Четыре причины, по которым сети LTE еще не готовы к широкому вхождению в IIoT

Четыре причины, по которым сети LTE еще не готовы к широкому вхождению в IIoT

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассмотрены особенности LTE-технологии, которые не дают ей полностью соответствовать требованиям промышленного «Интернета вещей». В качестве решения данной проблемы предложено использование высокопроизводительных беспроводных кинетических ячеистых сетей, основанных на технологии Kinetic Mesh компании Rajant.

Промышленный «Интернет вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT) объединяет корпоративные информационные технологии (ИТ) с технологическими операциями и производственными процессами. Это дает возможность производителям получать и видеть оперативную информацию в реальном времени, причем, что важно, данные поступают нужному оператору в нужном месте и в нужное время. Использование технологии IIoT позволяет нам перейти от реагирования на возникшие обстоятельства, по факту к прогнозному техническому обслуживанию, которое направлено на повышение отдачи машин и оборудования, представляющего собой дорогие и ценные активы. Такой переход дает возможность увеличить доходы предприятия за счет оптимизации производительности на основе данных и новых сервисов.

В эпоху IIoT открываются широкие перспективы в виде использования беспроводных датчиков для мониторинга промышленного оборудования, а также облачных вычислений, робототехники, носимых устройств, дополненной и виртуальной реальности (augmented and virtual reality, AR/VR), а также расширенной аналитики, и все это способствует созданию той насыщенной информацией среды, которая, собственно, и определяет промышленный «Интернет вещей». Если вообразить виртуальную машину Руба Голдберга, состоящую из подключенных устройств, каждое из которых самостоятельно выполняет отдельные задачи, в совокупности имеющие большое влияние, — можно получить представление о том, насколько важным является IIoT для промышленных производителей и особенно для крупных игроков индустриального рынка.

Однако не все так гладко и радужно, как может показаться на первый взгляд. В этой области имеются весьма серьезные проблемы, которые нам необходимо преодолеть.

 

Проблемы сети

Приложения IIoT оказывают большую нагрузку на сети, в которых они работают. Ведь второе «I» в IIoT — это «Интернет», без которого IIoT не может существовать. И это не просто Интернет, а все его сложные сервисы, которые можно охарактеризовать как quad-play (буквально — «игра в четыре руки»). В общем случае это предоставление одним провайдером услуг Интернета, телевидения, телефонии и мобильной связи, а в нашем, «индустриальном» случае — данные, голосовые сообщения, видео и управление, и все это, естественно, требует надежного широкополосного доступа.

IIoT будет постоянно расширяться благодаря практически неограниченному количеству устройств и машин, которые могут быть в него интегрированы. Следовательно, сеть должна поддерживать легкую и простую масштабируемость, не теряя при этом своих скоростных качеств и не увеличивая время задержки в передаче информации. Последнее тесно связано с управлением, поскольку в IIoT часто требуются оценка той или иной ситуации и реагирование на нее в реальном времени или с крайне малой, минимально возможной задержкой. Кроме того, необходимо учитывать и тот факт, что промышленные сети обычно развернуты в жестких условиях окружающей среды и подвергаются воздействиям вибраций и перепадов температур, повышенной влажности, агрессивных сред и пр. Все это должны выдерживать элементы такой сети, а часто и ее инфраструктура.

Кроме того, не будем забывать и о проблемах, связанных с кибербезопасностью. Они являются следствием подключения как к самой корпоративной сети, так и к более широкому Интернету и подвержены присущим ему уязвимостям и рискам.

Наконец, для обеспечения бесперебойной работы без негативного влияния на производительность или безопасность критически важный характер приложений IIoT требует быстрого времени восстановления и весьма высокой мобильности подключения.

Производитель, стремящийся использовать возможности и преимущества подключения IIoT, должен реализовать многоуровневую систему связи, содержащую целый ряд технологий. А именно — локальную сеть (LAN) на заводе и в офисах, внутреннюю или обратную связь, расположенную между корпоративной локальной сетью и широкополосной связью, широкополосное беспроводное решение, которое может быть двухточечным (point-to-point, PtP — точка-в-точку) или многоточечным (point-to-multipoint, PtMP — точка-в-точки). Все это может быть реализовано, например, с использованием технологии сотовой связи LTE или оптоволокна. На уровне технологического и производственного процесса скорее всего понадобится система SCADA или другая система управления и диспетчеризации, без которых современное предприятие уже трудно себе представить.

Именно с помощью широкополосного беспроводного решения — последнего этапа подключения — датчики и органы управления объединяются в одну систему. Однако во многих средах достижение этой связи сопряжено с определенными трудностями.

Стремясь внедрить широкополосные беспроводные решения, которые поддерживают IIoT, производственные предприятия рассматривают возможность использования LTE. LTE — это стандарт беспроводной связи 4G, разработанный 3GPP (консорциум, занимающийся спецификациями для мобильной телефонии) в рамках проекта партнерства мобильной связи 3-го поколения (3G). LTE обеспечивает до 10 раз бо́льшую скорость для мобильных устройств по сравнению с сетью 3G. Тем не менее даже использование сетей LTE сопряжено с трудностями, когда речь идет о требуемых для индустриальной среды пропускной способности / скорости, гибкости, надежности и масштабируемости, то есть о всех достоинствах, характеризующих не только эту, но и вообще любую технологию как действительно готовую к работе в рамках приложения IIoT.

 

Почему LTE-технология еще не готова к широкому вхождению в IIoT

У сетей LTE есть преимущества для некоторых случаев использования, включая беспроводное подключение потребительского уровня, но они не способны поддерживать все требования IIoT. Рассмотрим четыре причины этому.

Причина № 1: проблемы с пропускной способностью / скоростью

Особенность технологии LTE заключается в том, что ее разные узлы выполняют разные функции. Узлы инфраструктуры действуют как точки доступа, а мобильные узлы могут передавать данные только узлам инфраструктуры и уже через них — друг другу.

Таким образом, устройства LTE не могут напрямую передавать данные или связываться с другим клиентским устройством LTE, не «поговорив» сначала с инфраструктурой (сотовым узлом), затем с коммутатором и не вернув данные обратно. Сети LTE спроектированы с большой инфраструктурой для максимального охвата. Башни для установки приемопередающих антенн высокие, поэтому их не так много на всей территории, что иногда создает проблемы с покрытием для этих сетей. Все мы испытывали на себе проблемы связи с более слабыми сигналами на сотовых телефонах при движении вниз по склону холма, под эстакадой автострады или внутри некоторых зданий.

Это делает LTE-сети достаточными для требовательных к задержкам приложений, таких как интеллектуальное измерение, где текущие данные передаются по временному графику, но этой технологии не хватает гибкости для поддержки платформ IIoT, которым необходимо функционирование в реальном времени, например в приложениях межмашинного взаимодействия (M2M, Machine-to-Machine — общее название технологий, которые позволяют машинам обмениваться информацией друг с другом или передавать ее в одностороннем порядке) или в условиях автономного функционирования.

Причина № 2: недостаточная гибкость

Инфраструктура LTE плохо адаптируется к быстрому увеличению плотности клиентов. У сотового узла есть фиксированное число подключений, которые он может поддерживать, что приводит к проблемам, связанным с перегрузкой по емкости подключений к данной инфраструктуре.

Инфраструктура LTE также имеет сложные статические конфигурации, которые нельзя просто адаптировать.

Причина № 3: нехватка надежности

Сеть, которая опирается на узлы инфраструктуры, соответственно, создает и точки глобального отказа. Если узел инфраструктуры выходит из строя, все его мобильные клиенты уже не смогут получить доступ к сети. В итоге вся зона покрытия этого узла становится мертвой.

Кроме того, инфраструктура и мобильные узлы имеют доступ только к соответствующим выделенным частотам. Также проблемы с подключением может создать потеря прямой видимости. В этом случае у пользователя нет реального способа обойти экранирующее препятствие для распространения радиосигнала или уйти от блокирующей связь помехи.

Владельцам предприятий предоставляется два варианта — смириться с простоями сети или вложить инвестиции во вторую сеть, используемую в качестве резервной. Однако оба предлагаемых способа отличаются высокой стоимостью, и ни один из них не идеален. Ставки здесь особенно высоки, когда из строя выходят критически важные приложения IIoT.

Специфический характер эксплуатации LTE-сетей в индустриальной среде при потребности обеспечить на 100% безотказную работу делает использование сети LTE, не имеющей гарантированной надежности, рискованным делом. Если для сети необходимо резервирование, причем еще и изначально, то такое требование, когда дело доходит до обеспечения возможности подключения IIoT, уже является той красной чертой, которую лучше не переступать. Для IIoT сеть должна быть единственной и гарантированно работоспособной.

Причина № 4: слишком дорогое масштабирование

Расширение сетей LTE требует установки новых больших вышек для приемопередающих антенн базовых станций. Кроме того, как было уже сказано, сети LTE имеют статические конфигурации и поддерживают только ограниченное количество одновременных подключений.

Эти расходы создают проблемы для промышленных компаний, надеющихся использовать сеть LTE в качестве широкополосного уровня доступа своей инфраструктуры IIoT. Однако при реализации IIoT резко увеличивается число устройств и приложений, и такие большие объемы сотовые сети уже не могут «переварить» для обработки. Количество подключенных «вещей» в промышленной операционной среде будет продолжать расти, и такие приложения IIoT, как M2M, будут включать огромное количество устройств, производящих отдельные передачи коротких пакетов. LTE будет крайне сложно справляться с трафиком сигнализации, который будет генерироваться в условиях меж­машинного взаимодействия.

 

Решение Rajant для IIoT

Преодолеть проблемы IIoT, которые невозможно решить с использованием технологии LTE, может такой тип сети, как ячеистая сеть Kinetic Mesh Network, разработанная компанией Rajant и называемая кинетической сеткой (рисунок). С помощью кинетической сетки узлы непрерывно и мгновенно направляют данные по наилучшему доступному на данный момент пути для трафика с учетом частоты.

Кинетическая ячеистая сеть использует все доступные частоты и пути для выполнения функций, что позволяет ей доставлять данные с малой задержкой для поддержки приложений IIoT с высокой пропускной способностью в реальном времени. Изображение предоставлено компанией Rajant

Рисунок. Кинетическая ячеистая сеть использует все доступные частоты и пути для выполнения функций, что позволяет ей доставлять данные с малой задержкой для поддержки приложений IIoT с высокой пропускной способностью в реальном времени. Изображение предоставлено компанией Rajant

Для начала отметим, что кинетическая сетка имеет пропускную способность и скорость, достаточную для обработки данных в условиях IIoT. В кинетической сетке все узлы равны и могут быть фиксированными (стационарными) или мобильными, причем взаимозаменяемо. Если одно устройство может видеть другое, оно может связаться с ним, общаясь на одноранговой основе. Посредническое оборудование может вводиться в тракт по мере удаления устройств друг от друга, что делает сети легкомасштабируемыми. Кинетическая сетка является дуплексной, что означает, что данные могут приниматься узлом на одной частоте и отправляться на другой частоте. Это создает надежную высокоскоростную передачу и обеспечивает очень низкую временную задержку передачи данных. Сеть использует все доступные частоты и пути для выполнения функций, что позволяет ей доставлять данные со сверхнизкой задержкой для поддержки приложений IIoT следующего поколения с интенсивной полосой пропускания, требующих обмена данными в реальном времени.

Кинетическая сетка Kinetic Mesh Network также является гибкой. Каждый узел может поддерживать несколько одновременных подключений, при этом ни одно уже созданное подключение не должно разрываться для создания новых. Сетевое программное обеспечение «точка-в-точку» работает на каждом узле, что позволяет динамически направлять трафик через самый короткий путь из доступных в данный момент. Сеть самооптимизируется по мере перемещения узлов и обновления условий, реагируя на изменения в топологии сети и нагрузке на сеть, а также на внешние воздействия, например помехи. Это гарантирует, что операторы будут постоянно подключены к дорогостоящим активам и смогут контролировать их даже в движении. Если путь передачи сигнала заблокирован или обнаружены помехи, вместо разрыва соединений информация мгновенно перенаправляется по лучшему из доступных путей, создавая общую мобильность и гибкость связи. Преимущество этой технологии заключается еще и в том, что кинетическая сетка Kinetic Mesh Network обеспечивает гарантированную надежность. Избыточность, благодаря наличию нескольких приемопередатчиков, устраняет присутствующую в технологии LTE единственную точку критического отказа, а множество доступных радиочастот открывают избыточные пути трафика, необходимые для обеспечения критически важной надежности. Благодаря наличию сотен возможных соединений сеть избегает помех, блокировки сигнала или перегрузки. Встроенная избыточность обеспечивает стабильно высокую доступность и эффективную работу сетевых приложений 24/7.

Наконец, кинетическая сетка обладает высокой масштабируемостью, что позволяет производителям создавать или расширять сетевую инфраструктуру под текущие потребности. Узлы могут быть развернуты где угодно, на любом ресурсе, чтобы расширить операционный охват как по скорости, так и по зоне покрытия. Расширение не наносит вред подключаемости. Скорее наоборот, кинетическая сетка усиливается по мере ее роста. Каждый дополнительный узел устанавливает новые пути для передачи данных, делая сеть более устойчивой, что важно — без ущерба для скорости или производительности. Эти четыре качества — пропускная способность / скорость, гибкость, надежность и масштабируемость — создают сеть, способную удовлетворить как сегодняшним, так и будущим требованиям. Однажды развернутая, она может быть масштабирована для сотен узлов в средах с интенсивным использованием устройств IIoT.

 

Заключение

Промышленные компании должны не только учитывать то, какая сеть им подходит сейчас, но и смотреть в будущее. Поэтому крайне важно реализовать тот широкополосный уровень, который предлагает автономную адаптивность. LTE, PtP/PtMP или оптоволокно — это, конечно, варианты, но если сеть испытывает перегрузку или перебои в работе инфраструктуры, в таких решениях труднее поддерживать поток данных для доставки сообщений устройства. Кинетическая сетка, используемая в качестве широкополосного уровня, может решить эти проблемы. Для реализации преимуществ, предлагаемых IIoT, нужна сеть, которая функционирует в динамичных, разнообразных средах, соединяя людей с людьми, людей с вещами и вещи с вещами, — будь они мобильные, стационарные или и те, и другие. Причем все это должно работать в режиме реального времени и с той или иной интеллектуальной обработкой данных. Кинетическая сетка спроектирована с упором на автономную адаптивность, что позволит промышленным компаниям перенаправлять маршруты и выбирать новые пути, которые обеспечивают надежный и непрерывный поток данных.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *