Draadloze tijdgevoelige netwerken: wanneer elke microseconde telt

Wanneer elke microseconde telt 

De voorbije jaren stonden doorbraken in de telecomsector vooral in het teken van capaciteit/bandbreedte. Mensen willen immers steeds sneller kunnen surfen op het internet en grote (video)bestanden downloaden. Ook voor de meeste industriële toepassingen is bandbreedte al lang geen probleem meer. 
 
Waar lange tijd veel minder aandacht aan werd besteed, was het bieden van garanties op het vlak van bijvoorbeeld latency (signaalvertraging) en redundantie (de mechanismen en back-upsystemen die ervoor moeten zorgen dat het netwerk overeind blijft wanneer één of meerdere netwerkcomponenten defect raken). Zeker wanneer communicatienetwerken op industriële sites worden uitgerold, zijn die garanties van cruciaal belang om de productie te waarborgen.  

“Closed-loop controlesystemen zijn erg afhankelijk van hoe snel en nauwkeurig je de communicatie tussen de onderliggende sensoren en actuatoren kan inplannen. Maar ook gedistribueerde luidsprekersystemen die in één ruimte simultaan dezelfde audio moeten afspelen, zijn erg tijdgevoelig.”

Dat is bijvoorbeeld het geval wanneer tijdkritische industrie 4.0-applicaties ondersteund moeten worden; toepassingen die een snelle opvolging vereisen. Denk aan drones, cobots en automatisch geleide voertuigen, maar ook aan closed-loop controlesystemen. Voor dat soort toepassingen zijn een beperkte signaalvertraging, een gegarandeerde quality-of-service en een nauwkeurige tijdssynchronisatie (vaak tot op de microseconde) absoluut noodzakelijk.  
 
Ingrid Moerman: “Met name die tijdssynchronisatie tussen de verschillende geconnecteerde toestellen wordt steeds belangrijker. Closed-loop controlesystemen zijn bijvoorbeeld erg afhankelijk van hoe snel en nauwkeurig je de communicatie tussen de onderliggende sensoren en actuatoren kan inplannen. Maar ook gedistribueerde luidsprekersystemen die in één ruimte simultaan dezelfde audio moeten afspelen en geavanceerde augmented reality-, virtual reality- en videotoepassingen zijn erg tijdgevoelig. In het geval van audio en video is een gebrekkige synchronisatie zelfs hoor- en zichtbaar, en erg storend.”  
 

TSN’s in een draadloze fabriek 

Tot nog toe werd voor het uitwisselen van (tijdgevoelige) data in fabrieken vooral een beroep gedaan op ethernettechnologie. Dat is niet toevallig: bekabelde (ethernet)netwerken zijn immers erg robuust.   
 
Het is dus evenmin toevallig dat de ethernetcommunity al snel het voortouw nam in de ondersteuning van TSN’s – onder meer dankzij de introductie van een TSN-gebaseerde ethernetspecificatie (IEEE 802.1Qbv) die beantwoordt aan drie belangrijke eigenschappen van bekabelde tijdgevoelige netwerken: 

• Een end-to-end signaalvertraging van 2 milliseconden (over 7 hops) voor het meest kritische verkeer; 
• Een tijdssynchronisatie van minder dan een microseconde, waarbij in bepaalde scenario’s zelfs een precisie van een paar nanoseconden vooropgesteld (en behaald) wordt; 
• Een betrouwbaarheid van 99.99999%.    

Toch heeft het gebruik van bekabelde netwerken in een fabrieksomgeving ook nadelen. Het gebrek aan flexibiliteit is daar eentje van: telkens wanneer een fabriek heringericht moet worden om op nieuwe productienoden in te spelen, moeten alle kabels opnieuw getrokken worden. Dat vraagt een immense planning en voorbereiding, kost massa’s tijd en geld, en laat allesbehalve toe om kort op de bal te spelen. Bovendien gaat de installatie van elke nieuwe machine – en elke individuele sensor – gepaard met de uitrol van nog meer kabels, en worden omwille van de redundantie kabels vaak zelfs dubbel geïnstalleerd.  

“Zijn draadloze TSN’s überhaupt een realistische optie in de fabriek van morgen?”

