصاص دهند. همچنین این امکان وجود دارد که نهادهای نظارتی منطقهای طیفی را برای شبکه صنعتی اختصاص دهند.
استفاده از طیف بدون مجوز[25]: گزینه دیگر برای استقرار شبکههای خصوصی 5G، طیف بدون مجوز است، به عنوان مثال، در باند 2.4 گیگاهرتز، باند 5 گیگاهرتز و باند 6 گیگاهرتز که اخیراً افتتاح شده است. این باندهای طیف توسط Wi-Fi، بلوتوث، Zigbee و فناوریهای مختلف دیگر نیز مورد استفاده بوده و ذاتاً برای استفاده مشترک باز هستند. لازم به ذکر است که بهکارگیری طیف بدون مجوز در شبکههای سلولی نسل چهارم مورد توجه زیادی قرار گرفته است.
استفاده از طیف مجوزدار اشتراکی: گزینه سوم برای استقرار 5G خصوصی، طیف دارای مجوز مشترک است. نمونههای طیف دارای مجوز مشترک شامل باند 3.5 گیگاهرتز (CBRS[26]) در ایالات متحده، باند 3.7-3.8 گیگاهرتز در آلمان و باند 3.8-4.2 گیگاهرتز در بریتانیا است. برخلاف طیف بدون مجوز، روشهای دسترسی هماهنگ و پویا برای طیف مشترک در حال توسعه هستند که میتوانند تضمینی برای عملکرد بدون تداخل مشابه باندهای مجوزدار ارائه دهند.
جدول 3: مقایسه معماریهای مختلف شبکه خصوصی 5Gا[8]
استانداردگذاری
به طور سنتی، جوامع صنعتی و مخابرات بیسیم به صورت مستقل و جدا از هم فعالیت میکردهاند. این جدایی و شکاف مانع بزرگی برای توسعه و پذیرش گسترده فناوریهای بیسیم صنعتی بوده است. در سال 2017، انجمن تولیدات الکتریکی و الکترونیکی آلمان، کارگروه 5G را راه اندازی کرد که اکنون به 5GACIA[27] گسترش یافته است.
ماموریت 5G ACIA
گردآوری کل اکوسیستم و اطمینان از لحاظ شدن الزامات حوزه صنعتی در استانداردسازی و مقررات فناوری 5G است. از سوی دیگر، 3GPP اقدامات مختلفی را در نسخه 16 که بر کاربرد شبکههای خصوصی 5G در سیستمهای صنعتی متمرکز است انجام داده است. 3GPP همچنین در حال کار بر روی گزینههایی مانند پشتیبانی از TSN[28]، هماهنگسازی زمان، بهینهسازی لایههای دوم/سوم و QoS[29] پیشرفته است که میتوانند منجر به توسعه 5G در حوزه صنعتی شوند.
نمونههایی از پیادهسازی شبکههای خصوصی
در ادامه نمونههایی از پیادهسازی شبکه خصوصی 5G ارائه میشود [6]:
- شرکت Ford Motor و Vodafone Businessدر حال نصب یک شبکه تلفن همراه خصوصی 5G در یک سایت جدید تولید خودروهای الکتریکی در بریتانیا هستند تا سرعت تولید باتریهای الکتریکی را افزایش دهند. هدف کاهش تاخیر در تولید، افزایش پهنای باند، بهبود امنیت و قابلیت اطمینان و افزایش بهرهوری است.
- China Mobile ،Huawei و Haier استقرار رایانش لبه، 5G و بینایی ماشین را در محیط تولید Haier تکمیل کردهاند. با استفاده از این راهحل، یخچال فریزرهای فولاد ضد زنگ بهصورت بصری در زمان واقعی بررسی میشوند تا عیوب تولید را بررسی کنند. رایانش لبه به منظور میزبانی برنامههای بینایی ماشین در محل تولید مستقر شده است.
- Lufthansa Technik و Vodafone Business یک شبکه خصوصی 5G مستقل در پایگاه 8500 مترمربعی Lufthansa در فرودگاه هامبورگ مستقر کردهاند. این بدان معناست که Lufthansa Technik اکنون میتواند آزادانه شبکه را بر اساس نیازهای خود پیکربندی کند. همچنین تکنسینها میتوانند از فناوریهای واقعیت مجازی و واقعیت افزوده با وضوح بالا برای کار دقیقتر روی بدنه هواپیما استفاده کنند. همچنین به عنوان بخشی از شبکه خصوصی، دادههای حساس کاملاً ایمن هستند.
نتیجهگیری
با توجه به گسترش I4.0 و فرصتهای بسیار زیادی که برای اپراتورهای شبکه موبایل در این حوزه وجود دارد در این مقاله به نیازمندیهای ارتباطی I4.0 و توانائیهای فناوری 5G در پاسخگویی به آنها پرداخته شد. در این راستا شبکههای خصوصی 5G به عنوان گزینهای که امکان ارائه سرویس به صاحبان صنایع به صورت اختصاصی و شخصیسازی شده را فراهم میآورد معرفی شد. معماری این شبکهها، تخصیص طیف فرکانسی به آنها و همچنین استانداردگذاری این حوزه مورد بررسی قرار گرفت. درنهایت نمونههایی از بهکارگیری فناوری 5G در صنایع ارائه شد.
منابع
[1] GSMA, “Recognizing the potential of Industry 4.0 in Asia Pacific,” Jan. 2021.
[2] GSMA, “Industry 4.0 (I4.0) Brownfield Evolution Framework,” Apr. 2023.
[3] A. Aijaz, “Private 5G: The future of industrial wireless,” IEEE Industrial Electronics Magazine. Vol. 14, no.4, pp. 136-145, Dec. 2020.
[4] ITU-R, “Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020,”Nov. 2017.
[5] 3GPP, “System architecture for the 5G System (5GS),” TS 23.501 v. 17.5.0, July 2022.
[6] GSMA, “5G IoT Private & Dedicated Networks for Industry 4.0,” Oct. 2020
[8] J. Ordonez-Lucena, J. F. Chavarria, L. M. Contreras, A, Pastor, “The use of 5G Non-Public Networks to support Industry 4.0 scenarios,”in IEEE Conference on Standards for Communications and Networking (CSCN), Oct. 2019.
پینوشت
[1] Network slicing
[2] Fourth Industry Revolution
[3] Industry 4.0
[4] Internet of Things
[5] Internet of Systems
[6] Interconnected
[7] Industrial IoT
[8]Transparent
[9] Visualization
[10] Augmented
[11] Artificial Intelligence
[12] Machine Learning
[13] Digital Twin
[14] Extended Reality
[15] Decentralized
[16] Multi-Access Edge Computing
[17] Orchestration
[18] Downlink
[19] Uplink
[20] Edge computing
[21] Non-public networks
[22] User Plane
[23] Control Plane
[24] Licensed
[25] Unlicensed
[26] Citizens Broadband Radio Service
[27] 5G Alliance for Connected Industries and Automation
[28] Time Sensitive Network
[29] Quality of Service
