5G LAB NA VUT V BRNĚ

Komunikační technologie pro průmyslové 5G sítě

Autor: prof. Ing. Jiří Mišurec, CSc., a kolektiv, Ústav telekomunikací, FEKT VUT v Brně

Díky dlouhodobé spolupráci s průmyslovými partnery a vládními institucemi se Ústavu telekomunikací (UTKO) na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií (FEKT) Vysokého učení technického v Brně podařilo v této oblasti dosáhnout významných úspěchů.

V rámci výzkumných skupin, které se na UTKO specializují na problematiku drátových či bezdrátových komunikačních systémů a kybernetické bezpečnosti, byly v roce 2020 otevřeny nové laboratoře a testovací polygony. Nové prostory slouží nejen pro výuku studentů studijních programů na VUT v Brně, ale také pro spolupráci s průmyslovými partnery. Ti využívají zejména služeb konzultací, testovacích měření či užší spolupráce při návrhu a výrobě HW zařízení, případně při tvorbě programového kódu. Konkrétně se jedná o:

 IoT/5G Labs – laboratoře sítí nové generace

V nově vybudovaných laboratořích bezdrátových komunikačních technologií a IoT podporovaných telekomunikačními operátory AT&T a Vodafone jsou k dispozici pokročilé přístroje pro analýzu frekvenčního spektra a zejména technologie pro tzv. nízkovýkonové sítě LPWA (Low-Power Wide Area) sítě.

V současné chvíli jsou k dispozici plně funkční instalace technologií Narrowband IoT (NB-IoT) a LTE Cat-M představující nejpokročilejší zástupce LPWA technologií pro bezdrátový přenos dat v licenčním frekvenčním pásmu. Ze strany průmyslu zaznamenáváme enormní zájem o využití laboratorního vybavení a výzkumných kapacit UTKO pro společné projekty v rámci Průmyslu 4.0. Je důležité zmínit, že rozvoj digitální ekonomiky a společnosti patří k prioritám Vlády České republiky a je popsán ve schváleném materiálu s názvem „Implementace a rozvoj sítí 5G v České republice – Cesta k digitální ekonomice“. Tento dokument se v souladu s inovační strategií a hospodářskou vizí “Czech Republic: The Country For The Future” zabývá možnými způsoby budování, využití a rozvoje 5G sítí v ČR.

Unikátnost laboratoří IoT Lab a 5G Lab dále podtrhuje možnost vytvoření oddělené komunikační infrastruktury pro testování technologií NB-IoT či LTE Cat-M. To je vhodné nejen pro testování koncových zařízení, ale také pro testování aplikačně uzpůsobených konfigurací mobilní sítě ze strany telekomunikačních operátorů. V rámci spolupráce s předními distributory energií E.ON a ČEZ již byly úspěšně otestovány a nasazeny komunikační jednotky pro stávající typy měřících přístrojů v distribučních sítích a v současné době také probíhá dokončování nových verzí měřičů fyzikálních veličin, které jsou plně v souladu s aktuálními komunikační požadavky pro tzv. M2M (Machine-to-Machine) komunikaci, tj. automatizovaný vzdálený přenos měřených dat bez nutnosti zásahu obsluhy. 

Vedle výzkumných a vývojových aktivit slouží laboratoře také studentům programů Telekomunikační a informační systémy a Informační bezpečnost. Ti zde již během studia testují moderní komunikační technologie využívané zejména v oblasti Průmyslu 4.0, Internetu věcí a také zákaznického Internetu věcí CIoT (Customer IoT), což jsou stále častěji skloňované pojmy ve světě komunikačních technologií. 

Důkazem úspěšného propojení akademické a průmyslové sféry je celá řada projektů realizovaných na UTKO ve spolupráci s mezinárodními telekomunikačními společnostmi. Mezi nejúspěšnější výsledky spolupráce s průmyslem lze zmínit např. hlasově ovládanou chytrou domácnost, která demonstruje dlouholetý vývoj komplexního řešení (hardware a software), které bylo následně uvedeno na trh naší partnerskou společností A1 Telekom Austria Group v podobě komerčního produktu. Dalším výstupem aplikovaného výzkumu moderních komunikačních technologií je prototyp bezpilotního dronu s funkcí létající základnové stanice. Nasazení takového řešení je vhodné pro dočasné navýšení kapacity mobilní sítě ve vybrané oblasti např. pro účely sportovních či kulturních akcí, ale také pro případ živelných katastrof jako jsou povodně, zemětřesení či dlouhodobé výpadky el. proudu (blackout). Podobná řešení jsou již aktivně testována předními telekomunikačními operátory a výrobci síťových technologií.

CyberGrid – kyberneticko-fyzikální prostor pro Průmysl 4.0; chytrá továrna

Průmysl je obecně konzervativní prostředí založené na ověřených vysoce spolehlivých technologiích. Nicméně čím dál rychleji se rozvíjející technologické spektrum i navazující potřeby zákazníků vytváří exponenciálně narůstající výzvy pro samotné výrobce v podobě agresivního konkurenčního prostředí i snižující se schopnosti individuálně pružně reagovat na vývoj trhu obecně.

