Internet vạn vật (IoT) đã cách mạng hóa chức năng lĩnh vực sản xuất và chế tạo. Thông qua công nghệ công nghiệp IoT, các sàn nhà máy có được hiệu suất cao hơn, độ chính xác cao hơn và hiệu suất được tối ưu hóa, đồng thời cải thiện độ an toàn. Điện toán biên 5G (Fifth-generation edge computing) tạo cơ hội cho sự phát triển tiếp theo trong IoT công nghiệp, tạo tiền đề về mặt chức năng cho ngành công nghiệp 4.0.
Mặc dù, đa số người biết 5G và điện toán biên là hai công nghệ riêng biệt nhưng không phải tất cả mọi người đều hiểu chúng sẽ kết hợp với nhau như thế nào. Do đó, một số ngành công nghiệp sẽ bỏ qua những lợi ích tiềm năng của việc khai thác đồng thời điện toán biên và 5G, cả lợi thế mà điện toán biên 5G mang lại cho những lĩnh vực công nghiệp áp dụng sớm.
Điện toán biên 5G mang lại hiệu suất mạng vượt trội cho IoT công nghiệp và tự động hóa công nghiệp, đem lại thông lượng nâng cao và độ trễ giảm đáng kể khi so sánh với phiên bản tiền nhiệm 4G LTE. Ngoài ra, nó cho phép các nhà sản xuất trải nghiệm bảo mật nâng cao trong các mạng riêng, đồng thời cung cấp khả năng ảo hóa biên giúp định hình lại chức năng của IoT.
Điện toán biên 5G là gì?
Điện toán biên 5G là sự giao thoa của hai công nghệ: công nghệ mạng 5G và điện toán biên. Nó kết hợp công nghệ mạng tốc độ cao với sức mạnh tính toán phi tập trung để nâng cao hiệu quả hoạt động và thực hiện các điều chỉnh dựa trên dữ liệu trong thời gian thực gần hoặc thời gian thực.
Mạng 5G là một bước phát triển trong kết nối không dây, mang đến những cải tiến đáng kể so với khả năng của các mạng trước đó. Nhìn chung, 5G cung cấp ba lợi thế chính:
- Truyền dữ liệu được tăng tốc, đạt tới nhiều Gigabit/giây và vượt xa 4G LTE tới 10 lần.
- Giảm độ trễ, có khả năng giảm xuống tới mili giây một chữ số.
- Tăng dung lượng với băng thông tăng, hỗ trợ đồng thời nhiều thiết bị IoT hơn.
Điện toán biên liên quan đến việc xử lý dữ liệu xảy ra ở “biên” của mạng. Với các phương pháp truyền thống, dữ liệu được truyền đến vị trí trung tâm để hoàn thành việc tính toán và tạo lệnh, sau đó lệnh này phải quay trở lại thiết bị ban đầu. Điều đó tạo ra một mức độ trễ bẩm sinh.
Với điện toán ranh giới (biên), việc tính toán diễn ra ở cấp thiết bị. Dữ liệu không được gửi đến vị trí trung tâm để xử lý. Thay vào đó, dữ liệu diễn ra ở rìa (biên) tại các thiết bị công nghệ IoT – từ đó, tăng tốc việc ban hành lệnh và loại bỏ độ trễ không cần thiết. Về mặt chức năng, điện toán biên giúp tiết kiệm thời gian và vì dữ liệu không được truyền đến vị trí trung tâm nên băng thông sẵn có không bị chiếm dụng.
Khi kết hợp, 5G và điện toán biên sẽ hỗ trợ các ứng dụng có yêu cầu cao, bao gồm robot công nghiệp, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo (AI) trong sản xuất một cách hiệu quả hơn.
5 cách điện toán biên 5G tạo tiền đề cho Công nghiệp 4.0
Công nghiệp 4.0 dựa trên một khái niệm cốt lõi đó là khả năng kết nối thiết bị. Kết nối công nghiệp khác, đòi hỏi độ tin cậy đặc biệt cao và các giải pháp chắc chắn có thể chịu được các điều kiện không thể đoán trước - và thậm chí nguy hiểm - thường gặp trong quá trình vận hành. Việc giảm độ trễ cũng quan trọng tương tự, vì độ trễ truyền dữ liệu có thể làm mất hiệu suất sản xuất.
