Logická referenčná architektúra pre priemyselné zariadenia 5G

Na objasnenie toho, ako sa rôzne komponenty implementácie zariadení navzájom spájajú, predstavuje táto časť seriálu referenčné architektúry vo forme všeobecných blokových schém pre najbežnejšie typy priemyselných zariadení 5G. Existuje veľa spôsobov, ako to urobiť. Zvyčajne to závisí od toho, ktoré fyzické zdroje zariadenia spĺňajú požiadavky tých-ktorých logických funkcií. Začnime teda so zovšeobecnenou, nediferencovanou logickou architektúrou.

Logická architektúra priemyselného zariadenia 5G definuje, čo toto zariadenie robí bez ohľadu na skutočné hardvérové komponenty použité na jeho implementáciu. Zobrazuje hlavné funkcie zariadenia z hľadiska informačných (IT) aj prevádzkových (OT) technológií a tiež spôsob, akým by mali navzájom interagovať. Logická architektúra integruje funkcie, ktoré nie sú vždy prítomné v bežných 5G zariadeniach, ale sú dôležité pre priemyselné zariadenia. Zahŕňajú ethernetové premostenie, časovo citlivé siete (IEEE Time Sensitive Networking – TSN) a funkcie súvisiace s protokolom Precision Time Protocol (PTP), z ktorých všetky sú dôležité pre zariadenia pracujúce v priemyselných sieťach založených na ethernete alebo IP. Zahŕňajú aj autentifikáciu založenú na EAP, ktorá je relevantná pre zariadenia pracujúce v neverejných sieťach 5G.

V nasledujúcej časti sa pozrieme na funkčnú architektúru najvyššej úrovne a uvedieme podrobnejší opis každej funkcie najvyššej úrovne s cieľom definovať požiadavky na rozhranie pre architektúru blokového diagramu na úrovni implementácie.

Logická architektúra najvyššej úrovne

Priemyselné 5G zariadenie je zariadenie s riadenou konektivitou, ktorého hlavným cieľom je poskytovať 5G konektivitu pre jednu alebo viaceré aplikácie alebo iné zariadenia nachádzajúce sa v prevádzke. Aplikácie môžu byť integrované v samotnom zariadení alebo k nemu pripojené cez lokálnu sieť. Na obr. 23 je zobrazená logická architektúra najvyššej úrovne odvodená od tohto funkčného základu. Táto architektúra zahŕňa všetky funkcie najvyššej úrovne, ktoré by boli potrebné aspoň v jednom type priemyselného 5G zariadenia (nie všetky by boli potrebné v každom type).

Architektúra najvyššej úrovne sa zameriava na komunikačné schopnosti a obsahuje nasledujúce prvky:

Ukončenie 5G siete

To zahŕňa všetky funkcie na strane zariadenia definované 3GPP na pripojenie k sieti 5G a fungovanie ako jej súčasť. Táto funkcia umožňuje priemyselnému zariadeniu fungovať v 5G a je požiadavkou pre všetky typy zariadení.

Ukončenie lokálnej siete

Je potrebné na to, aby sa priemyselné zariadenie 5G mohlo pripojiť k lokálnej sieti (za predpokladu, že má aj lokálne sieťové rozhranie).

Správa zariadenia

Táto funkcia je zahrnutá vo funkčnej architektúre najvyššej úrovne na základe predpokladu, že bude potrebné spravovať funkcie súvisiace s 5G komunikáciou a prevádzkovou technológiou priemyselného 5G zariadenia. Pre jednoduchosť je súbor riadiacich funkcií zobrazený v architektúre najvyššej úrovne ako jedna zovšeobecnená funkcia.

Aplikácie

Zahŕňajú všetky funkcie vyššej vrstvy nachádzajúce sa vnútri priemyselného zariadenia 5G, ktoré nie sú obsiahnuté v žiadnej inej funkcii najvyššej úrovne. Okrem meracích a automatizačných funkcií tieto aplikácie zahŕňajú aj funkcie pre snímače a akčné členy, ktoré sú integrované v zariadení, a/alebo funkcie rozhrania pre periférne snímače a  akčné členy. HMI so zariadeniami xR môže zahŕňať aj komunikačné médiá na interakciu s ľuďmi (ako sú video obrazovky, kamery, reproduktory a mikrofóny).

Modré čiary v strede diagramu spájajú ukončenie 5G s jednou alebo oboma funkciami OT podporujúcimi aplikáciu v rámci zariadenia alebo ukončenia lokálnej siete a prenášajú údaje užitočného zaťaženia aj súvisiace riadiace signály. Prerušované červené šípky vedúce od spoločných a zdieľaných funkcií ku všetkým ostatným funkciám predstavujú cesty riadiacej signalizácie.

Pri definovaní logickej architektúry zariadenia sa hlavný dôraz kladie na pochopenie jeho vnútorného zloženia a prepojení. Pre celkovú funkčnosť priemyselného 5G zariadenia však môžu byť dôležité aj externé rozhrania. Každý typ priemyselného 5G zariadenia musí mať minimálne 5G rádiové rozhranie a voliteľne môže mať aj lokálne konfiguračné rozhranie, ako je znázornené v hornej časti obr. 23. Ak sa aplikácia OT nachádzajúca sa vnútri zariadenia spolieha na externé periférne zariadenia, ako sú snímače a akčné členy, na podporu je potrebné jedno alebo viac externých rozhraní typu bod – bod, ako je znázornené na tom istom obrázku vľavo hore. Ak sa niektoré z aplikácií musia dostať cez lokálnu OT sieť, vyžaduje sa aj sieťové rozhranie (zobrazené vľavo dole).

Praktická logická architektúra

Existuje mnoho typov funkcií a aplikácií OT, ale pokryť všetky by presahovalo rozsah tohto seriálu. Nateraz bude stačiť, keď uvedieme rôzne druhy komunikačných požiadaviek, ktoré sa môžu uplatňovať v kontexte 5G.

Ako už bolo uvedené, jedným z dôležitých aspektov architektúry je, či zariadenie integruje aplikáciu, ktorá podporuje jeho funkcie v rámci OT, a či je alebo nie je schopné pripojiť sa k lokálnej sieti. Dôležitý je aj rozsah, v akom aplikácie vyžadujú podporu pre kvalitu služieb (Quality of Services – QoS) a synchronizáciu času. Vzhľadom na tieto aspekty prichádzajú do úvahy štyri rôzne logické architektúry:

  • Prvý typ logickej architektúry zahŕňa typ zariadenia, na ktorom bežia všetky požadované OT aplikácie. Nie je pripojený k žiadnym lokálnym sieťam, a preto nemusí obsahovať funkciu ukončenia lokálnej siete.
  • Druhý typ je rozšírený o možnosti ukončenia lokálnej siete. Zahŕňa zariadenia, ktoré môžu slúžiť ako hostiteľ IP, smerovač, koncová ethernetová stanica, most alebo brána aplikačnej vrstvy. Sú vhodné pre aplikácie alebo sieťové scenáre, ktoré vyžadujú iba konvenčnú kvalitu služieb IP a ethernetu a nespoliehajú sa na podporu zo strany funkcií plánovania alebo tvarovania prevádzky IEEE TSN, alebo presnú synchronizáciu času PTP cez rádiové spojenie 5G. V praxi to znamená, že zariadenie nemusí obsahovať žiadnu funkciu časovo citlivého sieťového prekladača (DS-TT) na strane zariadenia, ako je definované vo vydaniach 3GPP 16 a 17.
  • Tretí typ sa týka zariadenia, ktoré navyše podporuje presnú synchronizáciu času (g)PTP (v súlade s IEEE 1588 a/alebo IEEE 802.1AS) cez 5G rádio. Na tento účel musí zariadenie implementovať podmnožinu funkčnosti DS-TT, ktorá je relevantná pre (g)PTP, ako je definované vo vydaní 3GPP 17. Nemusí nevyhnutne zahŕňať úplné DS-TT s podporou IEEE TSN, ako je definované vo vydaní 3GPP 16. Ak má zariadenie (g)PTP špecifické funkcie DS-TT, môže fungovať buď ako súčasť 5GS mosta, alebo ako samostatný ethernetový most, alebo IP smerovač v závislosti od možností siete 5G a celkového nastavenia siete. Táto architektúra zariadenia a tieto schopnosti sú vhodné pre scenáre nasadenia, v ktorých sa vyžaduje konvenčná kvalita služieb IP alebo ethernetu s presnou synchronizáciou času PTP a nepoužíva sa ani tvarovanie či plánovanie prevádzky IEEE TSN.
  • Štvrtý typ sa vyskytuje v zariadeniach, ktoré tiež musia byť schopné fungovať ako súčasť 5GS mosta podporujúceho centralizovaný konfiguračný model kompatibilný s IEEE TSN s funkcionalitou IEEE TSN, predstavený vo vydaní 3GPP 16 a rozšírený vo vydaní 17. Vyžaduje to, aby zariadenie obsahovalo DS-TT, ktorý špecificky podporuje profil IEEE 802.1AS PTP používaný v IEEE TSN a protokol LLDP používaný na zisťovanie topológie ethernetu.

Zdroj: Industrial 5G Devices – Architecture and Capabilities. 5G Alliance for Connected Industries and Automation. White paper. [online].  

-tog-