V souladu s tímto trendem se na Ústavu telekomunikací nyní otevřela novou laboratoř CyberGrid disponující unikátním moderním vybavením. V rámci této laboratoře realizujeme a testujeme teoretické i praktické koncepty Průmyslu 4.0 směřující ke zvýšení bezpečnosti, efektivity a produktivity. Současně pracujeme na vizích budoucí 5. průmyslové revoluce (Průmysl 5.0), která směřuje mimo jiné ke zdokonalení interakce mezi lidmi a stroji či personalizované výrobě realizované díky robotům schopným dosáhnout srovnatelné kvality jako u běžně ručně vyráběných produktů.

Uchopení nových inovativních řešení a trendů však doprovází časově i ekonomicky náročné procesy, které mnohdy nemusí mít žádoucí efekt, či vedou dokonce do slepé uličky. Na jedné straně jsou výrobci, kteří nutně potřebují pro vlastní vývoj od odběratelů součinnost a cenná data, která jsou mnohdy nedostupná kvůli důvěrnosti, obchodnímu tajemství či chybějícímu monitoringu. Na druhé straně jsou pak odběratelé či provozovatelé těchto technologií, kteří naopak požadují nestranné audity či testy těchto výrobků zaručující naplnění stanovených požadavků tak, aby neohrozily reálný provoz.

Pro oba výše uvedené případy slouží právě naše prostředí laboratoře CyberGrid, v rámci něhož jsme schopní velice přesně emulovat, simulovat, virtualizovat či dokonce vytvořit digitální dvojče průmyslových systémů či jejích součástí. Toto prostředí tak umožňuje výzkum, vývoj i testování v podmínkách blízkých reálnému provozu se zaměřením např. na ověření kybernetické bezpečnosti a efektivity navazujících mitigačních opatření, parametrizaci detekčních a monitorovacích algoritmů pro bezpečnostní i provozní incidenty či anomálie nebo optimalizaci analytických i predikčních nástrojů a modelů.

Značnou výhodou vytvořeného kyber-fyzikálního prostředí je dostupnost právě „fyzické“ vrstvy, kde z pohledu procesní automatizace postupně vytváříme takzvané průmyslové smyčky pro aplikace jako je např. balicí linka či čistička odpadních vod, kde se ve emulují reálné fyzické procesy. V neposlední řadě je pak prostředí opatřeno kompletní komunikační infrastrukturou zahrnující nejpoužívanější průmyslové protokoly mj. Modbus, Ethernet/IP, Profinet, S7 či OPC UA.

V rámci uvedených 5G/IoT a CyberGrid laboratoří nabízíme na Ústavu telekomunikací tyto typy služeb:

• Ověřování požadovaných funkcionalit, požadavků a funkčních parametrů nových inovačních technologií, systémů i jejich dílčích součástí integrujících koncepty Průmyslu 4.0 a Průmyslu 5.0. Společně s ověřením interoperability v heterogenním multi-technologickém prostředí včetně vlivu na spolehlivost či odezvu systému.
• Návrh a výroba koncových zařízení pro komunikační scénáře IoT, Průmysl 4.0+.
• Ověření již vyrobených zařízení, úprava návrhu, komplexní testování (EMC komora, teplotní komora, či ověření kvality zapájení zařízení pomocí rentgenu).
• Vývoj software či firmware pro koncové zařízení.
• Ověření rádiových (komunikačních) parametrů IoT/LPWA/5G zařízení v kritických úrovních rádiového signálu s využitím specializovaných zařízení např. stínící box s kaskádou útlumových článků. Analýza aktivity ve frekvenčním spektru spolu s možností připojení testovacích zařízení do privátní sítě (pro technologie NB-IoT a LTE Cat-M).
• Ve spolupráci s telekomunikačními operátory možnost komplexní analýzy uvažovaného řešení např. Vzdálenost od základnové stanice, konfigurace anténního systému, změna vysílacího výkonu, či kapacitní plánování sítě.
• Vytváření datových setů dle vstupních požadavků s ohledem na objem i samotný scénář. Oproti klasickým přístupům naše prostředí nabízí nejen „fyzickou“ vrstvu reálných průmyslových smyček, ale i lehkou škálovatelnost, díky pokročilé simulaci, emulaci a virtualizaci. Tyto datové sety, které pro mnohé industriální odvětví nejsou běžně k dispozici, je pak možné navázat na vývoj a parametrizaci detekčních algoritmů pro anomálie, incidenty či samotné kybernetické útoky i jejich optimalizaci z pohledu falešně pozitivních/negativních výsledků. Na druhé straně tyto datové sety pomůžou také jako vstupní data např. při vytváření či zpřesnění predikčních a analytických modelů.
• Posuzování kybernetické bezpečnosti společně s compliance i analýzou (kybernetických) rizik s následným doporučením vhodných mitigačních protiopatření. Přidanou hodnotou je zde nejen pouze např. penetrační testování daného prvku, ale přímá možnost navázání na provozní prostředí a ověření vlivu na systém jako celek a případně i na veškeré jeho procesy, což umožní odhalit případné skryté hrozby, které by mohly mít nepředvídatelný vliv na reálný provoz.
• Výuka, školení a semináře pro různé průmyslové odvětví včetně kybernetické bezpečnosti, komunikačních technologií, komunikačních protokolů či průmyslových zařízení obecně. Včetně komerčních přesně parametrizovaných akcí pro privátní sféru či veřejných akcí zvyšující povědomí o problematice v podobě úzce zaměřených hackatonů a moderních bezpečnostních her. 

Články čísla 7/20: