Come il 5G innesca il potenziale dell’Industrial IoT

Industria 4.0, la nuova era della produzione industriale, è supportata dai progressi tecnologici quali big data, automazione, sistemi cyber fisici e 5G.

Un'opportunità significativa per cavalcare questa rivoluzione è l'Industrial Internet of Things (IIoT), che copre un’ampia varietà di applicazioni che spaziano dalla produzione a container portuali e centrali elettriche.

I processi e i modelli operativi che compongono l'IIoT possono essere elevati al livello successivo con la connettività ad altissime prestazioni e bassissima latenza offerta dalle reti wireless 5G.

Chi è l'autore

Yongbin Wei è Senior Director, Engineering di Qualcomm Technologies

Secondo The 5G Economy, uno studio indipendente condotto da IHS Economics and Technology all'inizio del 2017, il pieno beneficio economico del 5G dovrebbe essere realizzato in tutto il mondo entro il 2035, quando un’ampia gamma di settori abilitati dalla tecnologia mobile potrà produrre beni e servizi fino a 12 trilioni di dollari.

Che si tratti di abilitare banda larga potenziata con velocità simili alla fibra ottica, connettività mission-critical a latenze inferiori al millisecondo o di collegare gli innumerevoli dispositivi diversi inclusi nell’IoT massivo, il 5G è progettato come piattaforma in grado di gestire un insieme diversificato di servizi su una vasta gamma di bande di frequenze, inferiori a 1 GHz fino a mmWave, e di supportare diversi modelli di implementazione, da reti macro a reti indoor e private. In qualità di tessuto di connettività unificante per l'innovazione, il 5G non solo indirizzerà le esigenze delle industrie di oggi, ma è compatibile con il futuro, con la flessibilità necessaria per gestire anche i servizi che non sono stati ancora sviluppati.

Viaggio in 5G nella fabbrica del futuro

Consideriamo la fabbrica del futuro: un ambiente wireless in cui tutto viene monitorato e ottimizzato. Abilitando comunicazioni wireless ad alte prestazioni, il 5G offre un potenziale considerevole per casi d'uso come l'automazione della catena di montaggio, il decision making di veicoli a guida automatizzata (AGV) e la raccolta di dati dai sensori da trasmettere alle soluzioni di machine learning, oltre alle applicazioni AR e VR.

Sebbene ciascuno di questi casi d'uso richieda requisiti diversi in termini di velocità, latenza o larghezza di banda, il 5G è in grado di gestirli come parte di una singola rete.

A seconda delle rispettive esigenze, alcuni casi d'uso possono essere più sfidanti ed esigenti di altri. I sistemi di motion control, ad esempio, responsabili del controllo dei movimenti delle macchine, devono rispettare requisiti molto severi in termini di latenza, affidabilità e determinismo; mentre la trasmissione costante di dati all'interno dell’IoT massivo richiede un'elevata capacità, la trasmissione in streaming video in alta definizione da e verso i dispositivi di realtà aumentata (AR) dipende in larga misura dall'alta velocità di trasmissione dei dati.

Diversamente, le esigenze di automazione di processo, che impiega diversi sensori e attuatori per monitorare e controllare i processi all'interno di un impianto, si trovano a metà tra i due. Questi casi d'uso richiedono comunicazione ultra-affidabile a bassa latenza (URLLC), un elemento chiave della connettività wireless abilitata per 5G in grado di fornire affidabilità elevatissima (‘sicx nines’ o 99.9999%) a una latenza inferiore a 1 ms, indirizzando tutte le loro esigenze all'interno di una singola rete.

Tuttavia, la fabbrica può essere un ambiente complesso per le comunicazioni wireless. Blocchi e riflessi causati da oggetti metallici in rapido movimento come gru e nastri trasportatori possono causare improvvise cadute della potenza del segnale RF e interferenza variabile nel tempo delle piccole celle dispiegate in tutta la struttura.

Superare questi limiti e abilitare la necessaria affidabilità six nines richiede una diversità spaziale per evitare la perdita del segnale e superarne quindi i blocchi.

Coordinated Multi Point

La trasmissione coordinata di segnali provenienti da più antenne in diversi luoghi, CoMP (coordinated multi point), quando abilitata da una distribuzione densa di piccole celle con backhaul a elevata larghezza di banda, può fornire diversità spaziale e capacità elevata, necessarie per garantire l'affidabilità six nines di URLLC.

