Applicazioni pratiche del 5G nell'automazione industriale

Le comunicazioni wireless sono sempre più critiche per le comunicazioni per l'automazione industriale. Ora, la comunicazione cellulare di quinta generazione (5G) è ampiamente annunciata come la tecnologia wireless chiave per far avanzare la quarta rivoluzione industriale - Impresa 4.0 o Internet delle cose industriale (IIoT). Alcune fonti suggeriscono anche che il 5G sarà la chiave per rendere onnipresenti le installazioni IoT consumer e altre non industriali, in gran parte perché il 5G facilita la connessione di un numero impressionante di dispositivi, ovunque questi si trovino.

Figura 1: 3rd Generation Partnership Project (3GPP) riunisce le organizzazioni delle normative di telecomunicazione per rendere le tecnologie di telecomunicazione cellulare il più possibile compatibili tra loro e con le versioni precedenti. (Logo per gentile concessione di 3GPP)

Ma il 5G sostituirà la serie di standard wireless attualmente in opera? Il 5G arriverà a superare Wi-Fi, Bluetooth e IEEE 802.15.4 in applicazioni dove queste altre tecnologie vanno per la maggiore? Oppure il 5G è semplicemente una tecnologia migliorata per le poche applicazioni automatizzate in cui vengono usate le vecchie tecnologie cellulari? Quali sono i vantaggi prestazionali del 5G e in che misura sono già sfruttabili?

Per capire le risposte a queste domande, bisogna prima considerare come si distingue il 5G dalle altre comunicazioni cellulari e non cellulari. Il 5G - attualmente in fase di sviluppo per la telefonia mobile e le reti industriali - si basa sulle precedenti generazioni 2G, 3G e 4G della tecnologia cellulare digitale. Non c'è mai stato un 1G, poiché il precursore del 2G era una tecnologia telefonica analogica wireless che aveva poco in comune con le reti di oggi. Con il 2G arrivò la prima tecnologia digitale e le comunicazioni criptate del telefono e del servizio di messaggeria istantanea (SMS). Gli standard Global System for Mobile Communications (GSM) definiscono le reti a commutazione di circuito 2G che permettono chiamate vocali full-duplex. Nel corso degli anni, le reti 2G sono state ulteriormente migliorate dal primo General Packet Radio Service (GPRS) e poi dall'Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GRPS e EDGE hanno permesso la trasmissione di pacchetti di dati generici per la connettività Internet con velocità di dati crescenti, motivo per cui le reti con queste capacità sono talvolta chiamate rispettivamente tecnologie 2.5G e 2.75G.

Il 3G ha migliorato ulteriormente la velocità di trasferimento dati, fino al punto da permettere le videochiamate. Gli standard associati includono CDMA2000 e varie forme di High-Speed Packet Access (HSPA).

Poi è arrivato il 4G e velocità di trasferimento dati ancora maggiori attraverso gli standard Long Term Evolution (LTE) e WiMax, che utilizzano trasmissioni multiple-input e multiple-output (MIMO).

Il 5G è un'evoluzione del 4G, con i primi prodotti di rete 5G commercialmente disponibili rilasciati alla fine del 2018. Per una prospettiva storica su ciò che ha portato a questo sviluppo, si legga questo articolo di DigiKey del 2016: Come il 5G cambierà l'Internet delle cose industriale. Di grande interesse per gli utenti privati e commerciali è come le reti 5G devono poter supportare velocità di dati di diverse decine di Mbps per decine di migliaia di utenti. Devono anche essere in grado di fornire una connessione da 1 Gbps a decine di persone in un dato ufficio.

Le altre caratteristiche del 5G sono tra le più rilevanti per le applicazioni di automazione industriale. Più specificamente, le reti 5G devono permettere centinaia di migliaia di connessioni simultanee con una latenza molto bassa e una copertura altamente affidabile. Queste caratteristiche sono fondamentali per il massiccio dispiegamento di sensori associato alle applicazioni IIoT e di controllo delle macchine.

Si legga l'articolo correlato di DigiKey: Il 5G attualmente non offre tutto ciò che promette

Spettro e comunicazioni dati a onde millimetriche

La proliferazione dei dispositivi connessi sulle reti mobili porta con sé la minaccia della carenza di spettro. In generale, le bande a bassa frequenza forniscono una maggiore portata, mentre le bande a frequenza più alta permettono un maggior numero di connessioni in una piccola area. Un esempio: lo standard 1G AMPS utilizzava la banda degli 800 MHz, mentre il 2G GSM utilizzava inizialmente 1.900 MHz. Molti telefoni GSM oggi supportano tre o quattro bande diverse per consentire l'uso internazionale ... e le attuali reti mobili operano tra 700 MHz e 2,6 GHz. Tuttavia, poiché l'IoT aumenta il numero di dispositivi che si connettono alle reti mobili, lo spettro disponibile su queste bande di frequenza esistenti sta diminuendo. Questo è il motivo per cui il 5G ha iniziato a spingere verso frequenze più alte come 6 GHz e anche le cosiddette frequenze a onde millimetriche sopra i 24 GHz - compresi i 28 GHz e i 38 GHz.

