Данная статья представляет обзор исследований, посвященных технологии Private LTE (частной сети LTE) и ее применению в производственных средах.
Производственные компании сталкиваются с рядом вызовов, связанных с обеспечением высокоскоростной и надежной связи внутри своих объектов. В таких условиях технология Private LTE может стать эффективным решением, предоставляя промышленным предприятиям собственную приватную сеть на базе LTE-стандарта.
Статья освещает основные преимущества использования Private LTE в производственных средах, включая высокую пропускную способность, низкую задержку, надежность и расширяемость. Более того, приватные сети LTE могут обеспечивать уровень безопасности, необходимый для защиты конфиденциальности и целостности данных, а также позволяют производителям контролировать свою сеть и настраивать ее согласно своим уникальным требованиям.
Ключевые слова : Private LTE, QoS, MIMO, IOT.
В современную цифровую эпоху конкуренция заставляет предприятия различных отраслей задуматься о модернизации производства.
Сеть LTE, используемая в тестах, представляет собой полностью частную сеть с виртуализированным Evolved Packet Core (EPC) от компании Ericsson, функционирующим на серверах, размещенных в помещении. На территории завода площадь, занимаемая 36 радиопунктами Ericsson, составляет 16000 квадратных метров. Ericsson Radio Dot является комнатной антенной системой для малых помещений, и некоторые из них могут быть объединены с помощью метода распределенной антенной системы для формирования точек доступа. Две антенны LTE обладают MIMO 4x4 (множественный вход — множественный выход), что обеспечивает более эффективную передачу сигнала [1]. В данной статье проводится анализ сети с двух разных точек зрения: сравниваются ее показатели и указываются общепринятые требования к условиям использования в будущем, а также рассматривается возможность реализации различных вариантов использования.
В статье [2] проведен сравнительный анализ частной сети Wi-Fi и сети LTE. Сеть LTE является лицензированной, что обеспечивает гарантированное качество обслуживания, в то время как Wi-Fi является нелицензионной технологией и не гарантирует качество услуги. Однако, использование Wi-Fi в частных сетях обычно бесплатно, и данный вопрос частично регулируется государственными нормативными актами о совместном использовании. В развитых странах мира, таких как США, Канада и некоторые страны ЕС, технология LTE и спектр частных сетей стандарта 900 МГц не требуют лицензирования, что способствует развитию технологических решений на основе платформы LTE.
В данной статье представлены измерительные компании, которые провели исследование доступа к общему спектру между беспроводными камерами PMSE и отдельными сетями LTE в диапазоне 2,3 ГГц. В Финляндии диапазон частот 2300–2320 МГц доступен для использования в частных сетях, а также используется для беспроводных камер PMSE. Таким образом, важно изучить методы защиты беспроводных камер PMSE от вредных помех [3]. Измерения, представленные в данной работе, были проведены в лабораторных условиях и в ходе полевых испытаний.
В сети LTE клиентское устройство называется пользовательским оборудованием (UE). Предприятия имеют возможность использовать любое UE, которое поддерживает новый диапазон 3GPP. В частной сети Private LTE для CBRS, также известной как Band 48, операторы мобильной связи планируют использовать 48 частотных полос. Кроме смартфонов, существуют также устройства Интернета вещей (IoT), которые могут быть подключены к сети. Предприятие имеет возможность самостоятельно обеспечивать свои клиентские устройства в своей собственной сети LTE, без необходимости привлечения мобильного телефона. При подключении к частной сети LTE, устройство определяется и подключается с помощью SIM-карты, а EPC (Evolved Packet Core) отвечает за подключение к системе. Аутентификация клиентского устройства осуществляется путем авторизации SIM-карты [5].
