Massima affidabilità con latenza minima è solo uno degli aspetti che il 5G può offrire. In particolare, la trasmissione “safe” su una tale rete di telefonia mobile si sta rivelando un tema di grande discussione. La prossima generazione dello standard garantisce ora un grande passo in avanti per lo scambio di dati industriali wireless. Ma i requisiti degli utenti industriali vengono effettivamente soddisfatti oppure è ancora un’utopia?
Dal punto di vista storico, la tecnica di telefonia mobile è una pura tecnologia per consumatori finalizzata alla comunicazione in reti pubbliche che si focalizzano su telefonia, invio di Sms e successivamente inoltro di dati. Le applicazioni precedenti per la manutenzione remota di macchine o il collegamento di parti di processo remote a un sistema di controllo hanno dovuto dunque provvedere senza alcuna garanzia di latenza, portata dei dati o copertura di rete. Ora, nel nuovo standard 5G, vengono presi per la prima volta in considerazione nella specifica gli interessi del settore industriale. Oltre al focus classico sull’elevata portata dei dati (Enhanced Mobile Broadband, eMbb), la standardizzazione prevede anche i requisiti dell’Industrial Internet of Things (IIoT), parola chiave: Massive Machine Type Communications (mMtc), e la comunicazione immediata (Ultra Reliable and Low Latency Communications, uRllc). Tali funzioni vengono descritte in più fasi (Release) dall’ente di standardizzazione Third Generation Partnership Project (3Gpp).
La prima specifica 5G (Release 15) è stata pubblicata alla fine del 2018 con focus proprio su eMbb. A metà 2020 è seguita la Release 16 con attenzione su mMtc e la Release 17 a metà 2022 che verte su uRllc. Le funzioni attualmente discusse saranno disponibili nella Release 18 nel 2024. È importante ricordare che, dalla pubblicazione delle Release, si devono ancora calcolare i tempi di sviluppo di semiconduttori, prodotti e della tecnologia di rete che si stima siano di almeno due anni. I progetti attualmente realizzati e l’hardware impiegato si basano pertanto sulle funzioni della Release 15 ed eventualmente già della Release 16.
Struttura di reti di telefonia mobile private
Indipendentemente delle novità funzionali della quinta generazione di telefonia mobile, vi è un’ulteriore innovazione: la struttura di reti di telefonia mobile private. Tali reti mostrano la medesima struttura di quelle pubbliche. I dispositivi terminali (user equipment) comunicano in modalità wireless con le torri di trasmissione radio (Base Station). Nelle reti private sono antenne per uso interno o esterno che presentano un design simile ai Wlan Access Point. Le Base Station si collegano a loro volta mediante ponti radio o cavi in rame o fibra di vetro (backhaul) con il centro di elaborazione dati centrale (network core). Il network core delle reti private è costituito da un dispositivo locale da 19 pollici nella sala server. Esso funge da elemento di comunicazione centrale della rete ed è responsabile del routing dei dati utili verso altre utenze wireless o del loro inoltro a Internet. Si occupa inoltre della gestione e autenticazione dei singoli collegamenti. È importante che la trasmissione dei dati avvenga in una rete privata situata nei locali dell’azienda. È proprio questo elemento a garantire una comunicazione affidabile con latenza minima e maggiore affidabilità contro i guasti, in quanto le vie di trasmissione sono brevi e l’operatore ha piena sovranità sulla rete (figura 3).
Ridotto onere di cablaggio in reti estese
Una rete 5G privata utilizza una frequenza di banda concessa in licenza. È questo ciò che distingue la tecnologia da soluzioni senza licenza come Wlan. L’uso esclusivo offre un controllo nettamente maggiore della gamma di funzioni, un utilizzo più efficiente della tecnologia e una migliore prioritizzazione delle utenze di comunicazione. Non esistono ad esempio circostanze limitanti che devono garantire la coesistenza con altre utenze wireless nella gamma priva di licenza. Questo aspetto costituisce un vantaggio per il 5G, in particolare in presenza di un numero elevato di utenze wireless in un’area ristretta. Inoltre, la rete mobile consente l’utilizzo di celle notevolmente più grandi in applicazioni outdoor. Sia che si tratti della copertura di campi d’aviazione, porti o grandi impianti di processo: tutto questo è possibile con un numero nettamente inferiore di Base Station, riducendo così notevolmente l’onere di cablaggio rispetto a soluzioni wireless tradizionali.
Il 5G supporta inoltre un ampio numero di applicazioni attraverso un’unica infrastruttura. Con attenzione all’eMbb, è possibile implementare applicazioni video, manutenzione remota di macchine o le innovative e lungimiranti soluzioni AR (Augmented Reality). mMtc entra in gioco in particolare nella logistica o nel Facility Management in loco. Grazie a questa caratteristica è possibile controllare mezzi di trasporto o trasmettere valori di consumi quali acqua, corrente o gas, risparmiando energia. Gli utenti sono tuttavia principalmente interessati alle funzioni uRllc per la comunicazione sul campo: i robot evitano il carico meccanico di catene portacavi. Le parti dell’impianto possono essere riorganizzate senza dover adattare il cablaggio per la comunicazione. Inoltre, i veicoli a guida automatica (Agv) scambiano i dati tra loro o con l’utilizzo di sensori fissi. È addirittura possibile ipotizzare l’outsourcing dell’intera intelligenza di tutte queste utenze in un sistema server centrale in modo da ridurre i costi delle attrezzature e incrementare la scalabilità. Il 5G collega quindi numerose applicazioni in un’unica infrastruttura wireless e, grazie all’onere ridotto di cablaggio in reti estese, si ottiene un Return on investment (Roi) in tempi rapidi.