Figura 2: Le interconnessioni ad alta velocità Sliver supportano velocità di dati di 25 Gbps e applicazioni 5G AAS, tra cui data center e commutazione e routing di telecomunicazioni. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Le frequenze di comunicazione a onde millimetriche permettono una larghezza di banda molto più alta e un numero elevato di connessioni. L'aspetto negativo è che la trasmissione dei dati su queste frequenze può avere una portata limitata e una dissipazione sensibile quando viaggia attraverso oggetti solidi. Infatti, le comunicazioni a onde millimetriche possono mostrare meno attenuazione di quelle su altre frequenze attraverso l'aria asciutta - ma queste comunicazioni sono fortemente influenzate dalla pioggia.

Una soluzione per sfruttare la migliore larghezza di banda di queste frequenze più alte (ma evitare i problemi di portata) è il beamforming. Con questa tecnica, un fascio di comunicazioni focalizzato è diretto verso un target specifico e non semplicemente trasmesso in tutte le direzioni. Il beamforming potrebbe presto dare alle comunicazioni a onde millimetriche la portata delle frequenze inferiori più comunemente usate oggi - anche minimizzando le interferenze delle comunicazioni.

Lo standard 5G New Radio (NR) è stato creato per specificare la tecnologia di accesso radio per il 5G. Include due campi di frequenza. Il campo di frequenza 1 è sotto i 6 GHz e il campo di frequenza 2 è nel campo delle onde millimetriche da 24 GHz a 100 GHz.

Connettività massiva con il 5G nell'automazione

Aumentare la frequenza per ottenere più spettro sarà parte della soluzione per consentire la connettività massiva necessaria per realizzare pienamente le promesse dell'IoT, come una densità di sensori molto maggiore. Ci sono, quindi, probabili miglioramenti immediati nel numero di dispositivi che possono connettersi alle reti 5G man mano che vengono introdotti.

Il 5G a onde millimetriche è in grado di gestire un milione di connessioni di dispositivi per chilometro quadrato, ma richiederà l'Internet delle cose a banda stretta (NB-IoT) per raggiungere questo obiettivo.

NB-IoT è una tecnologia a bassa potenza focalizzata sulla copertura interna per dispositivi a basso costo e bassa potenza. L'attuale connettività NB-IoT è ben al di sotto di un milione di dispositivi con celle che attualmente supportano 10.000 dispositivi. L'evoluzione a lungo termine per le macchine (LTE-M) è un'altra tecnologia a bassa potenza che fornisce una maggiore velocità di trasmissione dati e una minore latenza rispetto a NB-IoT, ma con un maggiore costo del dispositivo e consumo energetico. Un'altra soluzione sarà costituita da celle più piccole, soprattutto nelle aree ad alta richiesta.

Latenza 5G: valori pubblicati e prestazioni reali

Il 5G dovrebbe raggiungere una latenza inferiore a 1 msec ... ma questa specifica non è raggiunta il più delle volte. Infatti, per la bassa potenza, la latenza della tecnologia NB-IoT è di circa un secondo nella copertura normale, aumentando a diversi secondi per la copertura estesa. Per LTE-M la latenza è un po' migliore, circa 100 msec nel campo normale, ma ancora lontana da 1 msec richiesto per le applicazioni di controllo in tempo reale.

Figura 3: Varie forme di 5G hanno visto una rapida adozione globale. (Immagine per gentile concessione di Design World)

Raggiungere una latenza inferiore a 1 msec con una rete centralizzata è impossibile, poiché il viaggio di andata e ritorno può richiedere da 50 a 100 msec. La soluzione a questo è eseguire l'elaborazione all'interno della cellula... anche se questo necessita di server a livello di cellula. Questa è una semplificazione, perché quando i dispositivi connessi si spostano tra le celle - come nei veicoli autonomi - la continuità del controllo e del coordinamento deve essere assicurata. Questo a sua volta richiede una combinazione di controllo distribuito e centralizzato all'interno della rete. Le piccole celle possono anche aiutare a ridurre la latenza.