Vanuit de industrie klinkt de roep om draadloze TSN’s dan ook steeds luider. Dat is echter allesbehalve evident: draadloze netwerken zijn inherent immers veel gevoeliger aan netwerkstoringen, bandbreedtebeperkingen en geblokkeerde signalen dan hun bekabelde tegenhangers. Weliswaar hebben draadloze netwerken qua stabiliteit en betrouwbaarheid de voorbije jaren belangrijke stappen vooruit gezet, vooral op het vlak van tijdssynchronisatie is er nog heel wat werk aan de winkel.  
 
Een belangrijke vraag is dus: zijn draadloze TSN’s überhaupt een realistische optie in de fabriek van morgen? En, indien ja, moet er voor de uitrol van die netwerken dan een beroep worden gedaan op cellulaire (4G of 5G) technologie, of toch eerder wifi?    

5G versus wifi 

Ingrid Moerman: “De 5G-community heeft voor de uitrol van draadloze TSN’s vol ingezet op de ultra-reliable low-latency communication (URLLC) feature die onlangs door 5G werd gespecifieerd. Met de introductie van 5G URLLC wil de community zo dicht mogelijk aanleunen bij de prestaties van ethernet-gebaseerde TSN’s. Concrete streefcijfers zijn een signaalvertraging van maximaal 1 milliseconde, een tijdssynchronisatie van maximaal 1 microseconde en een betrouwbaarheid van 99.999%. Daarmee heeft 5G ontegensprekelijk een belangrijke troefkaart in handen.”  
 
“Maar vergis je niet: ook wifi heeft zo zijn voordelen,” stelt Moerman. “Enerzijds kan wifi een pak makkelijker, sneller én goedkoper geïnstalleerd worden, en anderzijds speelt de factor compatibiliteit: ethernet (IEEE 802.3) en wifi (IEEE 802.11) maken immers deel uit van dezelfde familie van standaarden. Daardoor is wifitechnologie de meest natuurlijke keuze voor bedrijven die hun bekabelde (ethernet)netwerk willen upgraden naar een draadloos alternatief.”  

“Wanneer een wifitoestel gebruik wil maken van het vrije spectrum, dan moet het eerst checken of er op dat moment geen andere toestellen in diezelfde radioband aan het communiceren zijn; eigenlijk net zoals mensen niet door elkaar mogen praten als ze verstaanbaar willen blijven.”

“Dat gezegd zijnde: op radioniveau lijken 5G en wifi sowieso erg sterk op elkaar en bieden ze vrij gelijkaardige mogelijkheden qua bitsnelheden. Het grote verschil is dat 5G gebruik maakt van gelicentieerd spectrum dat exclusief aan een telecomoperator wordt toegewezen. Wifi, daarentegen, is werkzaam in het vrije spectrum – en is daardoor aan meer (beleefdheids)regels gebonden,” zegt ze.  
 
“Wanneer een wifitoestel gebruik wil maken van het vrije spectrum, dan moet het eerst checken of er op dat moment geen andere toestellen in diezelfde radioband aan het communiceren zijn; eigenlijk net zoals mensen niet door elkaar mogen praten als ze verstaanbaar willen blijven,” pikt Jeroen Hoebeke daarop in. “Bij elke transmissie van een draadloos pakket moet dus een korte of langere – onvoorspelbare – pauze worden ingelast. Dat kan aanleiding geven tot extra signaalvertraging, terwijl we de signaalvertraging van TSN’s net tot een minimum willen beperken. Wat dat betreft, is het strikter gereguleerde 5G dus in het voordeel.” 

“Uiteindelijk verwachten we dat 5G en wifi gewoon naast elkaar zullen blijven bestaan – ook wanneer het gaat om het ondersteunen van tijdgevoelige netwerken. Uiteindelijk staat of valt alles met de mate waarin beide technologieën een nog nauwkeurigere tijdssynchronisatie zullen toelaten.”

“Maar misschien verandert dat wel,” voegt hij daaraan toe. “In sommige landen bestaat nu al de mogelijkheid om lokaal spectrum aan te kopen om een privaat 5G-netwerk uit te rollen. Aangezien spectrum echter technologieneutraal is, zou je hetzelfde principe kunnen toepassen voor het opzetten van een wifinetwerk dat dan niet langer aan die ‘beleefdheidsregels’ gebonden is.”  
 
Ingrid Moerman: “Uiteindelijk verwachten we dat 5G en wifi gewoon naast elkaar zullen blijven bestaan – ook wanneer het gaat om het ondersteunen van tijdgevoelige netwerken. Omwille van hun grotere bereik zullen cellulaire technologieën zoals 5G weliswaar lichtjes in het voordeel zijn wanneer TSN’s in openlucht worden uitgerold, terwijl wifi bij voorbaat geschikt is om te functioneren in indooromgevingen – waar compactheid en installatiegemak primeren. Maar uiteindelijk staat of valt alles met de mate waarin beide technologieën een nog nauwkeurigere tijdssynchronisatie zullen toelaten.”   

Primeur: openwifi-chip ondersteunt een tijdssynchronisatie met een nauwkeurigheid van 1 µs 

Jeroen Hoebeke: “Zoals gezegd, moet voor elk wifi-gebaseerd tijdgevoelig netwerk de communicatie op voorhand worden ingepland in tijdssloten. Een nauwkeurige tijdssynchronisatie tussen de verschillende geconnecteerde toestellen is daarbij cruciaal, omdat elke synchronisatie-onnauwkeurigheid moet worden opgevangen door buffers – de zogenaamde guard time. Maar dat gaat dan weer ten koste van de efficiëntie: je wil je nuttige tijdssloten immers zo dicht mogelijk op elkaar inplannen, en buffers waarin geen communicatie mogelijk is zo kort mogelijk houden.” 

“Dankzij openwifi hebben we de tijdssynchronisatie van wifi met een factor 10.000 kunnen verbeteren ten opzichte van de state-of-the-art – tot op het niveau van 1 µs. Dat is zelfs een stuk beter dan de ambities van de internationale wifi-Alliantie.”

“Het probleem met wifi is dat de technologie vandaag slechts een tijdssynchronisatie toelaat tot op enkele tientallen milliseconden nauwkeurig, terwijl een typisch wifipakket maar een honderdtal microseconden lang is. Als je tussen die korte pakketten telkens een buffer moet laten van pakweg 30 milliseconden, dan is dat helemaal niet efficiënt,” legt hij uit. 
 
Ingrid Moerman: “Maar nu is er dus openwifi, onze radiochip-op-maat waarbij we de volledige controle hebben over de hardware waarin de tijdssynchronisatiefeatures zitten ingebed. Als je experimenteert met commerciële chips heb je tot dat soort functionaliteiten normaal gezien geen toegang.”  
 
“Dankzij ons openwifi-onderzoek hebben wij – als eersten – de tijdssynchronisatie van wifi met een factor 10.000 kunnen verbeteren ten opzichte van de state-of-the-art – tot op het niveau van 1 µs. Dat is zelfs een stuk beter dan de ambities van de internationale wifi-Alliantie, die een richtcijfer van 5.5 µs vooropstelt.” 

Innovatie versnellen dankzij open source software en de toegang tot remote testfaciliteiten  

Ingrid Moerman: “Om het onderzoek naar – en de commerciële introductie van – draadloze TSN’s verder te versnellen, hebben we ervoor gekozen om een aantal basisfunctionaliteiten van onze openwifi-chip ter beschikking te stellen als open source software. Op die manier willen we applicatieontwikkelaars en chipfabrikanten van over de hele wereld de mogelijkheid geven om met openwifi te experimenteren. Ze kunnen daarvoor trouwens eveneens gebruik maken van onze remote testfaciliteiten.”  

“Als onderdeel van ons industrieel-wetenschappelijk engagement geven we onze partners de mogelijkheid om nu al een aantal wifi-gebaseerde TSN-features te testen, los van vendor-specifieke implementaties en chipsets die op dit ogenblik sowieso nog niet commercieel beschikbaar zijn. Dat levert onze partners op termijn een belangrijk concurrentievoordeel op.”

Op Github – het grootste open source softwareontwikkelingsplatform ter wereld – gooit openwifi alvast hoge ogen: het staat er niet alleen in de top-4 van de meest gewaardeerde FPGA-contributies, maar werd ook al meer dan 200 keer gedownload. 
 
Jeroen Hoebeke: “Bovendien loopt er ondertussen een SBO-project ondersteund door het Vlaamse Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek. In het kader daarvan geven we industriële partners een unieke kans om hun toepassingen te testen bovenop openwifi en te evalueren of die compatibel zijn met de tijdgevoelige wifi-oplossingen van morgen. Zo heeft de West-Vlaamse bouwer van gespecialiseerde communicatie-oplossingen Televic alvast interesse getoond in openwifi voor het testen van een low-latency audiostreamingsysteem.”  
 
“Als onderdeel van ons industrieel-wetenschappelijk engagement geven we onze partners de mogelijkheid om nu al een aantal wifi-gebaseerde TSN-features te testen, los van vendor-specifieke implementaties en chipsets die op dit ogenblik sowieso nog niet commercieel beschikbaar zijn. Dat levert onze partners op termijn een belangrijk concurrentievoordeel op,” zegt hij.      

“We gaan de komende jaren geleidelijk meer TSN-features in draadloze netwerken zien verschijnen, maar dat zal stap per stap gebeuren. Eerst moeten de commerciële chips ontwikkeld worden die de nodige features ondersteunen, en dan pas volgen de toepassingen.”

“En ondertussen bieden we nog een extra meerwaarde doordat we nu ook wifipakketten kunnen verrijken met realtime netwerk- en end-to-end monitoringinformatie. Zo kunnen we op elk moment – terwijl het pakket door een netwerk reist – vaststellen wat de performantie van het wifinetwerk is, ook tussen de eindapplicaties. Daarbij meten we wat er met een wifipakket gebeurt, zonder extra trafiek met meetinfo door het netwerk te jagen. Op die manier weet je precies waar je moet gaan zoeken wanneer er iets fout loopt. Maar je kan die input evengoed gebruiken in het kader van herconfiguraties – of gewoon om te controleren of je wel de afgesproken quality-of-service krijgt. Eigenlijk is dat een techniek die al langer wordt toegepast in datacenters, maar wij zijn nu de eersten die dit doen voor draadloze netwerken,” besluit Hoebeke. 

Conclusie: de eerste stappen zijn gezet, maar voor commerciële implementaties is het nog te vroeg 

Rest de vraag: wanneer zullen industriële installaties gebruik kunnen maken van draadloze TSN’s? Daarover zijn Ingrid Moerman en Jeroen Hoebeke het roerend eens: dat is nog niet voor morgen. 
 
“We gaan de komende jaren geleidelijk meer TSN-features in draadloze netwerken zien verschijnen, maar dat zal stap per stap gebeuren. Eerst moeten de commerciële chips ontwikkeld worden die de nodige features ondersteunen, en dan pas volgen de toepassingen. Maar wat ondertussen wel interessant is, is om te zien welke stappen zowel 5G als wifi hierin de volgende maanden gaan zetten. Want allebei zien zij een duidelijke toegevoegde waarde in het faciliteren van tijdkritische toepassingen,” klinkt het. 
 
Openwifi is één van de resultaten uit het ORCA-project dat werd ondersteund door het Europese Horizon2020-programma.  
 
Interesse om zelf met openwifi aan de slag te gaan? Binnenkort wordt een evaluatiekit gelanceerd – met een full TSN wifi-stack, en de nodige support – waarmee bedrijven op een unieke, laagdrempelige manier met tijdgevoelige wifinetwerken kunnen experimenteren, en evalueren hoe hun applicaties daarmee omgaan. Meer info via Ingrid.Moerman@imec.be.   

Meer info:  

• De openwifi Linux driver en software kunnen hier gedownload worden
• Dankzij de (remote) IDLab testfaciliteiten van imec, UAntwerpen en de UGent test je alle mogelijke draadloze technologieën, van wifi tot 4G, 5G en zelfs toekomstige 6G radio-architecturen op basis van gedistribueerde massive MIMO.

Dit artikel verscheen eerder als bijdrage op Engineering.net.