企業私網應用於智慧製造之案例分析

企業私網應用於智慧製造之案例分析

工研院資通所 張怡萍 李曉暉 黃郁文 丁一華

如何將生產數據轉化成有價值的資訊以增加收益,是所有製造業者評估進入智慧製造的第一個課題。而如何選擇合適的傳輸技術則是生產資訊擷取必須面臨的難題。在過去無線傳輸技術尚未純熟之時,大多數僅能使用有線傳輸技術Ethernet做傳輸;隨著無線傳輸技術的發展,無線傳輸本著比有線傳輸更彈性化布建的優勢,漸漸可取代傳統有線技術的傳輸。目前智慧製造中,企業最常使用的無線傳輸技術是Wi-Fi。

如採用傳統蜂窩型通訊系統作為工廠內部的傳輸網路,一般企業主的考量除了使用授權頻段需要支付月租費用之外,還有對於企業機密資訊有可能會因經過外部網際網路傳輸,而造成外洩的疑慮。所以若將現有的LTE(Long Term Evolution)通訊網路,透過小型基地台(small cell)搭配多接取邊緣運算(Multi-access Edge Computing, MEC)技術[2],組合而成企業私網架構,除了可以屏除業者對機密資訊可能外洩的疑慮,比起傳統LTE系統,此企業私網架構將可提供更短的傳輸延遲,業者可更即時的掌握各機台狀況,且數據在平台分析完可即時回饋給機台做適時的調整,將可提供更好的生產效能。

站在企業主對於布建生產資訊擷取網路的考量,本文將比較Wi-Fi mesh與LTE企業私網兩種技術在布建成本、傳輸頻寬、傳輸延遲與傳輸成功率等因素,並選擇一個原本使用ITRI Wi-Fi mesh的紡織廠作為測試場域,設計實驗情境將4G企業私網方案應用於現有的工廠當中,未來或可做為5G智慧工廠企業私網解決方案應用的參考。


精彩內容

1. Wi-Fi mesh與LTE企業私網技術介紹

2. 測試系統架構/場域配置  測試方法與結果

3. 採用Wi-Fi或LTE  因地制宜最關鍵

 

Wi-Fi mesh與LTE企業私網技術介紹

General Wi-Fi mesh

傳統的Wi-Fi單AP星狀網路架構,當無線用戶量增加時,除了速度將受到影響,整體無線網路的覆蓋範圍也僅侷限在30m-50m之內。Wi-Fi mesh技術(如圖1)提供了自動組網功能,各Wi-Fi節點之間可互相連接,客戶端會依距離、訊號強度等自行判斷最合適的存取點,再由系統自動計算封包在此系統中的最佳傳輸路徑,不僅可提升傳輸品質,網路覆蓋範圍也可大幅提升至數百公尺。當使用者在覆蓋範圍內移動時,不需再自己手動設定切換網路,即可享受網路不中斷的網路服務,大大減少了使用者需手動設定及切換的不便。倘若中間某節點發生問題,傳送路徑也不受限於特定節點,Wi-Fi mesh的自癒性組網機制會讓系統再自動計算出新的最佳路徑。除了自動組網及自癒性組網特性之外,Wi-Fi mesh在布建上,無須大量的基礎網路建設、覆蓋範圍大,可大幅降低布建成本。

 

ITRI Wi-Fi mesh

本篇所採用的是工研院針對工業用戶所開發之ITRI Wi-Fi mesh[3]。除了提供原本Wi-Fi mesh自動組網及自癒性組網的特點之外,更針對自動組網機制易發生傳輸路徑經常性改變的問題,設計了半動態路由的專利技術來提升網路穩定度。更由於Wi-Fi所使用的非授權頻段(unlicensed band)易有潛在其他無線訊號干擾的問題,ITRI Wi-Fi mesh設計了自主異質網路整合技術來做斷線備援,可大幅提升整體網路傳輸的可靠度。除此之外,ITRI Wi-Fi mesh亦設計了雙無線電組網技術、多閘道備援技術,來提升負載平衡、提供雙頻道備援及多閘道備援等特性。這些通訊備援的設計使得ITRI Wi-Fi mesh比一般Wi-Fi mesh更適用於工業用戶對於傳輸高可靠度的要求。


