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【沒有「時間同步」,何談「關鍵任務」?】
大頻寬、低延遲、大連結 (高容量),是大家都能朗朗上口的三大 5G 賣點;其中,「低延遲」是泛稱工業物聯網 (IIoT) 眾所矚目的關鍵能力,3GPP R16 版本亦提出借助「高精密時鐘」,將 5G 和「時間敏感網路」(TSN) 集成的概念——基於 5G 超可靠低延遲通訊 (uRLLC),滿足 TSN 架構的四大功能需求:時間同步 (Time synchronization)、低時延傳輸、高可靠性和資源管理。
此前,已有採用 IEEE 1588 精確時間協定的「封包網路頻率同步」技術實現 TSN 的權宜之法,但從根本溯源:所指涉的「時間」或「時鐘」,該以什麼為基準?從衛星讀取「原子鐘」絕對是最佳解方!原子鐘乃利用電子轉變能級時所釋出的微波訊號及原子共振頻率標準來計算並保持時間準確,是目前已知最精準的時間測量和頻率標準、也是國際時間和頻率轉換的基準。
有別於 4G 較關注頻率、頻段,5G 更重視時間同步,這對於自駕車、無人機和工業自動化安全等「關鍵任務型」的 IoT 應用至關重要。為此,國際電信聯盟電信標準化部門 (ITU-T) 著手制訂 G.827x 系列標準以滿足對於時間精準度的要求,確保乙太網路系統能對抗變動的傳輸延遲。其中,T-REC-G.8272 明確將「基準主時鐘」(PRTC) 的時間誤差要求分為<100ns (PRTC-A) 及<40ns (PRTC-B) 兩個層級。
O-RAN (開放式無線電接取網路) 旨在終結 4G 封閉式通訊設備時代,這對台廠是好事,有機會複製白牌 (White Box) 伺服器的成功經驗;而 O-RAN 廠商普遍認為企業專網是 5G O-RAN 可優先切入的場域。企業及電信營運商已於 2021 年第一季度陸續進行企業專網的概念驗證 (POC) 測試,以高科技製造業、工業及大型醫療院所最為積極。台灣已開放 4.8~4.9GHz 頻段 (100MHz 頻寬) 作為 5G 專網頻譜,供業界申請場域實驗,可望加速台灣產業升級。
延伸閱讀:
《5G uRLLC 終極依靠:來自衛星原子鐘的「時序模組」》
http://www.compotechasia.com/a/feature/2021/0412/47590.html
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【Fieldbus 接軌乙太網:EtherCAT 登峰後,SPE 將一統江湖?】
可程式化邏輯控制器 (PLC) 讓工業控制變得更加自動化,帶動分佈式控制系統 (DCS) 控制器等其他類型的專用控制器發展,並催生工業網路的出現。早期的工業網路都是專有的,把持在某些 PLC 大 廠手中、須經授權才能使用,後為便於互通,才創建由第三方貿易組織管理的新網路——RS-485 現場匯流排 (Fieldbus),乃許多工業用通訊協定的總稱,任何公司都可購買這些網路協定的規範並為其開發產品。
簡言之,工業乙太網是由傳輸媒體轉換器模組、集線器、交換機和路由器等組成,使用乙太網協定做即時控制,EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP/IP、POWERLINK 是現今五大主流協定;但嚴格來說,只有 EtherNet/IP 和 Modbus-TCP 符合 IEEE802.3U,是真正的乙太網。特別一提的是,於 2003 年發跡的 EtherCAT 有後來居上之姿,已然在工業乙太網取得壓倒性優勢。最初,「缺乏功能性安全協定實現」曾是 EtherCAT 為人詬病的軟肋;但就在最近,這樣的景況有了轉機:首款由半導體製造商支援 EtherCAT 功能安全性的軟體已問市!
