Automazione industriale: in attesa del 5G

Da molti anni argomento tra i più "caldi" nel settore delle telecomunicazioni, il 5G è in dirittura d'arrivo: già nel 2018 alcuni operatori statunitensi come Verizon e AT&T hanno avviato le prime reti commerciali 5G, mentre la Corea del Sud ha attivato i primi servizi nel 2019 e la maggior parte degli operatori europei inizierà a proporre le proprie offerte a partire dal 2020.

Introduzione

Anche se con enfasi forse eccessiva alcuni commentatori prevedono che sarà uno dei più importanti sviluppi della storia dell'umanità, il 5G avrà comunque un profondo impatto su molti aspetti della vita quotidiana, consentendo lo sviluppo di applicazioni innovative in numerosi settori verticali tra cui sanità, automotive, città "intelligenti" (smart cities) e automazione industriale.

In questo articolo saranno esaminate le potenzialità del 5G nel contesto dell'automazione industriale (IA -Industrial Automation), analizzando cosa si cela dietro la massiccia campagna pubblicitaria in atto e tutti gli aspetti che rendono questa tecnologia così diversa dal 4G, valutandone infine le ricadute concrete. Inoltre verranno analizzate le problematiche che i produttori di apparecchiature per le infrastrutture di rete dovranno affrontare e i motivi per cui i fornitori di apparecchiature di automazione industriale e i loro clienti richiedono la disponibilità della tecnologia 5G nel più breve tempo possibile.

5G: informazioni di base

L'esigenza di poter disporre di ampiezze di banda sempre maggiori su rete mobile è in continuo aumento, a causa della diffusione di applicazioni quali realtà aumentata (AR - Augmented Reality) e veicoli autonomi e, soprattutto, della crescita esponenziale di Internet of Things (IoT). Anche se le previsioni degli analisti circa il numero di oggetti connessi differiscono tra di loro, tutti concordano che questo numero sarà in ogni caso enorme: un recente report di Ericsson stima che il traffico globale dei dati mobili (ovvero i contenuti della Rete forniti a dispositivi mobili) crescerà a un ritmo del 39% su base annua, raggiungendo quota 107 exabyte (EB)/mese entro la fine del 2023.

Poichè le attuali reti 4G/LTE stanno rapidamente raggiungendo la capacità massima di utilizzo e non saranno in grado di supportare questo consistente aumento della domanda, già nel 2015 ITU (International Telecommunications Unions) aveva preso atto della necessità di un cambio radicale nei sistemi di comunicazione mobili e stilato il documento ITU-R IMT-2020 (5G), dove sono delineate le specifiche dei requisiti per il 5G. ITU sta ora lavorando con diverso Enti, tra cui 3GPP, con l'obiettivo di finalizzare la stesura degli standard entro il 2020.

Figura 1: Un riassunto delle specifiche tecniche 5G che identifica tre dei principali casi d'uso per la tecnologia 5G

 

Le tre tipologie di scenari d'uso individuati da ITU-R attorno ai quali ruota il concetto di 5G sono i seguenti:

  • eMBB (Enhanced Mobile Broadband) che garantisce una velocità di trasmissione dei dati veramente notevole (fino a 20 Gb/s) e una copertura molto ampia, decisamente superiore rispetto a quella offerta dal 4G.
  • mMTC (Massive Machine Type Communications) progettata per fornire una copertura su aree di grandi dimensioni e una penetrazione indoor efficace per consentire il collegamento di centinaia di migliaia di dispositivi IoT per chilometro quadrato. mMTC è stato anche concepito per garantire una connettività ubiqua senza richiedere l'uso di dispositivi con particolari requisiti in termini sia di hardware sia di software e in grado di supportare applicazioni a basso consumo alimentate a batteria
  • uRLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications) ideata per semplificare applicazioni particolarmente critiche con requisiti molto severi in termini di latenza end-to-end (E2E) (1 ms o inferiore), affidabilità e disponibilità.

 

Per garantire prestazioni di questo livello, i progettisti di sistemi e reti 5G devono adottare un approccio radicalmente diverso, utilizzando un certo numero di tecnologie tra cui:

  • Nuove opzioni per quanto riguarda lo spettro che prevedono l'utilizzo di un'ampiezza di banda a frequenze molto più elevate rispetto a quelle del 4G, comprese le frequenze nel campo delle onde millimetriche al di sopra di 30 GHz, dove lo spettro è meno affollato. Frequenze così elevate consentono di aumentare considerevolmente la quantità dei dati trasmessi sfruttando i sistemi 5G.
  • L'abbinamento di tecniche di MIMO (multiple-input, multiple-output) massivo (in pratica antenne multiple dal lato ricezione e trasmissione) e di beamforming consente alla tecnologia 5G di supportare oltre 1.000 dispositivi in più per metro rispetto al 4G, direzionando i dati a elevata velocità verso un un numero maggiore di utenti in modo preciso e con latenze ridotte.