Điện toán biên 5G sẽ giải quyết, loại bỏ nhiều thách thức mà cản trở Công nghiệp 4.0, tạo tiền đề hiệu quả cho sự phát triển tiếp theo của các nhà máy sản xuất thông minh. Dưới đây là 5 cách kết hợp điện toán biên và 5G sẽ mở đường cho Công nghiệp 4.0.
Giảm độ trễ cho giao tiếp thời gian thực
Với giao tiếp biên 5G, các công ty công nghiệp tạo ra một hệ thống hợp tác, giảm độ trễ bằng cách bỏ qua một điểm xử lý trung tâm để ưu tiên tính toán ở mức thiết bị và liên lạc trực tiếp giữa các thiết bị. Ngoài ra, kết quả của mạng biên tạo ra một lớp điện toán biên đa truy cập, có khả năng tính toán bắt chước các giải pháp đám mây mà không có độ trễ truyền dẫn liên quan đến điện toán đám mây thực sự. 5G cũng cung cấp tốc độ cao hơn so với các công nghệ không dây thế hệ trước. Có thể có độ trễ dưới 5 mili giây, thấp hơn nhiều so với phạm vi 60 đến hơn 100 mili giây thường đạt được với 4G. Tốc độ tối đa có thể đạt tới 20 gigabit/s.
Nhiều lợi ích về hiệu suất có liên quan đến việc sử dụng sóng milimet. Tín hiệu 5G chủ yếu nằm trong khoảng 30 đến 300 GHz, thể hiện dải tần cao hơn so với các thế hệ mạng trước đó, cải thiện khả năng truyền dữ liệu. Kết quả là tạo ra một hệ thống hỗ trợ giao tiếp gần hoặc đúng thời gian thực.
Cải thiện độ tin cậy và độ bền
Với IoT dựa trên 5G, việc triển khai nút mạng dày đặc - có khả năng lên tới một nút trên mỗi 50 m2 - nâng cao độ tin cậy và tích hợp tính năng dự phòng. Về cơ bản, điều này tạo ra một mạng lưới truyền dẫn tùy chọn và chuyển đổi dự phòng. Thiết kế này cho phép các thiết bị IoT và các thiết bị được kết nối khác chuyển sang các nút lân cận khác nếu một nút duy nhất bị lỗi. Các giải pháp kết nối 5G công nghiệp đang nâng cao hơn nữa độ tin cậy bằng cách cải thiện độ bền. Các thiết kế chắc chắn, đảm bảo chúng có thể hoạt động trong môi trường đầy thách thức. Ví dụ, bộ định tuyến công nghiệp chịu được bụi, độ ẩm và nhiệt độ khắc nghiệt, khiến chúng có thể hoạt động được trong các cơ sở sản xuất và ngoài trời.
Tăng cường bảo mật thông tin qua mạng riêng
Trong khi điện toán đám mây công cộng đã chuyển đổi nhiều lĩnh vực, các nhà máy sản xuất công nghiệp vẫn chậm áp dụng các giải pháp nêu trên. Lý do cốt lõi chủ yếu là do những lo ngại về bảo mật - bao gồm việc sử dụng môi trường điện toán dùng chung và mạng không dây có thể truy cập rộng rãi - mặc dù những nghi ngờ về độ tin cậy cũng đóng một vai trò nhất định.
Với 5G, việc triển khai mạng riêng là một hướng đi khả thi. Các cơ sở sản xuất công nghiệp có thể tách biệt về mặt chức năng khỏi mạng di động trong khi vẫn đạt được tốc độ tương tự như các giải pháp thay thế có dây. Những giải pháp này cũng mang lại khả năng tính toán tương tự như những gì được cung cấp qua công nghệ đám mây công cộng trong khi vẫn đảm bảo rằng dữ liệu nhạy cảm, quan trọng vẫn được lưu trữ nội bộ.
Đơn giản hóa việc thực hiện bằng cách trang bị thêm cơ sở hạ tầng hiện có
Nhiều sự phát triển trong công nghệ đòi hỏi phải hoàn thiện cơ sở hạ tầng cập nhật để tận dụng tối đa. Tuy nhiên, với điện toán biên 5G, việc trang bị thêm thiết bị tích hợp là có thể. Các công ty có thể sử dụng thiết bị và cơ sở hạ tầng hiện có của mình và kết hợp trí tuệ biên.