Utilizzando le dimensioni spaziali per multiplexare molti flussi di dati, CoMP consente di effettuare più trasmissioni simultaneamente a molteplici posizioni, senza che l’una interferisca con l'altra, aumentando così la capacità di una rete 5G. Inoltre, può consentire alle reti adiacenti di condividere lo spettro in modo più efficace. Infine, la diversità spaziale può superare lo shadowing radio che si verifica in ambienti complessi come la fabbrica moderna, riducendo in maniera significativa i tassi di errore e offrendo l'affidabilità URLLC richiesta dalle applicazioni IIoT.

Il CoMP richiede il coordinamento tra i diversi punti di trasmissione/ricezione (TRP) per i quali, funzioni come la pianificazione e la gestione delle risorse, potrebbero dover essere eseguite da un'unità centralizzata. I trade-off possono però essere fatti. Tutte le funzioni dello strato fisico potrebbero essere spostate su un'unità centrale, per esempio, che supporta il CoMP coerente di trasmissione congiunta per una maggiore capacità, ma ciò richiede backhaul a elevate prestazioni come la fibra. In alternativa, la suddivisione dello strato fisico tra un'unità centralizzata e una distribuita supporterebbe il CoMP non coerente, con requisiti di backhaul meno stringenti, come GbE. Per concludere, la forma che assume l'architettura di una rete CoMP di una struttura dipenderà in gran parte da fattori quali l'infrastruttura di rete esistente, i costi e i requisiti di capacità.

Time Sensitive Networking

Stiamo assistendo a una tendenza verso il Time Sensitive Networking (TSN) per le soluzioni industriali Ethernet cablate che attualmente stanno guidando l'IIoT. Integrando gli standard IEEE 802.1Q, il TSN consente di utilizzare Ethernet per applicazioni time-sensitive che richiedono determinismo sia in termini di latenza che di larghezza di banda che, fino ad oggi, sono stati supportati da diverse implementazioni aperte o proprietarie tramite Ethernet o Fieldbus tra cui Profinet o Ethernet/IP. Infatti, dalla sua introduzione tra gli standard IEEE, l'aggiunta del supporto TSN rappresenta una grande opportunità per il 5G per aumentare tutte le implementazioni Ethernet industriali del futuro.

Il suo essere deterministico fa affidamento sulla sincronizzazione temporale, dove ogni nodo di una rete ha la stessa nozione di tempo, abilitando tempi di attesa pre-allocati per flussi differenti e assicurando una consegna end-to-end tempestiva. Simile al meccanismo QoS in ambito wireless, questa "pianificazione time-aware" consente al traffico best-effort di coesistere meglio con il traffico ad alta priorità sebbene l'assegnazione degli slot sia basata su un ciclo temporale assoluto piuttosto che su una relativa priorità.

Nel tempo la comunicazione wireless 5G può sostituire gli switch e i cablaggi Ethernet. Per operare come uno switch TSN, tuttavia, il 5G deve soddisfare tre aspetti principali.

Oltre a trasportare frame Ethernet deve supportare anche la pianificazione time-aware basata sul tempo sincrono in fabbrica, mentre la comprensione della configurazione end-to-end di TSN favorirà un'adeguata allocazione delle risorse per garantire la latenza. Infine, l'infrastruttura 5G deve essere in grado di trasmettere la tempistica delle fabbriche non solo alle UE (user equipment) ma anche alle macchine che si collegano ad esse.

Allocazione dello spettro

Uno dei numerosi vantaggi offerti dal 5G è che lo spettro più ampio – licenzato e non – offre alle aziende l'opportunità di creare reti private, ottimizzate per specifiche applicazioni industriali e gestite in modo indipendente.

Gli operatori o le autorità di regolamentazione regionali possono allocare una porzione di spettro licenziato in specifiche aree geografiche, come ad esempio in un impianto industriale,  mentre lo spettro non licenziato può comportarsi come spettro dedicato quando controllato dal proprietario di un immobile in un ambiente confinato. In questo modo, lo spettro non licenziato è in grado di supportare le richieste dell'IIoT. Senza interferenze da altre reti, ad esempio, un ambiente privato controllato può garantire la latenza. L'utilizzo di una vasta gamma di bande di frequenza può aggiungere maggiore affidabilità.

Queste diverse opzioni di spettro, oltre a funzionalità quali CoMP per URLLC o supporto per TSN, sono solo alcuni esempi di come la prossima release di 5G (3GPP release 16) supporterà le richieste delle applicazioni IIoT e indirizzerà le sfide delle fabbriche moderne. Con capacità migliorata, latenza ultra-bassa, alta affidabilità e velocità tra le sue numerose funzionalità, l'introduzione del 5G dimostrerà cosa può raggiungere la tecnologia wireless e, così facendo, libererà il potenziale dell'IIoT, oltre a costituire un significativo passo avanti verso la prossima era della produzione industriale.

 

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