Cómo el 5G revolucionará el IoT y el IIoT industrial

Para conocer el impacto del servicio de banda ancha móvil 5G en el IoT/IIoT, entrevisté a Jai Suri, Vicepresidente de Desarrollo de Aplicaciones IoT y Blockchain en Oracle, y a Mike Anderson, Arquitecto de Sistemas Embebidos y consultor en la industria aeroespacial. Les pregunté si estamos cerca de llevar el 5G a la industria o si otras aplicaciones llegarán primero. Según ambos, es complicado.

"El 5G fue diseñado con casos de uso IoT en su núcleo, mientras que el 4G y estándares anteriores se diseñaron principalmente para voz y transferencia de datos. Con 4G/LTE, las descargas rápidas de datos permitieron streaming de contenido, y el 5G traerá comunicación ultra-rápida, baja latencia y la capacidad de manejar millones de dispositivos por kilómetro cuadrado", dijo Suri.

Es importante comenzar con un par de aclaraciones. El término 5G no se refiere a frecuencia, simplemente significa que es la quinta generación de comunicaciones inalámbricas de banda ancha móvil (ver "Entendiendo las implicaciones del 5G celular", Sensor Technology, marzo 2020). Y no es solo una frecuencia, cubre tres bandas:

• Banda baja: 600–850 MHz. No es mucho más que el 4G actual.

• Banda media: 2.5–3.7 GHz.

• Banda alta: 25–39 GHz. Las señales en este rango se llaman generalmente ondas milimétricas y proporcionan el rendimiento extremo que muchos asocian con el 5G.

5G en el IIoT

El Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) es una organización internacional de estándares que desarrolla protocolos para telefonía móvil. Su Release 15 se centró en 5G para consumidores, mientras que el actual Release 16 cambia el foco del consumidor al IIoT y otros mercados industriales. Su intención es publicar con el tiempo estándares para desarrollar e implementar un creciente cuerpo de aplicaciones 5G.

Los beneficios sobresalientes del 5G de ondas milimétricas son alta velocidad, baja latencia, alto número de dispositivos conectados y alta fiabilidad. Con una conexión inalámbrica 5G de ondas milimétricas, obtienes el tipo de rendimiento que esperarías de un enlace cableado. Y debido a su rango de alta frecuencia, no es típicamente susceptible a interferencias eléctricas de equipos cercanos.

Sin embargo, los grandes problemas son que el 5G de ondas milimétricas puede ser bloqueado por una ventana y no penetra muy lejos. Eso significa que necesitas muchas celdas 5G para aprovecharlo. En una planta de fábrica de tamaño razonable, probablemente necesitarías 20 o 30 radios en el techo sobre tus celdas de trabajo principales, según Anderson.

Las aplicaciones industriales típicamente demandan alta fiabilidad y el 5G ciertamente puede entregarla. Como explicó Anderson, "la fiabilidad actual de la red 4G es del 99.8%. Una tasa de llamadas caídas del 0.2% se considera una red móvil de grado operador super-fiable. Pero el requisito de fiabilidad para aplicaciones industriales es típicamente seis-nueves (99.9999%). Las redes 5G pueden entregar ese nivel de fiabilidad usando duplicación de celdas, uso inteligente del espectro de radio y antenas MIMO masivas (multiple-in, multiple-out)".

Para llevar una señal 5G de un operador a una fábrica, se tendría que instalar una antena que parezca una miniatura de torre celular dentro del edificio. Para usar esto en una aplicación industrial, necesitarías una infraestructura mucho mayor dentro del edificio —no podrías simplemente penetrar el edificio y listo— es mucho más complicado. Dependiendo del rango de frecuencia, es posible que ni siquiera puedas ver la señal al otro lado del edificio. Hay vigas y todo tipo de cosas que absorberán la señal. Así que necesitarías múltiples antenas. Quien configure la fábrica debe asegurarse de que esas antenas tengan cobertura adecuada dentro del edificio y que no haya zonas muertas.