圖1 Wi-Fi Mesh架構圖
圖1 Wi-Fi Mesh架構圖

 

4G企業私網降低機密資料外洩疑慮

針對未來智慧工廠,工廠內越來越多設備會有連網需求,區域型網路將面臨挑戰,傳統蜂窩型通訊網路雖是個不錯的新選擇,但也會面臨高資料量、多用戶數、超低傳輸延遲的挑戰。透過MEC(Multi-access Edge Computing)的技術[2],在終端裝置附近將本地資料卸載,可提供使用者更快速的傳輸體驗、減少後端骨幹網路及核心網路資料處理量,將大幅提升整體效能。4G企業私網的布建,在工廠內安裝小型基地台,使用LTE授權頻段網路,搭配MEC在本地將用戶資料卸載,僅有LTE控制訊號需經由網際網路傳輸到核心網路(core network),此方案將提供使用者更快速的傳輸體驗及屏除業者對機密資料有外洩可能的疑慮。

 

測試系統架構/場域配置 測試方法與結果

測試系統架構圖

在此示範場域當中,原本是採用ITRI Wi-Fi mesh作為骨幹傳輸網路,各機台所擷取之資料,經由其所連接的Network Manager(NM)透過Wi-Fi mesh網路傳輸到Gateway(GW)端,如圖2。使用者不再需要一一到廠房各地手抄機台資訊,在戰情室即可隨時監控到廠房中各機台的資訊,並可即時將各機台資訊送進分析平台加以分析。

 

圖2 示範場域原有架構圖 (此圖僅單純示意W-iFi,並沒有示意Wi-Fi mesh之組網拓樸)
圖2 示範場域原有架構圖 (此圖僅單純示意W-iFi,並沒有示意Wi-Fi mesh之組網拓樸

為了驗證4G企業私網系統的可行性,我們在既有的場域當中,在不影響既有硬體架構及對原本軟體影響最小的前提之下,多加一傳輸路徑,為ITRI 4G企業私網做示範性實驗。機台所擷取之資訊,原本在NM端透過Wi-Fi直接傳送到GW端,現在在NM處理完,會多增加一路經由Raspberry Pi3搭配4G LTE網卡,透過4G企業私網做傳輸。示範場域的實驗架構如圖 3,藍色虛線為原本Wi-Fi傳輸路徑(此圖亦僅單純示意Wi-Fi,並沒有示意Wi-Fi mesh的網路拓樸),紅色虛線為新增的LTE傳輸路徑。由圖3可看到,LTE那一路,資料經由Raspberry Pi3,透過LTE網路傳送到LTE 小型基地台(small cell),經由VPN router分流,資料透過iMEC 直接卸載到本地端伺服器,僅有LTE 控制訊號會經由網際網路傳輸到核心網路(Core Network)。

 
圖3 示範場域實驗架構圖
圖3 示範場域實驗架構圖

 

實驗場域配置圖

實驗場域配置,如圖4。受限於實驗當時所取得之LTE小型基地台其訊號所涵蓋範圍內的實際機台數量,我們僅有十個資料擷取點可做實測。其中一個擷取點置放在戰情室內。擷取點的範圍,涵蓋了不同廠房的鐵皮屋內、室外開放空間等,離伺服器(Server)端最遠之傳輸距離約為80公尺。LTE Small Cell、LTE iMEC、Wi-Fi AP及伺服器皆置放在二樓戰情室內附有落地玻璃的窗戶邊。


圖4 測試場域配置圖
圖4 測試場域配置圖

實驗當中,十個Wi-Fi NM會自行組成Wi-Fi mesh網路,會因當下的訊號狀況,不同時候所看到的拓樸圖會有些許差異。在此僅附上某個時間點所觀察到的拓樸圖做為示意。