"Network Slicing" (in pratica la suddivisione di reti fisiche in "fette" di rete, ovvero reti virtuali ottimizzate per una determinata categoria di servizi), una delle numerose caratteristiche di gestione delle rete avanzate previste da 5G che consentirà agli operatori di offrire servizi ad "hoc" per la particolare applicazione considerata. I veicoli a guida autonoma, per esempio, richiedono connessioni estremamente veloci a bassa latenza per supportare la navigazione in tempo reale, mentre molti sensori IoT trasmettono dati sotto forma di raffiche (burst) periodiche, che richiedono elevata velocità ma una classe di servizio inferiore.

Un'implementazione che offre capacità tipiche di un ambiente cloud e l'elaborazione alla periferia della rete (Edge Computing) permettono di trasferire i vantaggi tipici del cloud computing alle reti radio, soddisfacendo nel contempo i requisiti di una ridotta latenza grazie alla possibilità di "avvicinare" i contenuti alla radio e di fornire funzionalità di gestione locale del traffico (local breakout) e MEC (Multi-Access Edge Computing - in sintesi la possibilità di eseguire l'elaborazione delle informazioni in prossimità degli utenti, siano essi persone oppure oggetti).

Il 5G nell'automazione industriale

Un cambiamento epocale, spesso sintetizzato con la definizione di Industry 4.0, è in atto nel mondo manifatturiero, determinato in larga misura dalla necessità di soddisfare le esigenze di mercati globali sempre più volatili. Per sopravvivere in un mercato che si fa di giorno in giorno più competitivo, i produttori devono aumentare l'efficienza di tutte le loro attività (operations) garantendo nel contempo la qualità della produzione. Per conseguire tale obiettivo essi devono orientarsi verso il modello della "fabbrica intelligente" definito da Industry 4.0 (figura 2) dove tecniche di produzione flessibili, modulari e versatili che abbinano le competenze umane con l'automazione - sistemi cyber-fisici compresi - sostituiscono i tradizionali sistemi di produzione statici e sequenziali.

 

Figura 2: La "fabbrica intelligente" conforme alle linee guida di Industry 4.0. (Fonte: “The Smart Factory, Responsive, Adaptive, Connected Manufacturing”, Deloitte University Press)

 

Anche se la maggior parte degli stabilimenti utilizzano protocolli di comunicazione di tipo cablato come Industrial Ethernet, Profinet e CANbus per collegare sensori, azionamenti e controllori nei sistemi di automazione, le reti di questo tipo non sono in grado di soddisfare i requisiti di una smart factory, che richiede servizi di comunicazione wireless efficienti e ad alte prestazioni e i parametri chiave sono latenza, disponibilità e determinismo.

La figura 3 illustra la corrispondenza tra i principali casi d'uso relativi alla fabbrica del futuro, identificati nel rapporto tecnico di 3GPPP, e i requisiti dei servizi 5 G definiti dalle specifiche redatte da ITU.

Figura 3: Panoramica dei più importanti casi d'uso in ambito industriale in funzione dei relativi requisiti di sevizio base. (Fonte: “5G for Connected Industries and Automation”, 5GACIA, Novembre 2018)

 

La tecnologia mMTC prevista da 5G,ad esempio, è particolarmente adatta per soddisfare i requisiti tipici della reti di sensori wireless (WSN - Wireless Sensor Network) che saranno utilizzate in misura sempre maggiore nella fabbrica del futuro per effettuare il monitoraggio di ambienti e operazioni specifiche, come ad esempio i processi di produzione e i relativi parametri. Questa tecnologia risulta particolarmente utile nei casi in cui è necessario connettere un gran numero di dispositivi e una lunga durata della batteria rappresenta una priorità (per cui le comunicazioni devono essere caratterizzate da consumi estremamente bassi), mentre i volumi di traffico sono solitamente ridotti.

A questo punto è utile tenere in considerazione il fatto che il monitoraggio dei sensori è un'operazione di tipo dinamico: i dispositivi più semplici devono essere controllati da un'unità centralizzata, mentre i sensori più sofisticati possono integrare risorse di elaborazione, consentendo in tal modo di mantenere la funzione di monitoraggio all'interno della rete di sensori per ragioni di sicurezza oppure per ridurre la dipendenza da processi automatizzati che fanno ricorso a Internet. La permutazione tra le diverse opzioni di monitoraggio, nota come fog computing, MEC (Multi-Access Edge Computing) e cloud computing (Fig. 4) e il supporto a un'operazione di questo tipo è uno dei blocchi base su cui poggia la tecnologia 5G.