Candidatos principales para 5G

Gemelos digitales

Un gemelo digital es una representación dinámica en tiempo real de un sistema físico. Por ejemplo, la industria aeroespacial usa gemelos digitales de forma más o menos regular. Si vas a poner mucha tecnología en un satélite y enviarlo a órbita terrestre baja, probablemente necesitará mantenimiento. Si hay actualizaciones de software, primero pueden probarse en tierra en un gemelo digital —un contraparte digital en tiempo real del satélite— antes de subirlo. Para que el gemelo digital se mantenga actualizado con la realidad, se necesita transmitir una gran cantidad de datos a alta velocidad, lo cual es perfecto para 5G.

Realidad virtual y aumentada

Para realidad virtual, la latencia detectable es inaceptable. Así que el alto ancho de banda, alto rendimiento y baja latencia del 5G es un ajuste perfecto. Una aplicación donde la realidad virtual es útil, más que solo entretenimiento, es para simuladores que entrenan operadores de sistemas que podrían ser mortales si algo sale mal. Por ejemplo, operadores de aviones, ferrocarriles, barcos y, definitivamente, operadores de reactores nucleares.

"He estado en una sala de entrenamiento para un barco, donde no ves nada más que paredes en blanco, pero cuando te pones las gafas de realidad virtual, ves todos los controles que normalmente esperarías ver en un barco. Si el simulador también es un gemelo digital, estos controles virtuales harán lo que harían en un barco real", dijo Anderson.

"Otra aplicación de realidad aumentada es permitir a técnicos de servicio —y especialmente a técnicos de terceros— realizar un trabajo de reparación de alta calidad. La realidad aumentada podría guiarlos a través de todo el proceso de reparación, proporcionando un modelo prescriptivo de mantenimiento para identificar el problema y superponiendo visualmente animación 3D en una transmisión de video en vivo para mostrar la secuencia de pasos a realizar", dijo Suri.

Mantenimiento predictivo

El 5G también sería útil para mantenimiento predictivo en casos donde tienes una aplicación con grandes cantidades de datos en streaming que quieres rastrear y analizar.

Una aplicación crítica es para motores o generadores muy grandes que podrían causar daños severos si fallaran o interrumpir servicios importantes como generación de energía. Monitoreo en tiempo real para equipos remotos, como monitorear compresores de gas en la industria del petróleo y gas, es otro caso de uso crítico, según Suri.

Otro ejemplo: si eres una empresa de HVAC vendiendo unidades de techo, quieres recopilar datos no solo para mantenimiento, sino también sobre su uso. "El costo de usar una red 4G para recopilar datos útiles es de unos $3–5 al mes, así que si tengo una empresa vendiendo HVAC de techo y tengo 100,000 unidades desplegadas, el gasto será muy significativo. Y procesar todos esos datos para obtener información útil aumenta aún más el gasto operativo", dijo Suri. "Si las organizaciones pudieran proporcionar a sus clientes información sobre consumo de energía versus nivel de confort, esos datos podrían usarse para vender una unidad más eficiente —o las organizaciones podrían ofrecer precios basados en uso donde simplemente cobran una tarifa mensual basada en las horas que estuvo funcionando".

Computación en el borde (Edge Computing)

La promesa del 5G de baja latencia, alta velocidad y alta fiabilidad permite una computación en el borde mejorada para proporcionar a los ingenieros una caja de herramientas expandida para diseñar redes.

La computación en el borde es beneficiosa de varias maneras:

• Con 5G, más computación puede hacerse en el borde porque el borde puede redefinirse para incluir "nubes locales". Anteriormente, la computación de baja latencia tenía que hacerse en cada nodo sensor, mientras que la computación menos sensible al tiempo podía asignarse a una red empresarial o a la nube pública. Pero la cantidad de computación que podía hacerse en nodos sensores era extremadamente limitada debido a limitaciones prácticas de tamaño físico y consumo de energía.

• Con conexiones 5G, sin embargo, los datos de sensores remotos pueden transmitirse inalámbricamente a 'nubes locales', consistiendo en computadoras comerciales. Estas nubes podrían realizar computación de baja latencia, lo que permite que la toma de decisiones se acerque a la fuente de los datos. Paquetes de información significativa en lugar de datos brutos podrían enviarse luego a nubes empresariales y públicas para procesamiento y almacenamiento menos sensibles al tiempo.

• Además, las organizaciones podrían querer la capacidad de proteger datos sensibles de exposición pública. Los sistemas en el borde podrían procesar datos en la fuente y enviar solo insights anonimizados y resumidos a la nube para procesamiento adicional.

Vehículos autónomos

"Donde creo que verás al 5G como una killer app, es en vehículos autónomos", dijo Anderson. "Tienen muchos sensores: lidar, radar, cámaras. Todos producen grandes cantidades de datos y requieren tiempos de respuesta muy rápidos con latencia extremadamente baja. Los vehículos autónomos tienen que asimilar grandes cantidades de datos sobre su entorno en tiempo real y responder rápido".

La comunicación entre un vehículo y cualquier cosa en su entorno, incluyendo peatones, otros autos y semáforos, se conoce como V2X. Esta tecnología permite que los vehículos se comuniquen directamente entre sí para evitación de colisiones. Además, si un auto se acerca a una intersección y hay un semáforo y ambos están conectados en 5G, el auto podría comunicarse directamente con el semáforo para entender su estado actual.

"Para implementar 5G para vehículos autónomos, un Departamento de Carreteras Estatal probablemente licitaría un contrato a un proveedor telco (operador de telecomunicaciones), porque querrías aprovechar sus torres celulares y su infraestructura de soporte", dijo Anderson. "Para altas tasas de datos y baja latencia, necesitarías un mínimo de 1 GHz de ancho de banda. Y si realmente quieres baja latencia, ahora estás hablando en el rango de 25 a 27 GHz (ondas milimétricas), lo que significa que necesitas una torre celular cada cuadra en una ciudad. En áreas rurales, probablemente podrías hacer unos 5 kilómetros entre torres".

Dado que las torres celulares actuales están espaciadas aproximadamente a 20 millas, se tendrían que erigir muchas nuevas. Las ondas milimétricas 5G requieren aproximadamente cinco veces más celdas que los rangos de frecuencia normales. La gracia salvadora es que el tamaño de una torre celular de 25 GHz es mucho menor que las torres celulares telco existentes.

"La realidad es que al principio, la banda de ondas milimétricas estará dirigida a usos personales, así que esa infraestructura se pondrá en marcha de todos modos. Luego, la capacidad excedente se venderá a la ciudad o al estado para uso con vehículos autónomos", dijo Anderson.

Logística

La logística puede beneficiarse de poder rastrear y localizar grandes números de vehículos en tiempo real. Esto sería una bonanza para gestores de flotas. A menudo, el seguimiento de paquetes ha consistido en recuperar retroactivamente información de un registrador de datos. Sin embargo, los sistemas de seguimiento de vehículos en tiempo real usan GPS y datos celulares para transmitir información sobre ubicación y dirección de movimiento a una estación de control. Esos datos pueden usarse para solucionar rutas u optimizar operaciones logísticas. Los sistemas de seguimiento de vehículos también pueden enviar información operativa sobre el vehículo, como niveles de combustible, presión de neumáticos, estado de encendido y temperatura del motor que pueden usarse para programar mantenimiento. El uso de 5G en este tipo de aplicación también podría ser una killer app.

En conclusión

La conclusión es que el 5G tendrá un impacto significativo tanto en el IoT como en el IIoT, pero esto se desarrollará lentamente, algunos sectores antes y otros después. En general, la línea de tiempo para una integración significativa del 5G en aplicaciones IoT/IIoT es del orden de cinco a diez años.

Este artículo fue escrito por Ed Brown, Editor de Sensor Technology. Para más información, contacte a Ed en Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verla. o visite aquí .