ArticlePDF Available

Abstract

1.1 Szolgáltatók a felhasználókért A szolgáltatói, széles körben publikusan elérhető mobilhálózatok Magyarországon már évtizedek óta jelen vannak. Olyan mobilhálózatok viszont, melyek csak egy ipari területen léteznek, most kezdenek megjelenni. Cikkünkben a privát campus mobil hálózatok motivációit mutatjuk be, ahol a vállalkozások teljes 5G hálózati szegmenseket használhatnak ki úgy, mintha az a sajátjuk lenne. Ezáltal az ipari vállalkozások számára a hálózat és a szolgáltatás minőségi garanciát lehet adni. Ezt a motivációt a mobil cellás kommunikáció és szolgáltatások fejlődésének, valamint az 5G várható üzleti hatásának rövid áttekintésével mutatjuk be. 1.2 A mobilhálózatok fejlődése Általánosan a mobiliparban az "N." generáció ígéreteit a gyakorlatban az "N + 1." generációnak kell teljesítenie. Az "1G" telefonok fő felhasználási területe az emberi hang átvitele volt, a felhasználók teljes mobilitása mellett. A szolgáltatók csak nagyméretű felhasználói berendezéssel nyújtottak szolgáltatásokat, ahol a cellák közötti átadások nem voltak teljesen tökéletesek. A technológia iránti növekvő érdeklődés és a gyorsan növekvő előfizetői számok miatt a szabványosítási bizottságok kifejlesztettek egy olyan rendszert, amely globálisan elérhető hangátviteli szolgáltatást nyújt, Global System for Mobile Communications (GSM, később "2G") néven. A GSM szabvány alkalmazásával a felhasználói készülékek képesek voltak mozogni a mobil tornyok között anélkül, hogy megszakítanák az egyszerre kétirányú hangforgalmat; továbbá az eszközöket más országokban is lehetett használni. Az adatátvitel támogatására azonban csak később került sor, mint szolgáltatás, így az adatátviteli sebesség meglehetősen alacsony volt. Az Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE) számára elérhető 384 kbps átviteli sebesség és körülbelül 200 ms egyirányú késleltetés alapvető adathálózati szolgáltatást nyújtott, de egyáltalán nem tudott versenyezni a kortárs digitális előfizetői vonallal (DSL) vagy a kábeltelevíziós rendszerek (CaTV) adatátviteli sebességével. Mivel a szolgáltatók látták, hogy a mobil adatátvitelnek fényes jövője lehet, ezért kutatásuk és fejlesztésük elsődleges középpontjába került. A hangátvitel a 2G hálózaton szinte tökéletes volt, de a rohamosan növekvő felhasználói bázis jobb spektrumhasználatot igényelt. A 3G szabványt már a hang szolgáltatás mellett jelentős adatátvitelre tervezték. Az elméletileg elérhető átviteli sebesség 42 Mbps. A szabvány elkészítésekor azonban a fő felhasználási eseteket között csak az internetes böngészés és fájl letöltés szerepelt. Abban az időben a tömeges rajongást kifejtő úgy nevezett "killer-applications" (piacot letaroló alkalmazások), mint például a Facebook és a YouTube, nem voltak különösebben ismertek, bár sokkal több adatot és folyamatos adatátvitelt igényeltek. Nyilvánvaló, hogy egy weboldal betöltése a hálózati oldalon más igényeket támaszt, mint a folyamatos adat alapú csevegés, ideértve az esetleges videoüzeneteket is. Ezeknek a különféle követelményeknek a kiszolgálására a 4G hálózatot szabványosították, hogy dinamikus sávszélességet biztosítson, és egyszerre sok felhasználó igényeit szolgálja ki. A célzott csúcs adatátviteli sebesség 1 Gbps volt-jelentős kérdéseket vetve fel, hogy a gyakorlatban valóban elérte-e ezt a 4G.
Privát mobil hálózatok az iparban
Soós bor, Ficzere Dániel, Veress Sándor, Varga Pál
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, T-Systems
1.1 Szolgáltatók a felhasználókért
A szolgáltatói, széles körben publikusan elérhető mobilhálózatok Magyarországon már évtizedek óta
jelen vannak. Olyan mobilhálózatok viszont, melyek csak egy ipari területen léteznek, most kezdenek
megjelenni. Cikkünkben a privát campus mobil hálózatok motivációit mutatjuk be, ahol a vállalkozások
teljes 5G hálózati szegmenseket használhatnak ki úgy, mintha az a sajátjuk lenne. Ezáltal az ipari
vállalkosok számára a hálózat és a szolgáltatás minőségi garanciát lehet adni. Ezt a motivációt a mobil
cellás kommunikáció és szolgáltatások fejlődésének, valamint az 5G várható üzleti hatásának rövid
áttekintésével mutatjuk be.
1.2 A mobilhálózatok fejlődése
Általánosan a mobiliparban az "N." generáció ígéreteit a gyakorlatban az "N + 1." generációnak kell
teljesítenie. Az "1G" telefonok fő felhasználási területe az emberi hang átvitele volt, a felhasználók
teljes mobilitása mellett. A szolgáltatók csak nagyméretű felhasználói berendezéssel nyújtottak
szolgáltatásokat, ahol a cellák közötti átadások nem voltak teljesen tökéletesek. A technológia iránti
növekvő érdeklődés és a gyorsan növekvő előfizetői számok miatt a szabványosítási bizottságok
kifejlesztettek egy olyan rendszert, amely globálisan elérhető hangátviteli szolgáltatást nyújt, Global
System for Mobile Communications (GSM, később „2G”) néven. A GSM szabvány alkalmazásával a
felhasználói készülékek képesek voltak mozogni a mobil tornyok között anélkül, hogy megszakítanák
az egyszerre kétirányú hangforgalmat; továbbá az eszközöket más országokban is lehetett használni.
Az adatátvitel támogatására azonban csak később került sor, mint szolgáltatás, így az adatátviteli
sebesség meglehetősen alacsony volt. Az Enhanced Data for GSM Evolution (EDGE) számára elérhető
384 kbps átviteli sebesség és körülbelül 200 ms egyirányú késleltetés alapvető adathálózati
szolgáltatást nyújtott, de egyáltalán nem tudott versenyezni a kortárs digitális előfizetői vonallal (DSL)
vagy a kábeltelevíziós rendszerek (CaTV) adatátviteli sebességével.
Mivel a szolgáltatók látták, hogy a mobil adatátvitelnek fényes jövője lehet, ezért kutatásuk és
fejlesztésük elsődleges középpontjába került. A hangátvitel a 2G hálózaton szinte tökéletes volt, de a
rohamosan növekvő felhasználói bázis jobb spektrumhasználatot igényelt. A 3G szabványt már a hang
szolgáltatás mellett jelentős adatátvitelre tervezték. Az elméletileg elérhető átviteli sebesség 42 Mbps.
A szabvány elkészítésekor azonban a fő felhasználási eseteket között csak az internetes böngészés és
fájl letöltés szerepelt. Abban az időben a tömeges rajongást kifejtő úgy nevezett „killer-applications”
(piacot letaroló alkalmazások), mint például a Facebook és a YouTube, nem voltak különösebben
ismertek, bár sokkal több adatot és folyamatos adatátvitelt igényeltek. Nyilvánvaló, hogy egy weboldal
betöltése a hálózati oldalon más igényeket támaszt, mint a folyamatos adat alapú csevegés, ideértve
az esetleges videoüzeneteket is. Ezeknek a különféle követelményeknek a kiszolgálására a 4G hálózatot
szabványosították, hogy dinamikus sávszélességet biztosítson, és egyszerre sok felhasználó igényeit
szolgálja ki. A célzott csúcs adatátviteli sebesség 1 Gbps volt - jelentős kérdéseket vetve fel, hogy a
gyakorlatban valóban elérte-e ezt a 4G.
Az 5G hálózatok fő céljai 2020 körül még magasabb adatátviteli sebességet (10 Gbps), interaktív
szolgáltatásokat (1 ms késleltetés) és több egyidejű felhasználó kiszolgálását (0,5 millió felhasználó /
km2) ígérnek. Az 5G hálózatok lassan élesben is elkezdenek működni, és teljesíteni a leírt kritériumokat.
Az 5G vívmányait azonban a jelenlegi készülékek és meglévő alkalmazások még nem tudják teljesen
kihasználni, a technológia által biztosított funkciók valószínűleg újabb alkalmazásokkal lesz nek a
vásárlók számára is látványosak és egyértelműen hasznosak.
1.3 Az 5G gazdasági hatása
Az 5G új felhasználási lehetőségei jelenleg feszültségeket keltenek a szolgáltatók, az eszközök gyártói
és az ipar számára egyaránt. Nyilvánvaló, hogy a 2G, 3G és a 4G hálózatokat elsősorban az emberek
számára tervezték a használati funkciók szempontjából, azonban r most jelentős számú gép
csatlakozik ehhez a hálózathoz végkészülékként is. Az 5G szinte kihasználatlan erőforrásait ezzel
szemben valószínűleg gépek fogják elsődlegesen felhasználni. Ezek a felhasználási esetek lehetnek a
legegyszerűbb háztartási készülékek, járművek - és természetesen az összetett ipari robotok is. A valós
idejű csatlakoztatást - amikor az érzékelő és a gép közötti késleltetés kevesebb, mint 1 ms - többféle
esetben fogják használni, ám ezek többnyire nem emberi alkalmazások, mivel az emberek smára az
1ms a jelenlegi 4G-n elérhető közel 20ms-hez képest nem jelent érzékelhető különbséget. Ipari
szempontból azonban az 5G-vel valós idejű gyártás monitorozást érhetünk el, folyamatosan nyomon
követve a megrendelésre kerülő berendezések állapotát rhol a világon. Ez elősegíti a valós idejű
üzleti vállalkozások fejlesztését és a szolgáltatások továbbfejlesztését, ahol a pontosságnak óriási üzleti
jelentősége van. Összességében ez azt jelenti, hogy az 5G elterjedése sok gazdasági szektor szára
hasznos lehet.
A pontos gazdasági hatások megértése érdekében meg kell vizsgálnunk az ipar mely részeit és milyen
mértékben érinti majd az 5G. Számos tanulmány készült erről a lehetőségekről, természetesen évente
frissítve vagy felülvizsgálva. Az Ericsson által közzétett tanulmány becslés alapján az 5G-kompatibilis
ipari digitalizálásból származó bevétel a gyártásban résztvevő ipari szereplők számára 2026-ban eléri
az 1,3 trillió dollárt. A szembetűnő területek vizsgálatakor az ipari termelés 18% -ot, az energia és a
közművek 16% -ot tesznek ki, és érdemes kiemelni az autóipart, amely 8% -ot tesz ki. Az ipari hálózatok
szempontjából természetesen a gyárak a fő érdekelt felek. Az 5G és az IoT (Internet of Things
1. ábra Az 5G bevételi potenciálja az operátorok számára
Intelligens eszközök) rövid távú befolyásoló hatása várhatóan 619 milliárd dollár között lesz.
Természetesen ez magában foglalja az 5G-t hasznosító egyéb nagy hatással bíró területeket is, mint
tömegközlekedés, egészségügy vagy mezőgazdaság.
1.4 Privát campus hálózatok - új lehetőségek az Ipar 4.0-ban
Az Ipar 4.0 megérkezése és fejlődése a korábbi ipari forradalmakhoz hasonló rohamos fejlődést
jelenthet majd az iparban. Az Ipar 1.0 forradalma a gépek használatával könnyebb és gyorsabb
munkavégzést biztosított a kézi erőfeszítések helyett. Az 1784-es első ipari forradalom fő találmánya
a gőz- és láncvezérelt berendezések, például a szövőgép volt. A második ipari forradalom az 1870-es
években történt, amikor először jelent meg a tömegtermelés - a tömegtermelés technikáinak és az
olyan funkciók fejlesztése, mint például a szállítószalagon történő összeszerelés, vagy az, hogy egy-egy
munkafolyamatot mindig egy ember, vagy ugyanazon emberek csoportja végzi.
A harmadik ipari forradalom 1969-re nyúlik vissza, amikor a mikroelektronika új technológiai korszakot
hozott. A programkód alapján egy robot vagy gép képessé vált több műveletet és munkafázist
végrehajtani, helyettesítve a bonyolult ember által elvégzett munkát. A negyedik ipari forradalom
folyamatban van. Képesek leszünk olyan robotok létrehozására, amelyek letöltik és használják a
programot, ami azt jelenti, hogy ugyanaz a gyártósor nagyon gyorsan alkalmazkodni tud a változó ipari
igényekhez. Egyszerű példaként, egy munkllomás ’A típusú autót előállító sora egy másik percben
egy B típusú autót hozhat létre. Ennek megvalósításához az összes berendezést be kell vonni a
gyártási folyamat újrakonfigurálásába, és kiber-fizikai rendszerként kell csatlakoztatni.
Az új 5G szabványok és architektúrák lehetőséget kínálnak rendkívül rugalmas hálózat kiépítésére
ugyanis a moduláris felépítésnek köszönhetően az egyes szolgáltatások rugalmasan szervezhetők, az
alapvető szolgáltatásokat már meglepően kevés erőforrással biztosítani lehet. Ez lehetővé teszi a
szolgáltatások és a funkciók dinamikus, skálázható tervezését az ügyfelek egyedi igényei szerint. A
szabványok és az interfészek átjárhatóságával ugyanis a kiszolgáló rendszerek rugalmasan
kapcsolódnak és kiváló minőségű szolgáltatást nyújtanak. Ehhez azonban elengedhetetlenek az alábbi
funkciók megléte:
2. ábra Privát mobilhálózati megvalósítás példa
Korlátlan adatfogyasztás - Az ipari berendezéseknek csak az 5G-n keresztül lesz kapcsolatuk az
IP-szolgáltatások világával, nem elvárható, hogy egyéb kommunikációs csatornán jelezzék az
adategyenleg elfogyást, tehát korlátlan adat-előfizetési csomagra van szükségük.
Természetesen ezek az erőforrások korlátozott adatsebességgel lesznek elérhetők, minden
szolgáltatási szintre különböző, egyedi módon.
Dedikált hálózati erőforrások az eddigi megosztott rendszerek helyett - A dedikált és garantált
szolgáltatások biztosításhoz dedikált mobilhálózati dióra, maghálózati elemekre és IP-
erőforrásokra lesz szükség. A dedikált elemek többek között azt is jelentik, hogy a
szolgáltatásokat kizárólag az ezen a hálózaton engedélyezett eszközök használhatják.
Szolgáltatás minőség - A megfelelő minőségű adatátvitel biztosításához a szolgáltatási
csomagokban garantálni kell különböző minőségi elvárásokat, paramétereket. A szolgáltatások
között egészen valószínű, hogy egy-egy robot folyamatosan fog kommunikálni, az emberi
ciklusok napi rutinján alapuló Busy-Hour-hoz képest, így a klasszikus forgalmi órák értelmes
valószínűleg nem eltűnik majd géptípusú kommunikáció esetén. Így a kapacitáskezelés
kiszámításakor figyelembe kell venni, hogy minden eszköz folyamatosan használja a kiosztott
erőforrásokat.
Elméleti elvárások - A tervezett magán ipari-hálózat akkor tekinthető funkciók alapján
megfelelőnek, ha teljesíti a használati esetekben kitűzött célokat, és folyamatosan biztosítja
azokat. Az alapvető paraméterek az áteresztőképesség, a késleltetés és a nagy adat átviteli
sebesség, valamint a rendkívül magas megbízhatóság és rendelkezésre állás (99.999% -
99.999999%). Ezen paramétereket azonban az elméleti leíráson kívül szükséges megvizsgálni,
hogy a gyakorlati helyzetekben is elégségesek-e.
1.5 Felhasználhatóság és alkalmazhatóság a Privát Campus hálózatok terén - kijelölt kutatási
területek
Rádió-hozzáférési hálózat - A nyilvánosan hozzáférhető kutatási anyagok kevés információt
tartalmaznak az ipari területek 3GPP szabvány szerint működő rádióval történő lefedéséről. Noha az
ipari területeken számos fajta kutatás folyik a Wi-Fi lefedettségéről, sajnos ezek a kutatások alig
tartalmaznak mobilhálózati lefedettséggel kapcsolatos esettanulmányokat. Az ipari helyiségben, éles
körülmények között végzett mérések nagyszerű visszajelzést adnak a szabványügyi testületeknek.
Nyilvánvaló, hogy a gyártó környezetében különféle fúró-, vágó-, sajtoló- és hegesztőgépek működnek,
és a rádiózavarokat nehéz elméleti módszerekkel pontosan modellezni. Ezen kívül a TSN (Time-
Sensitive Networking) funkció az alkalmazhatóság szempontjából rendkívül érdekes lehetőségeket
rejthetnek magukban, a pontos használhatósághoz további vizslatokra van szükség gyakorlati,
méretezési és megvalósíthatóság szempontjából.
Hálózati erőforrások szeletekre bontása - Noha a hálózati erőforrások idő, kód és frekvencia szétosztás
lehetőségei nagyon szerteágazó, ebben a szakaszban nagyon kevés információ áll rendelkezésre a
valódi megvalósításról és az ipar visszajelzéseiről. Meg kell vizsgálni, hogy a végberendezések a
szabványok alapján mennyire használhatók, hogyan működnek, és megfelelnek-e az ipari szektor
igényeinek a gyakorlatban.
3. ábra A mobilhálózat szeletekre bontásának egyszerűsített változata
Hálózat tervezés és méretezés - Nyilvánvaló, hogy a hálózati és kiszolgáló rendszereket, architektúrákat
a kérdéses ipari vállalkozás igényei szerint kell megtervezni. Ehhez először szükség van az átviteli
technológia paramétereinek feltérképezésére - amelyek részleteiben többnyire az ügyfél számára is
ismeretlenek -, majd fel kell építeni a megfelelő hálózatot. Noha az ilyen módszerek elméleti leírása
már létezik, részletes kidolgozásra viszont még szükség van a pontos visszajelzésekhez.
Hálózat- és szolgáltatásfigyelés - Az ipari mobilhálózatok életciklusa és annak tervezése egyelőre
ismeretlen. A magán campus-hálózatokat zárt és biztonságos módon kell üzemeltetni, életciklusukat
hasonlóan a gyártásban résztvevő gépekhez szükséges tervezni.
1.6 Összefoglalás
Cikkünkben az 5G és mobil campus hálózatok ipari motivációját, potenciálját és az elterjedéshez
szükséges lépések mutattuk be röviden kutatási eredményeinkre támaszkodva. Az ipari campus-
hálózatok rengeteg lehetőséget és fejlődési irányt rejtenek magukban, azonban még eléggé kezdeti
stádiumban jár ezeknek a megoldásoknak a széleskörű elterjedése. Viszont, az már most is látszik, hogy
számos ipari partner érdeklődik a technológia iránt.
A campus hálózatoknak az Ipar 4.0 elfogadására irányuló törekvéseit smos IT és OT szereplő
összehangolva vizsgálja az „5G-SMART” elnevezésű Horizon 2020 projekt keretében. Az 5G-SMART-ot
az Ericsson és az ABB koordinálja. Bevonja a különböző EU nemzetek ipari és tudományos partnereit,
ideértve Magyarországot is. Az 5G-SMART elősegíti az 5G technológia alkalmazát az Ipar 4.0
alkalmazásokban, ehhez smos intelligens gyártási alkalmazást tesztelve, élő 5G hálózaton. Az 5G-
SMART további célja az 5G kísérleti alkalmazásain túlmutató új 5G szolgáltatások kifejlesztése és az
ipari campushálózat potenciális lehetőségeinek feltárása. A projekt során a T-System Hungary ezen új
mobilhálózati architektúrák kialakításához hárul hozzá az Ipar 4.0 támogatának érdekében.
2. Köszönetnyilvánítás
Ezt a cikket az EU által társfinanszírozott HG2020 5G-SMART projekt keretében írtuk. A szerzők
köszönök a kollégáik hozzájárulását. A cikkben leírt vélemények a szerzők véleményét képviselik, és
nem feltétlenül képviselik a projektet. A konzorcium nem felel a benne foglalt információk semmilyen
szintű felhasználásáért.
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
ResearchGate has not been able to resolve any references for this publication.