Niepubliczne sieci 5G

Sieci 5G w fabrykach mogą być wykorzystywane w sposób, jaki w poprzednich generacjach sieci komórkowych nie był brany pod uwagę. Przykładowo niektóre przypadki użycia w przemyśle mogą wymagać, żeby dla ochrony prywatności danych, do których nie powinien mieć dostępu nikt spoza przedsiębiorstwa lub w razie konieczności zabezpieczenia infrastruktury sieci przed zniszczeniem, ta ostatnia znajdowała się w siedzibie firmy i/albo była jej własnością. W takich sytuacjach można zorganizować sieć niepubliczną (prywatną).

Koncepcja sieci NPN (Non Public Network) została wprowadzona już wcześniej. Dopiero jednak w specyfikacji 5G przewidziano jej różne konfiguracje.

Inaczej niż sieci publiczne, które oferują ogółowi społeczeństwa usługi łączności komórkowej, sieci niepubliczne zapewniają je określonej grupie użytkowników. Korzysta się z nich w wyjątkowych sytuacjach, na przykład w razie wysokich wymagań w zakresie jakości i dostępności usług i/albo bezpieczeństwa danych.

Case study: Prywatna sieć 5G w sterowaniu autonomiczną flotą ciężarówek Producent aut zamierzał wdrożyć w swoim zakładzie zautomatyzowany system przewozu części do montażu z magazynu do hali produkcyjnej. W tym celu podczas każdej zmiany jednocześnie miało być wykorzystywanych kilkadziesiąt bezzałogowych w pełni autonomicznych ciężarówek, które przemieszczałyby się po obiekcie o powierzchni prawie 4 km² bez interwencji załogi. Każdy pojazd miał zostać wyposażony w co najmniej cztery kamery HD i czujnik LiDAR, które przesyłałyby wyniki pomiarów do centrali strumieniowo. W celu umożliwienia zarządzanie ruchem takiej floty konieczna jest niezawodna komunikacja bezprzewodowa. Minimalne wymagania dla łącza między ciężarówką a centralą to przepustowość 25 Mb/s uplink i 5 Mb/s downlink, przy opóźnieniach od 10 do 20 ms. Ze względu na rozległość zakładu konieczny jest duży zasięg. Komunikacja powinna być też wysoce niezawodna, bo w razie utraty łączności ze względów bezpieczeństwa ciężarówki będą automatycznie zatrzymywane, a przerwy w dostawach części mogą powodować przestoje montażu. Początkowo rozważano zorganizowanie systemu łączności w oparciu o publiczną sieć komórkową. Niestety jej operator nie był w stanie zagwarantować wymaganej przepustowości, opóźnień, zasięgu ani oczekiwanej niezawodności transmisji na tak rozległym terenie. Wysokie byłyby również koszty takiej usługi. Obawy budziła oprócz tego kwestia prywatności danych. W grę nie wchodziło także wykorzystanie łączności Wi-Fi, gdyż zorganizowanie sieci pokrywającej zasięgiem tak duży teren byłoby bardzo drogie. Ostatecznie zdecydowano się na budowę własnej sieci. Zastanawiano się nad 4G/LTE, ale z niej zrezygnowano, ponieważ nie spełniałaby wymagań w zakresie przepustowości ani opóźnień w łączu uplink. Dlatego, również z myślą o przyszłych zastosowaniach, wybrano technologię 5G. Sieć zbudowano z 18 punktów dostępowych. AP (Access Points) i anteny zostały zainstalowane na dachu fabryki, gdzie można było doprowadzić zasilanie i łącze światłowodowe bez dodatkowych kosztów. Od strony programowej wdrożono przetwarzanie brzegowe i rozwiązania, które automatycznie równoważą obciążenie węzłów. Z czasem z zakładowej sieci 5G oprócz floty transportowej zaczęły korzystać roboty autonomiczne i system kamer bezpieczeństwa.

Sieci NPN zapewniają zoptymalizowany zasięg. Mniejsze odległości fizyczne między elementami infrastruktury sieciowej zmniejszają opóźnienia. Można się także dzięki nim uniezależnić od awarii sieci publicznych, a te występujące w sieci niepublicznej efektywnie rozwiązywać wewnętrznie w ramach organizacji. Bezpieczeństwo danych pozwala zwiększyć wprowadzenie ograniczeń dla nieautoryzowanych użytkowników. Można też ustalić dla nich różne prawa dostępu do konkretnych usług.