Inoltro rapido e affidabile di piccoli pacchetti di dati
Negli esempi precedenti si parla tra l’altro di una trasmissione sicura dei dati da un veicolo a guida automatica a un sensore di sicurezza fisso o ad altri Agv. Se questo è possibile, l’Agv non deve più affidarsi soltanto ai sensori installati su di esso con cui può muoversi solo a vista. Grazie a informazioni supplementari da fonti esterne, il veicolo a guida automatica ora può attraversare zone pericolose a piena velocità senza incorrere in una collisione con una persona dietro a una curva o scontrarsi con altri Agv a un incrocio. La base di tutto ciò è la comunicazione fieldbus sicura tra il controllore dell’Agv e le altre utenze mediante protocollo Profisafe.
I pacchetti di dati I/O ciclici da inoltrare a intervalli brevissimi con elevata affidabilità si dimostrano particolarmente importanti per la trasmissione wireless. Un timeout attiverebbe un arresto di emergenza e gli addetti all’Agv dovrebbero disinserire manualmente di nuovo la tensione del veicolo. Inoltre, questa comunicazione si basa sul Layer 2 del modello di riferimento Osi Il livello di sicurezza del modello scambia dati tramite indirizzi Mac in una rete chiusa e non è possibile eseguire il routing di queste informazioni. Lo scambio di dati mediante una rete 5G attuale richiede tuttavia un routing in quanto la rete opera sul Layer 3 e gli Agv, le celle robot o la rete di produzione costituiscono una rete a sé stante. Il Layer 3 rappresenta il livello di interconnessione e funziona con indirizzi IP per lo scambio anche oltre i confini della rete. Pertanto, la trasmissione dati deve avvenire mediante un Layer 2 Tunnel che collega la rete dell’Agv con la rete di un altro Agv nella rete di telefonia mobile oppure nella rete di produzione cablata. Questo tunnel incapsula i dati del collegamento del Layer 2 nel pacchetto IP per cui può successivamente essere eseguito il routing alla loro destinazione e lì essere decapsulati. Il tunnel dovrebbe possibilmente garantire un risparmio di risorse in modo che non vi siano colli di bottiglia per la comunicazione.
Riduzione dei costi con un numero crescente di reti 5G private
Il 5G promette un grande passo in avanti per lo scambio dei dati industriali wireless. Occorre tuttavia affrontare ancora alcune sfide prima di poter definire il 5G allo stato dell’arte. L’hardware disponibile si basa finora sulle Release 15 e 16 e pertanto non è ancora idoneo per la comunicazione uRllc. I progetti attuali presentano già la possibilità di implementazione della trasmissione Profisafe tra le diverse utenze con latenza ridotta mediante un Layer 2 Tunnel. Tuttavia, non è ancora garantita l’affidabilità per un funzionamento costante e duraturo in progetti operativi. In particolare, nella comunicazione Profisafe in un’applicazione Agv, picchi di latenza risultano spesso in interruzioni che generano un arresto di emergenza. Per risolvere questo problema, è necessario un hardware basato su release successive che attualmente è in fase di sviluppo.
I costi generali della tecnologia 5G si abbasseranno negli anni futuri. Contemporaneamente aumenterà l’offerta di reti 5G private di minori o maggiori dimensioni per l’utilizzo personalizzato in ambienti produttivi. Le sfide evidenziate non rappresentano in alcun modo un ostacolo per la tecnologia. I molteplici e variegati progetti in diversi settori mostrano la varietà di applicazioni che è possibile creare mediante un’unica tecnologia wireless. E proprio le applicazioni uRllc nell’ambito degli Agv e della robotica evidenziano già il potenziale del 5G nella comunicazione industriale e alimentano la curiosità per l’hardware basato sulle release successive degli anni a venire.
Testo nei box:
Router per qualsiasi applicazione di telefonia mobile
Lato rete le reti di telefonia mobile private costituiscono un mercato completamente nuovo. A prescindere dall’implementazione della nuova tecnologia wireless 5G, i terminali non richiedono sostanziali adattamenti. Il terminale si collega sia a una rete pubblica che a una privata, purché vengano supportate le frequenze utilizzate. Il TC Router 5004T-5G EU di Phoenix Contact lavora inoltre sulle frequenze 5G europee delle reti pubbliche e sulla banda n78 che è riservata in Germania per la creazione di reti private. Con un focus sull’alta velocità di trasmissione dei dati e un’efficace piattaforma di processori in un fattore di forma industriale, il router può essere impiegato in qualsiasi applicazione di telefonia mobile. Supporta inoltra la creazione di un tunnel Gretap. Questa funzione consente al dispositivo di avviare un collegamento punto-punto di facile configurazione sul Layer 2 a un’altra rete richiesta per la trasmissione di Profisafe e già testata con successo.
