A rede sensível ao tempo (TSN) está sendo implantada em um número crescente de aplicativos. Mas para o TSN sem fio baseado em 5G (WTSN), ainda é cedo.
Por Jeff Shepard para Mouser Electronics – traduzido com permissão da Mouser Electronics.
Publicado em 7 de março de 2022
A WTSN abrirá novos aplicativos, como robôs móveis, redes de energia elétrica, plantas químicas, cidades inteligentes e outras aplicações geograficamente dispersas, além de sistemas automotivos e de transporte que não podem ser conectados a redes TSN com fio (Figura 1). A WTSN trará novos recursos revolucionários para a TSN. Também aumentará a flexibilidade de implantação e reduzirá os custos de instalação do TSN. O WTSN baseado em 5G está tentadoramente próximo, mas ainda não está pronto para implantação; os padrões necessários ainda estão evoluindo e surgindo, e o hardware e o software estão em desenvolvimento.
Muitas aplicações industriais requerem comunicação rápida e determinística para controle em tempo real. No IEEE 802, foram adicionadas definições para tornar a Ethernet determinística. O 3GPP Release 16 adiciona suporte para integração de protocolos TSN para garantir latências nas comunicações 5G. A versão 17 pendente levará o 5G ainda mais para o suporte ao WTSN. O próximo perfil IEC/IEEE 60802 especifica a aplicação do TSN para automação industrial e fornece diretrizes sobre o suporte TSN necessário do 5G.
Além do 3GPP, IEC e IEEE, vários esforços estão em andamento para integrar 5G com TSN para criar redes industriais combinadas WTSN/TSN. O 5G-SMART, financiado pela UE, é um consórcio de parceiros da indústria e institutos de pesquisa que exploram conceitos de fabricação inteligente habilitados para 5G, incluindo WTSN. A 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) identificou como o 5G possui todos os recursos essenciais necessários para interagir com o TSN para automação industrial.
Quatro áreas principais estão incluídas nos padrões IEEE 802.1 TSN: Sincronização de tempo, latência limitada, confiabilidade e gerenciamento de recursos ou rede. Este artigo analisa como cada uma dessas quatro áreas é mapeada para o 5G e explora como o 5G levará o WTSN para a próxima geração de dispositivos de automação industrial e a Internet Industrial das Coisas (IIoT). Ele analisa os padrões existentes e emergentes na versão 16, versão 17 e IEC/IEEE 60802, analisando como a comunicação de baixa latência (URLLC) ultraconfiável de 5G será aprimorada com comunicação direta dispositivo a dispositivo habilitada por link lateral, o que não t requerem a retransmissão de dados através da rede para que a comunicação ocorra. Ele também considera opções de espectro de rádio e opções de implantação, como arquiteturas para redes públicas/privadas híbridas e fatiamento de rede.
Sincronização de tempo 5G
A mudança para serviços 5G básicos não resultou em nenhuma mudança fundamental nas necessidades de sincronização de tempo da rede de rádio, mas o WTSN exigirá uma precisão de sincronização local mais rigorosa para nós 5G. A indústria de telecomunicações padronizou o protocolo de tempo de precisão (PTP) IEEE 1588 para suportar os requisitos de sincronização na faixa de milissegundos. A especificação 3GPP TS 23.501 aborda a integração de uma rede 5G em uma rede de sincronização TSN e suporta WTSN. O IEEE 1588 inclui o desenvolvimento de perfis específicos de aplicação. Um resultado é o perfil PTP geral IEEE 802.1AS (gPTP) dentro dos padrões TSN e implementações definidas no perfil TSN para automação industrial.
As redes de automação industrial se beneficiam de inicialização rápida e sincronização de tempo em poucos segundos. Também é desejável usar placas de interconexão de rede prontas para uso com menor custo e osciladores menos precisos. Comparado com a técnica de sintonia física (alinhamento de frequência) usada em outras implementações de PTP, o gPTP usa uma técnica de sintonia lógica juntamente com medições em tempo real de atrasos de caminho e dispositivo para obter alinhamentos de tempo rápidos e precisos.
A troca de mensagens com carimbo de data/hora é usada para comunicar a hora de um relógio mestre para os vários dispositivos de ponte e ponto final. Ao contrário de outras implementações de PTP, o gPTP também usa mensagens com carimbo de data/hora para calcular deslocamentos de frequência e ajustá-los durante a operação.
Latência limitada 5G
URLLC e sidelink são os principais recursos do Release 17 que suportam latência limitada (ultrabaixa e determinística) em WTSNs. O URLLC foi projetado para garantir a entrega de dados dentro de limites de latência específicos de dezenas de milissegundos a 1 milissegundo e níveis de confiabilidade desejados de 99% a 99,999%, conforme definido pelos requisitos do aplicativo.
Conforme observado acima, o sidelink é um novo paradigma de comunicação que permite que os dispositivos 5G se comuniquem diretamente sem retransmitir seus dados pela rede. Em uplinks e downlinks convencionais, a rede controla centralmente os recursos e as adaptações de links. Nos links laterais, cada dispositivo executa ambas as funções localmente, ganhando mais controle sobre como usar os recursos da rede. Espera-se que a próxima versão 17 adicione suporte para retransmissão baseada em link lateral e possivelmente até retransmissão multilink. À medida que os recursos de sidelink se expandem, a combinação de sidelink e URLLC dará suporte cada vez maior ao uso de WTSN baseado em 5G na IIoT (Figura 2).
O Sidelink oferece suporte a casos de uso expandidos para 5G. Por exemplo, restringir o link de comunicação a um salto em aplicativos industriais de missão crítica reduz muito a latência. As redes de segurança pública também podem se beneficiar da capacidade do sidelink de fornecer comunicação direta entre dispositivos. Em aplicativos em que os milissegundos são importantes, espera-se que o sidelink seja um desenvolvimento significativo, devido às melhorias de capacidade e latência associadas à mudança de comunicação de dois saltos por meio de uma estação base 5G para conexões de dispositivo a dispositivo de um salto.
Espera-se que futuras iterações de retransmissão de vários saltos sidelink ofereçam suporte a um menor consumo de energia quando usadas em uma rede IIoT. Outro caso de uso potencial é a retransmissão de vários saltos, onde várias conexões de link lateral são usadas para saltar de dispositivo para dispositivo, superando restrições de orçamento de link e, eventualmente, até substituindo alguns dos links Bluetooth e Wi-Fi que atualmente conectam dispositivos IIoT.
WTSN em redes convergentes
O esperado padrão IEC/IEEE 60802 fornecerá uma base para a interoperabilidade em redes convergentes de automação industrial. Essas redes convergentes incluirão Ethernet industrial e wireless, incluindo comunicações 5G e/ou Wi-Fi. O IEC/IEEE 60802 é um esforço conjunto entre o IEC SC65C/MT9 e o IEEE 802, com o primeiro lançamento oficial previsto para 2022. O padrão incluirá detalhes para a aplicação do TSN na automação industrial, incluindo diretrizes para integração do WTSN baseado em 5G. Uma vez lançado, todos os componentes para a construção de uma rede TSN/WTSN serão padronizados usando IEC/IEEE 60802.
Dois tipos de dispositivos, pontes e estações finais, estão incluídos no IEC/IEEE 60802. Inicialmente, o padrão incluirá duas classes de dispositivos para ambos os tipos de dispositivos. Os dispositivos ricos em recursos serão chamados de Classe A. Os dispositivos de classe B suportarão um conjunto menor de recursos. Dispositivos pertencentes à mesma classe terão os mesmos recursos TSN/WTSN obrigatórios e opcionais.
Todos os tipos e classes de dispositivos requerem o Link Layer Discovery Protocol (LLDP) (802.1AB) e sincronização de tempo. O LLDP suporta a descoberta da topologia da rede e informações de vizinhos. No caso de sincronização de tempo, espera-se que os dispositivos de Classe A suportem um mínimo de três domínios de tempo e os dispositivos de Classe B suportem pelo menos dois domínios de tempo. Os dispositivos Classe A serão necessários para suportar uma variedade de funções TSN (incluindo Tráfego Agendado, Preempção de Quadros, Filtragem e Policiamento por Fluxo, Replicação e Eliminação de Quadros para Confiabilidade (FRER) e configuração de TSN), mas isso será opcional para dispositivos B.
O objetivo final do IEC/IEEE 60802 é fornecer um perfil TSN/WTSN suficientemente estruturado para automação industrial que também seja flexível e ofereça uma ampla gama de opções para suportar a implantação de redes convergentes que combinam eficientemente diferentes protocolos em uma única rede.
Redes 5G privadas para WTSN
As implantações convergentes podem encontrar suas primeiras implementações em redes 5G privadas, também chamadas de redes não públicas (NPNs). Além de oferecer suporte a redes convergentes, o 5G oferece uma arquitetura unificada que atende às necessidades de várias aplicações industriais, incluindo três categorias principais de serviço: Massive machine type communication (mMTC) com densidade de conexão de até 100 nós por metro quadrado, comunicações móveis aprimoradas banda larga (eMBB) com taxa de dados de pico de até 10 Gbps e URLLC, fornecendo latência de apenas um milissegundo com > 99,999% de confiabilidade. Com essas várias opções, os usuários podem otimizar a qualidade de serviço (QoS) para aplicativos específicos. Ao contrário de outras tecnologias sem fio, como 4G ou Wi-Fi, o 5G oferece QoS garantido para aplicações industriais críticas.
A implantação de NPNs 5G não se limita às bandas de espectro licenciadas; ele pode aproveitar o espectro não licenciado, como as bandas de 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz já usadas por Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee e outros protocolos. O espectro não licenciado está implicitamente aberto para uso compartilhado e já foi incluído em algumas redes 4G-LTE. O 5G no espectro não licenciado pode ser implementado de duas maneiras.
NPNs autônomos não licenciados operam inteiramente no espectro não licenciado. Espera-se que a operação não licenciada do 5G seja liderada por organizações privadas que não oferecem serviços públicos de rede móvel e estão focadas em casos de uso não críticos. Uma de suas principais atrações é que ele pode ser implantado sem a necessidade de espectro licenciado caro. O protocolo Multefire é a implementação 4G correspondente no espectro não licenciado. Ele usa um protocolo LBT (ouvir antes de falar) para coexistir com outros usuários do espectro na mesma banda de forma eficiente. Sem sidelink, a latência ultrabaixa pode não ser possível em implantações 5G autônomas não licenciadas.
As NPNs que usam uma combinação de espectro licenciado e não licenciado são chamadas de operações âncoras licenciadas. O recurso correspondente no LTE é o acesso assistido por licença (LAA), em que a banda não licenciada é usada para complementar a banda licenciada disponível. Espera-se que a operação de âncora licenciada seja usada por redes privadas implantadas pela operadora que precisam de capacidade extra.
Fatiamento de rede 5G
O fatiamento de rede é outra ferramenta que os engenheiros de rede têm para obter o máximo benefício do 5G em aplicações industriais focadas. O conceito de fatiamento de rede é novo no 5G e permite a criação de várias redes lógicas em uma única infraestrutura física. Cada uma das redes lógicas pode ser adaptada aos requisitos específicos de um aplicativo (Figura 3). Várias funções, como processos de negócios, operações de logística e processos e fabricação de tempo crítico, podem ser operadas em redes dedicadas e isoladas. Espera-se que a criação de redes dentro de uma rede seja especialmente útil em redes convergentes e NPNs.
O fatiamento de rede pode ser uma ferramenta poderosa para gerenciamento de recursos e rede. Por exemplo, uma rede 5G pública pode ser dividida para incluir uma rede 5G privada isolada e dedicada a atividades específicas. As NPNs 5G podem atender a uma variedade de requisitos heterogêneos de comunicação industrial com diferentes demandas de QoS. Alguns slices podem ser dedicados a comunicações não sensíveis ao tempo, enquanto outros slices podem suportar níveis moderados de QoS necessários para controle de circuito fechado de processos industriais, e slices dedicados podem ser criados para fornecer a maior QoS necessária para comunicações em tempo real com robôs móveis.
O gerenciamento de recursos de computação, armazenamento e rede geral pode ser aprimorado usando o fatiamento de rede para maximizar a eficiência da utilização de recursos em uma organização. Ele também permite o desenvolvimento de políticas específicas de fatias para segurança, privacidade, níveis de acesso e muito mais.
Resumo
O WTSN baseado em 5G trará novos recursos revolucionários para o TSN, mas não está pronto para implantação. Assim que chegar, recursos como sincronização de tempo, latência limitada, link lateral e interoperabilidade em várias classes de dispositivos ajudarão a acelerar a implantação de WTSNs baseados em 5G. O suporte para redes convergentes, redes privadas e fatiamento de rede fornecerá alocação de recursos e gerenciamento de rede aprimorados. E o WTSN baseado em 5G aumentará a flexibilidade de implantação e reduzirá os custos de instalação em instalações TSN existentes.
Sobre o autor
Jeff Shepard - Jeff escreve sobre eletrônica de potência, componentes eletrônicos e outros tópicos de tecnologia há mais de 30 anos. Ele começou a escrever sobre eletrônica de potência como editor sênior no EETimes. Ele fundou a Powertechniques, uma revista de design de eletrônica de potência com uma circulação mensal de mais de 30.000 exemplares. Ele posteriormente fundou o Darnell Group, uma empresa global de pesquisa e publicação de eletrônica de potência. Entre suas atividades, o Darnell Group publicou PowerPulse.net, que fornece notícias diárias para a comunidade global de engenharia de eletrônica de potência. Ele é o autor de um livro-texto de fonte de alimentação comutada, intitulado “Power Supplies”, publicado pela divisão Reston da Prentice Hall. Jeff foi cofundador da Jeta Power Systems, fabricante de fontes de alimentação de comutação de alta potência adquiridas pela Computer Products. Jeff também é um inventor. Seu nome está em 17 patentes dos EUA nas áreas de colheita de energia térmica e metamateriais ópticos. Ele é uma fonte da indústria e palestrante frequente sobre tendências globais em eletrônica de potência. Ele foi convidado a falar em vários eventos do setor, incluindo a Sessão Plenária da Conferência de Eletrônica de Potência Aplicada do IEEE, Semicon West, Conferência de Oportunidades Emergentes da Global Semiconductor Alliance, IBM Power e Simpósio de Refrigeração e Seminário da Equipe Sênior da Delta Electronics sobre Energia de Telecomunicações Globais. Jeff tem mestrado em Métodos Quantitativos e Matemática pela Universidade da Califórnia, Berkeley.