Klasyfikacja sieci niepublicznych

Sieci niepubliczne dzieli się na dwie grupy: zorganizowane jako odizolowane i te połączone z siecią publiczną. Do pierwszej zalicza się jeden typ sieci, a do drugiej trzy, różniące się stopniem interakcji i współdzielenia infrastruktury z siecią publiczną.

 

Rys. 1. Sieci NPN

W przypadku samodzielnej sieci niepublicznej, jak pokazano na rysunku 1a, wszystkie funkcje sieciowe są realizowane wewnątrz logicznego obwodu obiektu, na przykład fabryki, a sieć jest oddzielona od tej publicznej. Jedyna droga komunikacji między nimi to firewall, będący wyraźnie zdefiniowanym i możliwym do identyfikacji punktem granicznym. Operator ponosi wyłączną odpowiedzialność za obsługę NPN i wszystkie atrybuty usług do tej granicy. Sieć niepubliczna jest całkowicie niezależna dzięki własnemu identyfikatorowi. Dostępne jest opcjonalne połączenie z usługami sieci publicznej przez firewall. Alternatywnie urządzenia NPN mogą subskrybować bezpośrednio sieć publiczną, by uzyskać dostęp do jej usług. W razie potrzeby opcjonalne połączenie można też wykorzystać w celu uzyskania dostępu do usług NPN za pośrednictwem sieci publicznej. Ponadto operator NPN może zawrzeć umowy roamingowe z jednym albo z większą liczbą operatorów sieci publicznych i w tym celu również wykorzystać opcjonalne połączenie.

Różne typy NPN

Sieci zaliczane do drugiej kategorii stanowią kombinację sieci publicznych i niepublicznych. Mogą przykładowo współdzielić interfejs radiowy (rys. 1b). W kolejnej konfiguracji (rys. 1c) poza tym, że sieci dzielą interfejs radiowy, za nadzór nad siecią odpowiada operator sieci publicznej. Ruch w sieci NPN pozostaje w takim przypadku wewnątrz logicznego obwodu obiektu, na przykład fabryki, zaś ruch na zewnątrz jest przenoszony do sieci publicznej. Realizuje się to, tworząc logicznie niezależne sieci w ramach współdzielonej infrastruktury fizycznej. Rozdzielenie sieci publicznych i prywatnych osiąga się dzięki różnym identyfikatorom wycinków sieci.

W konfiguracji jak na rysunku 1d część ruchu w sieci publicznej i część ruchu NPN są obsługiwane na zewnątrz logicznych obwodów obiektów, ale są traktowane tak, jakby były częściami różnych sieci. Osiąga się to przez wirtualizację funkcji sieciowych w chmurze. Następnie są one wykorzystywane przez sieć publiczną, jak i NPN. W opisywanym podejściu abonenci NPN są także abonentami sieci publicznej. Ponieważ wszystkie dane przesyłane są przez sieć publiczną, dostęp do jej usług oraz możliwość roamingu można łatwo uregulować umową między operatorami NPN i sieci publicznej.

Czym jest OPC?

Spośród przemysłowych protokołów komunikacyjnych wyższych warstw, które można by połączyć z TSN, na szczególną uwagę zasługuje OPC (Open Platform Communications).

Podstawowe pojęcia z zakresu tego standardu to serwer i klient OPC. Pierwszy to oprogramowanie, zapewniające zestandaryzowany interfejs komunikacyjny zastrzeżonych protokołów. Jego dostawcą może być producent danego sprzętu. Jest wtedy dostarczany jako oprogramowanie samodzielne lub wbudowane na urządzeniu lub kontrolerze maszyny. Dostępne są też serwery OPC od niezależnych dostawców. Jest to opcja, która umożliwia skomunikowanie się ze sprzętem, którego producent nie oferuje własnego serwera OPC. Tego typu oprogramowanie wyróżnia szersze wsparcie protokołów komunikacyjnych, często więcej funkcji, a czasem prostsza obsługa i lepsza stabilność. Oprócz tego router OPC może używać specjalnej wtyczki (rozszerzenia), by pracować jako serwer OPC.

Do danych z serwera ma dostęp podłączony do niego klient OPC. Może się on komunikować z dowolnym serwerem OPC. Jako klient pracują różne aplikacje systemów SCADA i MES. Klientem (z funkcją bramki) jest również router OPC z odpowiednią wtyczką (rozszerzeniem). Skorzystać można ponadto z darmowych klientów testowych w celu sprawdzenia funkcjonalności i konfiguracji serwera OPC.