Между двумя независимыми сетями LTE радиоинтерфейс обладает несколькими механизмами помех. Эти механизмы различаются в случае, когда базовые станции используют одни и те же частоты, например, при наличии общего канала или соседнего/альтернативного канала, для выбора соответствующих каналов. Мощность интерференционного сигнала на приемнике базовой станции (BS), вызванная эквивалентной мощностью изотропного излучения (EIRP) BS, напрямую влияет на уровень помех. Наихудший эффект наблюдается, когда антенны базовых станций направлены друг на друга. Однако направление антенны можно изменить для уменьшения помех. Кроме того, отдельные сети LTE могут использовать разные полосы пропускания (BW). Например, в Финляндии шириной полосы пропускания может быть 5, 10 и 20 МГц, что также оказывает влияние на уровень помех [4].
Среди известных проектов частных сетей LTE, реализуемых в России, можно выделить несколько технологических сетей, принадлежащих РЖД («Российские железные дороги»), которые были развернуты компанией самостоятельно, без участия операторов связи. В сентябре 2018 года РЖД получила разрешение от Государственного комитета по радиочастотам на использование частот в диапазоне 1785–1805 МГц для создания технологических сетей LTE на железнодорожном транспорте [7]. В декабре 2020 года технологические линии частной сети LTE были введены в коммерческую эксплуатацию на железнодорожных вокзалах Челябинска и Новосибирска. Для обеспечения функциональности таких сетей были задействованы решения промышленного уровня от компании Nokia для сетевого ядра LTE, IP-маршрутизаторов и платформы MC-PTT, системы передачи данных от Cisco, а также базовые станции и терминалы от Hytera.
Настройка QoS: модель QoS в LTE позволяет использовать несколько уровней приоритета. Она хорошо стандартизирована и может быть адаптирована под нужды приложения. Например, приоритетные каналы могут быть настроены для обеспечения низких и предсказуемых задержек, а каналы по умолчанию — для достижения максимальной пропускной способности [6]. Именно поэтому LTE рекомендуется для сценариев использования в различных жизненных и промышленных областях. В частных сетях существует множество возможностей для использования преимуществ QoS. Базовая архитектура частной LTE показана на рисунке 1 и включает в себя радиодоступ, устройства и основную сеть.
Рис. 1. Базовая архитектура Private LTE
В данной статье рассказывается о сотрудничестве между компаниями GE Digital, Nokia и Qualcomm Technologies с целью успешной демонстрации приватной сети LTE (Long-Term Evolution) для промышленного интернета. Промышленные компании часто работают на удаленных объектах, что усложняет подключение к сети.
Частные сети, основанные на LTE, используют различные технологии, основанные на стандарте LTE, в лицензированном или нелицензированном спектре, что позволяет повысить производительность и надежность соединений в промышленной среде. Сотрудничество между GE Digital, Nokia и Qualcomm Technologies заключалось в объединении их платформ и технологий с целью создания комплексного решения для промышленных предприятий. Предполагается, что такая сеть будет способствовать более эффективной и надежной связи на объектах промышленности, что в свою очередь может повысить производительность и оптимизировать рабочие процессы [9].
Частный LTE (Private LTE) является жизнеспособной альтернативой традиционной технологии 802.11 (Wi-Fi), предлагая надежную связь и обходя ограничения беспроводных датчиков (WSNs) [8]. В исследовании [8] авторы демонстрируют, как частный LTE учитывает характеристики производительности. Они также подчеркивают, что глобальная экосистема LTE позволяет частным предприятиям развертывать и использовать сети LTE независимо от лицензированных операторов связи. Предоставление доступного спектра (например, 3,5 ГГц в Соединенных Штатах и 5 ГГц во всем мире [10]) позволяет организациям развертывать сети частного LTE. Более того, сети частного LTE обеспечивают надлежащее покрытие, особенно в удаленных районах, таких как шахты. Это также потенциально увеличивает пропускную способность для передачи данных в обоих направлениях, особенно при использовании потокового видео. Организации, использующие частный LTE, получают улучшенный контроль над сетевым трафиком, обеспечение качества обслуживания (QoS) и безопасностью, а сеть может быть настроена для оптимизации надежности и задержки в сложных средах, таких как горнодобывающая промышленность.
Заключение
Исследования, проведенные по теме технологии Private LTE и ее использования в производстве, представляют важные выводы и рекомендации для промышленных предприятий.
Во-первых, Private LTE демонстрирует потенциал стать эффективным решением для обеспечения надежной и высокоскоростной связи в производственных средах. Ее высокая пропускная способность, низкая задержка и расширяемость делают ее привлекательным выбором для компаний, которым требуется обеспечить эффективное функционирование своих производственных процессов.
Во-вторых, использование Private LTE позволяет производителям контролировать и настраивать свою сеть в соответствии с уникальными требованиями и особенностями их производственной среды. Благодаря этому, предприятия могут обеспечить необходимый уровень безопасности и конфиденциальности данных, а также гибко адаптировать свою инфраструктуру для поддержки различных приложений и устройств.
В-третьих, использование Private LTE в производственной среде способствует повышению эффективности и оптимизации производственных процессов. Она поддерживает автоматизацию, мониторинг и управление оборудованием, трекинг и местоположение материалов, а также обеспечивает связь между различными устройствами внутри производственной среды. Все это способствует улучшению производительности, сокращению времени простоя и снижению издержек.
Наконец, исследования по технологии Private LTE подчеркивают ее потенциал для инноваций в области автоматизации и интернета вещей (IoT) в производстве. Она открывает новые возможности для внедрения передовых технологий, таких как автономные системы, искусственный интеллект и аналитика данных, что может привести к существенному улучшению производственных операций и созданию конкурентных преимуществ.
Литература:
- Eike Lyczkowski; Hubertus A. Munz; Wolfgang Kiess; Prakash Joshi Performance of Private LTE on the Factory Floor 21 July 2020–3
- Sorokin D. V., Bondarchuk A. P., Storchak K. P. Kyiv Horba D. B., Частные сети на базе LTE в горнодобывающей промышленности, 2019-C 29–34.
- Reijo Ekman, Juha Kalliovaara, Pekka Talmola, Heidi Himmanen, Tapani Lerkki, Petri Hyvarinen ¨, Tero Jokela1, Jarkko Paavola, Pedro Alfonso Perez-Chuecos Alcaraz Shared Spectrum Access between PMSE Cameras and Private LTE Networks in the 2.3 GHz Band October 2020–6
- Reijo Ekman, Pekka Talmola, Juha Kalliovaara, Juhani Hallio, Petri Hyvarinen, Tibor Lakner, ¨ Tero Jokela, Jarkko Paavola Measurements to Study the Coexistence of Private LTE TDD Networks in 2.3 GHz Band
- Ericsson Mobility Report, Enterprise Private LTE Nov 2016 -14
- Qualcomm Private LTE Networks JULY 2017–11
- Korporativnye seti Private LTE/5G-Ready v Rossii: geografiya i otraslevaya prinadlezhnost' predpriyatiy (Private LTE/5G-Ready corporate networks in Russia: geography and industry affiliation of enterprises), COMNEWS, 26.05.2021,https://www.comnews.ru/content/214409/2021–05–26/2021-w21/korporativnye-seti-private-lte5g-ready-ros...
- Brown, G. Private LTE Networks-Qualcomm. Qualcomm 2017, 1–11. Available online: https://www.qualcomm.com/media/documents/files/private-lte-networks.pdf (accessed on 3 June 2021).
- Wei Qin, Siqi Chen, Mugen Peng. Recent advances in industrial internet: Insights and challenges July 2019 -13
- Ratasuk, R.; Mangalvedhe, N.; Ghosh, A. LTE in unlicensed spectrum using licensed-assisted access. In Proceedings of the 2014 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps), Austin, TX, USA, 8–12 December 2014; pp. 746–751.