Un altro metodo usato nel 5G per ridurre la latenza è lo slicing della rete. Qui, la larghezza di banda della rete è divisa in canali gestibili individualmente in modo che alcuni siano riservati a trasmissioni a bassa latenza, mantenendo il traffico più bassi su quei canali. Le applicazioni di controllo industriale che richiedono questa capacità possono quindi utilizzare questi canali riservati.

Le attuali reti 5G stanno raggiungendo una latenza di meno di 30 msec, ma l'1 msec richiesto per il controllo in tempo reale è ancora lontano.

Altri vantaggi del 5G: bassa energia e alta affidabilità

L'uso di celle più piccole ridurrà naturalmente il consumo energetico, ma sarà in qualche modo compensato dal maggior numero di dispositivi. Una gestione più intelligente dell'energia avrà anche un ruolo nella riduzione dell'uso di energia nella rete 5G. NB-IoT permetterà una durata della batteria superiore a 10 anni per molti dispositivi, con una portata di 10 km.

La copertura più affidabile è un altro vantaggio del 5G. Il 5G si sta diffondendo rapidamente. Le reti NB-IoT e LTE-M sono già disponibili in gran parte del mondo. La disponibilità di canali riservati a bassa latenza è un po' meno chiara in questa fase.

Connettività wireless alternativa non cellulare

Le tecnologie cellulari 5G non sono l'unico modo per connettere in wireless i dispositivi industriali. Le alternative includono Wi-Fi, Bluetooth e le tecnologie basate su IEEE 802.15.4.

La latenza del Wi-Fi è tipicamente da 20 a 40 msec e ha alcuni problemi con la stabilità della connessione - il che significa che non è generalmente usato per applicazioni di controllo e automazione industriale. Tuttavia, è attualmente utilizzato per il monitoraggio delle condizioni delle macchine, i sensori di movimento e i lettori di codici a barre. IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow) opera intorno ai 900 MHz per portate fino a 1 km con un consumo energetico molto basso. Questo lo rende competitivo con le tecnologie 5G specifiche dell'IoT, anche se non può eguagliare la bassa latenza e l'alta densità di sensori.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) fornisce connettività a basso costo e bassa potenza, con velocità e portata limitate, ma è focalizzato sui dispositivi consumer. Le tecnologie basate su IEEE 802.15.4 enfatizzano anche il basso costo e la bassa potenza rispetto alla velocità e alla portata, con appena 250 kbps e una portata di soli 10 metri. Tuttavia, poiché sono supportate le topologie di rete a maglie, le reti possono essere estese oltre i 10 metri, a condizione che nessun dispositivo sia a più di 10 metri da un altro sulla rete. Molti dispositivi IoT a basso costo usano tecnologie come 6LoWPAN, WirelessHART e Zigbee. Il più focalizzato sul settore industriale, WirelessHART, è supportato da una vasta gamma di aziende tra cui ABB, Siemens, Fieldbus Foundation e Profibus.

Conclusione

Il 5G deve essere considerato una famiglia di tecnologie. Prestazioni impressionanti - tra cui la larghezza di banda molto alta, la densità dei sensori e la latenza super-veloce - non sono possibili contemporaneamente con una singola tecnologia. Ciò significa che le più importanti implementazioni di automazione industriale 5G non diventeranno realtà in modo così semplicemente quando i servizi di rete mobile 5G diventeranno onnipresenti. L'alta densità di sensori delle installazioni automatizzate richiederà tecnologie specifiche dell'IoT come NB-IoT e LTE-M. La buona notizia è che tali tecnologie sono già esistenti e hanno sempre una maggiore disponibilità in tutto il mondo sviluppato - ma anche nel mondo in via di sviluppo. Gli ingegneri possono aspettarsi costanti guadagni di capacità dalla rete 5G nei prossimi anni.

Video: Cosa aspettarsi dal 5G

L'uso del 5G per applicazioni di controllo che richiedono una latenza molto bassa è ancora un po' lontano. Le tecnologie a bassa potenza come NB-IoT e LTE-M 5G (e specialmente gli adattamenti specifici per IoT) rivestiranno un ruolo significativo nella realizzazione dell'Impresa 4.0 e nel rendere le macchine più intelligenti, le fabbriche più flessibili e i processi meno dispendiosi. Naturalmente, il 5G continuerà a competere con il Wi-Fi non cellulare, il Bluetooth e le tecnologie basate su IEEE 802.15.4. In definitiva, tutto questo stimolerà una maggiore produttività dell'automazione.

In breve, il 5G e altre forme di connettività wireless sicura e flessibile consentiranno la densità di sensori necessaria per l'analisi dei big data per caratterizzare completamente i processi di produzione, ottimizzare i programmi di manutenzione, coordinare i flussi di materiali e consentire la collaborazione autonoma dei robot.