Hiệu quả, điện toán biên với kết nối 5G cho phép các công ty công nghiệp giải quyết các nhu cầu ngày càng tăng. Việc kết hợp giám sát từ xa, thêm cảm biến, mở rộng mạng và triển khai điều khiển vòng kín không yêu cầu các cơ sở sản xuất phải cải tiến hệ thống công nghệ của họ ngay từ đầu. Ngoài ra, các công ty công nghiệp có thể kết hợp kết nối theo mục đích vào tổ hợp, tăng cường chức năng cho các giải pháp hiện có mà không cần xây dựng lại mạng hoàn chỉnh.
Tối ưu hóa hoạt động thông qua thiết bị cộng tác
Tự động hóa là một phần quan trọng trong bối cảnh sản xuất thông minh rộng lớn hơn và điện toán biên 5G đưa khái niệm này lên một tầm cao mới. Với các thiết bị cung cấp khả năng tính toán và mạng tốc độ cao hỗ trợ giao tiếp gần hoặc thời gian thực thực, các thiết bị IoT có thể hoạt động cộng tác và tương hỗ lẫn nhau.
Dữ liệu có thể truyền giữa các thiết bị ở biên mà không cần chuyển tiếp qua điểm xử lý trung tâm, hạn chế hoặc loại bỏ đáng kể độ trễ tiềm ẩn. Sau đó, các thiết bị có thể đánh giá dữ liệu nhận được để xác định các điểm nghẽn, phân tích việc sử dụng năng lượng hoặc phát hiện các vấn đề khác cần điều chỉnh trong quá trình sản xuất.
Về mặt chức năng, mức độ cộng tác này cho phép các thiết bị xác định tốc độ và tần suất diễn ra các hoạt động cụ thể. Đổi lại, hệ thống sẽ tạo ra quy trình làm việc được tối ưu hóa trong thời gian thực dựa trên điều kiện hiện tại của nhà máy mà không cần sự can thiệp trực tiếp của nhân viên. Tương tự, tính chất hợp tác của các hệ thống này hỗ trợ phân bổ nguồn lực thông minh, đảm bảo rằng năng lượng, vật liệu và các nguồn lực khác được hướng đến những lĩnh vực cần chúng nhất.
Giá trị cơ hội của điện toán biên 5G là gì?
Với điện toán biên 5G, doanh nghiệp có thể tối ưu hóa hoạt động và quy trình làm việc bằng cách phân quyền xử lý dữ liệu. Việc tính toán có thể diễn ra ở cấp độ thiết bị, giảm điểm nghẽn cho mạng và các thiết bị điện toán khác, chẳng hạn như máy chủ. Ngoài ra, có thể điều chỉnh sản xuất theo thời gian thực với các thiết bị IoT và điện toán biên 5G, đảm bảo quy trình làm việc được tối ưu hóa để đạt hiệu quả tổng thể cao hơn.
Sự khác biệt giữa Điện toán biên và Điện toán đám mây là gì?
Điện toán biên kết hợp sức mạnh tính toán ở cấp thiết bị, cho phép nhiều thiết bị IoT khác nhau hoặc các công nghệ được kết nối khác phân tích dữ liệu cục bộ mà không cần phụ thuộc vào máy chủ trung tâm hoặc giải pháp xử lý dữ liệu tương tự. Điện toán đám mây sử dụng các máy chủ tập trung - thường được sở hữu và hỗ trợ bởi nhà cung cấp bên thứ ba - được đặt bên ngoài cơ sở. Việc tính toán yêu cầu gửi dữ liệu đến máy chủ đám mây, thường là qua internet và chờ phản hồi được truyền lại.
Tài liệu tham khảo
[1] Hu, Y. C., Patel, M., Sabella, D., Sprecher, N., and Young, V. (2015). Mobile Edge Computing-A Key Technology towards 5G. ETSI White Paper 11 (11), 1.
[2] Industrial Internet Consortium:Edge Computing Task Group (2018). Introduction to Edge Computing in IIoT. https://production.iiconsortium.org/pdf/Introduction_to_Edge_Computing_in_IIoT_2018-06-18.pdf.(Accessed November 03, 2018).
[3] Gong, G. J., Luo, A. Q., Chen, Z. M., Luan, J. Z., An, X. N., Wang, X. B., et al. (2018). Cyber Physical System of Active Distribution Network Based on Edge Computing. Power Syst. Technol. 42 (10), 3128. doi:10.13335/j.1000-3673.pst.2018.0119.
[4] A.Anand, G D.Veciana, and S.Shakkottai. , “Joint scheduling of URLLCand eMBB traffic in 5g wireless networks.” ,In IEEE INFOCOM 2018 -IEEE Conference on Computer Communications. IEEE, apr 2018.
TS. Hồ Đức Chung