然而,不管是 EtherCAT、EtherNet 或 PROFINET 皆須大量設備擷取資料,而一個設備可能有數十個感測器,執行上並不容易——雖然 EtherCAT 在歐洲、美國和中國行之有年,但因須有專門的網路設備、成本高,且許多既有產線皆採用 Modbus 採集資料,若要大幅改弦更張須暫時停機、導致成本增加;為此,中央大學資訊工程系開發「高速 Modbus 感測器介面硬體電路」可同時滿足大封包數據的「感測+傳輸」需求。
Modbus 擁先佔優勢,成創新方案元素。雲林科技大學電機工程系則利用 Modbus 主從架構擷取多個電表資訊,利用 Modbus 單播+Zigbee 廣播開發監控平台,在 PC 端設置協調器 (Coordinator) 監控工廠內多個電表的用電狀況 (後因 Zigbee 聲勢漸消而改採 LoRa)。中正大學電機工程系亦看好 LoRa 的應用,用以改善一公里X一公里的大範圍雙向通訊,即時報警。解決了現場數據匯流,如何有效率地將這些數據上傳雲端又是一項課題。
德國連接器大廠看好單對乙太網 (SPE) 將成為建構雙向工業物聯網 (IIoT) 的理想工具,是連接現場和雲端之最快、最簡單、最具成本效益的方法。它與當下 EtherNet/IP、Profinet 和 EtherCAT 等乙太網網路協定相容,且得益於「時間敏感網路」(TSN) 技術,讓一度背負「不可靠之即時工業通訊」污名的乙太網能借助 SPE 實現關鍵任務,作為傳統兩對/四對乙太網的補充技術;更實惠的是,SPE 能同時傳送功率和數據,無需再為低功率智能感測器/致動器單獨供電。
延伸閱讀:
《EtherCAT 傲立工業乙太網,SPE 將隨後終結 RS-485?》
http://www.compotechasia.com/a/feature/2020/1012/46008.html
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【5G 專網在夯什麼?】
5G 將成為帶動數位轉型的一股重要力量,但它不會單獨存在。基於下列考量,不少企業高度關注 5G 專網應用,有四種部署形式:
●公網提供網路切片 (Network Slicing) 將軟體資源借助數位化方式,切分虛擬資源供企業使用,同一套大網可服務不同工廠,最具經濟效益;
●公網提供企業專用基地台、隔離建置,讓各個廠區能獨佔訊號,避免其他公網用戶搶用網路資源,缺點是成本高;
●公網提供企業專用基地台+邊緣運算 (Edge Computing),在工廠架設小型伺服器作為邊緣雲端,確保廠內資料不外流,但由於連線資訊還是經由公網進行,仍有被竊取機密的風險。例如,有心人可透過探查哪個機台傳送多少資料而推估設備/產線稼動率。
●顧及絕對安全,極端作法是由企業主導獨立組網、從頭到尾自建。
但……,5G 市場在何方?當務之急是「應用落地」!
電信業者又是怎麼看待智慧製造?另一個有趣的反思是:5G 可取代 Wi-Fi 嗎?遠傳認為,以往兩者的確涇渭分明:區域網路 (LAN) 歸 Wi-Fi、廣域網路 (WAN) 屬蜂巢網路,但 5G 專網應用於特定場域,較 Wi-Fi 更安全、迅速、大連結、佈署簡單,將打破這個通則。例如,跨區域輸入資料必須重新連線 Wi-Fi 才能繼續作業,這對非定點的巡查人員來說十分不便,改用 5G 就沒這個困擾。
不過,也有人從工業物聯網 (IIoT) 的資安角度主張:不同網域區隔,正是落實資安的手法之一。大家怎麼看?此外,5G 現行 R15 是非獨立組網 (NSA) 架構,著重吞吐量,最新的 R17 版本擬於明年 9 月凍結。值得留意的是,有鑑於地面會受地理環境和電力供應影響,對於林木盜伐、山區監控力有未逮,R17 傳輸將不限定在地面站,加入「衛星」協同發功,讓物聯網 (IoT) 更具應用價值。
延伸閱讀:
《5G 專網為何秀色可餐?對智慧製造有何意義?》
http://www.compotechasia.com/a/feature/2020/1012/46009.html
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