圖5 測試場域Wi-Fi mesh 拓樸圖
圖5 測試場域Wi-Fi mesh 拓樸圖

測試方法

本次實驗採用iperf及ping這兩個應用程式,來輔助統計其效能及驗證其系統可行性。Iperf這個應用程式,可協助統計出測試時間內的throughput(Mbps);ping這個應用程式可協助統計出一段時間內的round trip time及packet loss rate。測試分為兩大類:第一類為一對一單點傳輸測試,第二類則為一對多同時傳輸測試。一對一單點的傳輸測試,可測試各點的傳輸品質,此狀況相近機台資料傳輸量小且傳送頻率低的狀況。

 

測試結果

本次測試當中,分別統計兩者傳輸的資料傳輸率(throughput)、往返時間(round trip time)及傳輸成功率(packet successful rate)。

一對一的單點測試,做了三輪,礙於實驗時間不足,每輪每個點測試100秒,共十個擷取點分別輪流測試,測試結果整理於表 1。

表1  單點測試統計表

LTE

Wi-Fi

資料傳輸率 Up to 17Mbps Up to 7Mbps [註1]
往返時間 9~27ms [註2] 3.6ms~19ms
傳輸成功率 97~100% 87~100%

[註1] 為不影響現行工廠機台運作,在實驗當下,此區域中Wi-Fi同頻段同時間仍有其他機台資料量在傳送(共六台),每10秒傳送一次,每筆資料量約0.008Mbps~0.08Mbps;而LTE頻段則無此資料量在傳輸。
[註2] LTE傳輸路徑在此實驗中,為了配合既有場域中硬體及軟體做最小異動的前提,多加了Raspberry Pi3這一塊,因此LTE傳輸路徑會比Wi-Fi多一層,對傳輸延遲會有些微影響。

一對多測試實驗,分別測試多個擷取點同時大量傳送資料,如:一對二、一對三、一對四、……、一對十等。礙於實驗時間不足,僅能各做一次。測試結果顯示,LTE在多使用者同時使用時,效能(throughput、round trip time、packet successful rate)平均皆優於Wi-Fi。

 

實測結論:LTE多方面優於Wi-Fi

針對此次實驗條件及結果,統整在表 2,並把可比較之參數繪成雷達圖於圖6,(因布建密度及傳輸距離在本次實驗皆相同,故雷達圖上不拿來做比較)。LTE在資料傳輸率上優於Wi-Fi;round trip time在一對多同時傳輸時,LTE優於Wi-Fi; 傳輸成功率上,LTE也優於Wi-Fi。

表2  實測結果整理表

  ITRI 4G 企業私網 ITRI WiFi-mesh
頻段 授權頻段 非授權頻段
頻段

Band 3

DL1870MHz-1880MHz/

UL 1775MHz-1785MHz

2.4GHz, Band 7 (2.442GHz)
使用成本 申請實驗頻段,目前免費 免月租費用
布建密度 此次測試: 10點/(40m * 80m) 此次測試: 10點/(40m * 80m)
傳輸距離 此次測試: 80m 此次測試: 80m
Throughput up to 17Mbps up to 7Mbps
Round trip time (一對一) 9ms~27ms 3.6ms ~19ms
Round trip time (一對多) 18ms~518ms 5ms~825ms
傳輸成功率 97%-100% 87%-100%

圖6 實測結果與案例需求比較雷達圖
圖6 實測結果與案例需求比較雷達圖

採用Wi-Fi或LTE 因地制宜最關鍵

實例應用案例

針對我們有智慧工廠需求的幾個客戶當中,舉兩個案例來說明其不同的需求與其建議可採用的技術。


實例應用一

某傳統產業客戶,其所要監控的機台資料傳輸量極小(資料傳輸率:8Kbps~80Kbps),每一廠區所需監控的機台數量不多(布建密度為一區10個),且不需各機台同時傳輸,對於資料回報的即時性要求亦不高(傳輸延遲可接受達1分鐘),此時參考圖6的雷達圖比較,無論在資料傳輸率、傳輸延遲、布建密度各層面,Wi-Fi皆已足夠;又此客戶在建置及每月維護上有預算的考量,依照現有市面上設備成本推估,Wi-Fi成本較LTE適合。雖然Wi-Fi在傳輸成功率的表現上不如LTE,不過我們可透過上層應用軟體的開發設計,來確保每一筆資料皆有成功被傳送與接收,亦可保證資料傳輸成功率達100%。


實例應用二

某重工業產業客戶,其廠區總面積廣(總面積約133.1公頃,傳輸距離需達數百公尺到數公里),所需聯網的物聯設備數量多(總數量大於5000台,布建密度一區約為數百台),且這些物聯設備會同時傳送資料,甚至會有巡檢人員需及時將監控影片傳回戰情室(data rate可達10Mbps)。依照現有市面上設備成本推估,雖然LTE在建置的成本上會比Wi-Fi來得高,但在資料傳輸率、傳輸距離、布建密度、多使用者這些層面,LTE技術皆比Wi-Fi合適。又此重工業客戶,對於其資料的保密性非常在乎,若使用傳統的LTE技術,資料需經由坊間電信業者基地台傳送,會透過一般網際網路傳輸,業者擔心資料會有外洩的可能性。此時使用LTE搭配MEC來建立企業私網則會是不錯的選擇。

對於智慧製造場域的無線網路規劃與設計,工研院南部團隊在最近4年以來已累計超過20家以上的企業使用ITRI Wi-Fi mesh來建立網路的經驗,而現在,透過5G計畫,也建立了採用4G做企業私網的解決方案,並在原有的場域當中做了示範實驗,得到相關經驗回饋。未來5G世代來臨,當工廠面臨覆蓋範圍廣大、高資料量、多用戶數、超低傳輸延遲等需求時,可將此經驗作為參考。不過LTE小型基地台搭配MEC雖可自行建立企業私網,打破以往電信業者基地台的傳輸架構,但目前仍需使用授權頻段,在國內需向國家通訊傳播委員會(NCC)申請過後方得使用。


參考文獻

[1] Ericsson White Paper (2017) “5G Systems – Enabling the transformation of industry and society.” [online]. Available: https://www.ericsson.com/en/white-papers/5g-systems–enabling-the-transformation-of-industry-and-society

[2] 多接取邊緣運算(MEC)技術(2018). [online]. Available: https://ictjournal.itri.org.tw/Content/Messagess/contents.aspx?&MmmID=654304432061644411&CatID=654313611231473607&MSID=1000640406731504736

[3] 工業用無線骨幹網路技術– 以WiFi Mesh執行快速且可靠的網路布建. (2018) [online]. Available: https://ictjournal.itri.org.tw/content/NewsLetter/contents.aspx?PView=1&KeyWord=%E5%B7%A5%E6%A5%AD%E7%94%A8%E7%84%A1%E7%B7%9A%E9%AA%A8%E5%B9%B9%E7%B6%B2%E8%B7%AF%E6%8A%80%E8%A1%93&SiteID=654246032665636316&MmmID=654304432137072605&SSize=10&MSID=1001007614504365543

[4] Samsung IoT White Paper. [online]. Available: https://www.samsung.com/global/business/networks/insights/white-paper/iot-white-paper/

[5] Asri Samsian, Ihsan Ibrahim, Arief Luthfi Aulia, and Riri Fitri Sari,” Performance Comparison of Wi-Fi and LTE for Internet of Things on Named Data Networking,” in IEEE 4th International Conference on New Media Studies, Nov. 2017.

[6] 解決網路傳輸壅塞問題的Small Cell小型基地台(2018). [online]. Available: https://ictjournal.itri.org.tw/content/Messagess/contents.aspx?PView=1&KeyWord=&SiteID=654246032665636316&MmmID=654304432061644411&SSize=10&MSID=1001007607316277555


文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