 

Figura 4: - Visione ad alto livello di una rete di sensori di tipo massivo e scalabile. (Fonte: 3GPP TR 22.804 V16.1.0 (2018-09))

 

Il controllo del movimento e la robotica industriale hanno invece una serie di requisiti in termini di comunicazione completamente differenti: in queste applicazioni sono richieste le caratteristiche di precisione e di rapidità di risposta in tempo reale previste dalla tecnologia uRLCC. L'implementazione basata su cloud e le funzionalità di Edge Computing di 5G supportano anche la Cloud Robotics (in altre parole la possibilità si trasferire alla rete funzionalità onerose in termini computazionali ed energetici dei processori con cui sono equipaggiati i robot), che sarà senza dubbio una delle prime applicazioni che trarrà sicuri vantaggi dall'adozione della nuova tecnologia di comunicazione.

Le sfide del 5G

Sebbene il 5G si sta avviando a diventare una realtà concreta, sono ancora molti i problemi da affrontare e superare lungo l'intera catena del valore prima che questa tecnologia riesca a soddisfare tutte le aspettative in essa riposte.

Gli operatori di rete devono effettuare ingenti investimenti in quanto la migrazione dalle reti 4G/LTE alle reti 5G non rappresenta un'evoluzione di natura incrementale come è accaduto per le reti delle precedenti generazioni. E' necessario apportare modifiche a ogni stazione base, mentre il numero di tralicci deve aumentare in modo sensibile per poter installare le celle 5G di dimensioni molto più piccole.

Poichè tali costi molto probabilmente devono essere sostenuti prima di poter contare su un flusso di entrate costante (e consistente) molti operatori potrebbero optare per un approccio di natura graduale per l'installazione della rete 5G, sfruttando il più a lungo possibile le reti 4G/LTE esistenti.

I produttori di dispositivi, dal canto loro, devono affrontare le problematiche legate alla progettazione di dispositivi adatti all'uso nel campo delle frequenze millimetriche, dove bassi consumi, compattezza dimensionale e costi ridotti sono elementi di fondamentale importanza.

I produttori e gli integratori di sistemi devono invece individuare le modalità più idonee per integrare senza problemi la tecnologia 5G nell'infrastruttura di comunicazione esistente e implementare i sistemi in un ambiente, quello di fabbrica, che può risultare particolarmente ostile per quando riguarda la propagazione delle onde radio.

Senza dimenticare che tutti i soggetti interessati appena sopra menzionati devono affrontare il problema legato al fatto che le specifiche degli standard e l'allocazione dello spettro radio per il 5G non sono ancora definitivi: ciò introduce elementi di rischio in ogni progetto e potrebbe rallentare il processo di implementazione.

Considerazioni conclusive

Nonostante le problematiche delineate nel corso dell'articolo, cui se ne possono sicuramente aggiungere anche altre, i vantaggi per il mondo industriale nel suo complesso sono senza dubbio considerevoli. In base ai dati forniti da GSMA, un'organizzazione internazionale che raggruppa gli operatori mobili, nel 2025 vi saranno 1,1 miliardi di connessioni 5G che genereranno un fatturato di 1.300 miliardi di dollari (con un incremento su base annua del 2,5% da qui al 2025). Contemporaneamente, uno studio recentemente pubblicato da Ericsson prevede che per gli operatori del settore ICT che adotteranno un modello basato sull'integrazione verticale il 5G genererà ricavi stimati in 234 miliardi di dollari. Per quanto riguarda le realtà manifatturiere, secondo i dati forniti da PWC entro il 2020 le aziende europee investiranno 140 miliardi di euro su base annua nelle applicazioni basate su Industrial Internet e prevedono di ottenere, in media, miglioramenti dell'efficienza in misura pari al 18% nell'arco dei prossimi cinque anni.

Indipendentemente dalla posizione nella scala del valore, è indubbio che il 5G è un mercato di vastissime proporzione e caratterizzato da tassi di crescita decisamente elevati destinato a rivoluzionare la produzione, la distribuzione e l'assistenza di beni e prodotti nell'arco del loro ciclo di vita, garantendo sensibili incrementi di efficienza per i produttori e notevoli vantaggi per i consumatori in termini di qualità e possibilità di scelta.

Con questi presupposti, non può certo sorprendere il fatto che i fornitori di apparecchiature per l'automazione industriale e i loro clienti aspettino con una certa impazienza la messa in esercizio della tecnologia 5G.

A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics

 

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