Aplicaciones prácticas del 5G en la automatización industrial

Por Jody Muelaner

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las comunicaciones inalámbricas son cada vez más importantes para las comunicaciones de la automatización industrial. Ahora, la comunicación celular de quinta generación (5G) se anuncia ampliamente como la tecnología inalámbrica clave para avanzar en la cuarta revolución industrial: la Industria 4.0 o el Internet Industrial de las Cosas (IIoT). Algunas fuentes sugieren incluso que el 5G será la clave para hacer que las instalaciones de consumo y de otros tipos de IoT no industriales sean omnipresentes, en gran parte porque el 5G facilita la conexión de un número asombroso de dispositivos, estén donde estén.

Imagen del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP)Figura 1: El Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) reúne a las organizaciones de normalización de las telecomunicaciones para hacer que las tecnologías de telecomunicación celular sean lo más compatibles entre sí y con el pasado. (Fuente del logotipo: 3GPP)

Pero, ¿sustituirá el 5G al conjunto de estándares inalámbricos actualmente en funcionamiento? ¿Llegará el 5G a superar al WiFi, al Bluetooth y al IEEE 802.15.4 en aplicaciones en las que estas otras tecnologías llevan la delantera actualmente? ¿O es la 5G simplemente una tecnología mejorada para las pocas aplicaciones automatizadas en las que se utilizan tecnologías celulares más antiguas? ¿Cuáles son las ventajas de rendimiento de la 5G y hasta qué punto son ya aprovechables?

Para entender las respuestas a estas preguntas, primero hay que considerar en qué se diferencia la 5G de otras comunicaciones celulares y no celulares. La 5G, que se está implantando actualmente en las redes de telefonía móvil e industrial, se basa en las generaciones anteriores de tecnología celular digital 2G, 3G y 4G. Nunca hubo una 1G, ya que la precursora de la 2G fue una tecnología de telefonía inalámbrica analógica que tiene poco en común con las redes actuales. Con la 2G llegó la primera tecnología digital y las comunicaciones telefónicas y de mensajes cortos (SMS) codificadas. Las normas del Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM) definen las redes de conmutación de circuitos de 2G que permiten las llamadas de voz en dúplex completo. Con el paso de los años, las redes 2G se mejoraron con el primer Servicio General de Radiocomunicación por Paquetes (GPRS) y, posteriormente, con las Tasas de Datos Mejoradas para la Evolución del GSM (EDGE). GRPS y EDGE permitieron la transmisión de paquetes de datos de uso general para la conectividad a Internet con velocidades de datos cada vez mayores, por lo que las redes con estas capacidades se denominan a veces tecnologías 2.5G y 2.75G respectivamente.

El 3G mejoró aún más la velocidad de transferencia de datos, hasta el punto de permitir las videollamadas. Entre los estándares asociados se encuentran CDMA2000 y varias formas de acceso a paquetes de alta velocidad (HSPA).

Después llegó el 4G y velocidades de transferencia de datos aún mayores a través de los estándares Long Term Evolution (LTE) y WiMax, que utilizan transmisiones de múltiple entrada y múltiple salida (MIMO).

El 5G evolucionó a partir del 4G, y los primeros productos de red 5G disponibles comercialmente se lanzaron a finales de 2018. Para obtener una perspectiva histórica de los preparativos de este desarrollo, lea este artículo de Digi-Key de 2016: Cómo el 5G cambiará el Internet industrial de las cosas. Lo que más interesa a los usuarios privados y comerciales es que las redes 5G deben ser capaces de soportar velocidades de datos de varias decenas de Mb/seg para decenas de miles de usuarios. También deben ser capaces de proporcionar una conexión de 1 Gbit/seg a decenas de personas dentro de una misma oficina.

Las otras características de la 5G más relevantes para las aplicaciones de automatización industrial. Más concretamente, las redes 5G deben permitir cientos de miles de conexiones simultáneas con una latencia muy baja y una cobertura muy fiable. Estas características son clave para el despliegue masivo de sensores asociado a las aplicaciones de IIoT y de control de máquinas.

Lea el artículo relacionado de Digi-Key: El 5G no ofrece actualmente todo lo que promete

Espectro y comunicaciones de datos por ondas milimétricas

Una advertencia es que la proliferación de dispositivos conectados en las redes móviles trae consigo la amenaza de la escasez de espectro. Por lo general, las bandas de frecuencias más bajas proporcionan un mayor alcance, mientras que las bandas de frecuencias más altas permiten un mayor número de conexiones dentro de un área pequeña. Un ejemplo: El estándar 1G AMPS utilizaba la banda de 800 MHz mientras que el 2G GSM utilizaba inicialmente 1.900 MHz. Hoy en día, muchos teléfonos GSM admiten tres o cuatro bandas diferentes para permitir el uso internacional... y las redes móviles actuales funcionan entre 700 MHz y 2.6 GHz. Sin embargo, a medida que el IoT aumenta el número de dispositivos que se conectan a las redes móviles, disminuye el espectro disponible en estas bandas de frecuencia existentes. Por ello, la 5G ha empezado a introducirse en frecuencias más altas, como la de 6 GHz, e incluso en las llamadas frecuencias de ondas milimétricas por encima de 24 GHz, incluidas las de 28 GHz y 38 GHz.

Imagen de interconexiones de alta velocidad AMP Sliver de TE ConnectivityFigura 2: Las interconexiones de alta velocidad de Sliver admiten velocidades de datos de 25 Gbps y aplicaciones 5G AAS, incluyendo conmutación y enrutamiento en centros de datos y telecomunicaciones. (Fuente de la imagen: TE Connectivity)

Las frecuencias de comunicación de las ondas milimétricas permiten un ancho de banda mucho mayor y un gran número de conexiones. El inconveniente es que la transmisión de datos en estas frecuencias puede presentar un alcance limitado y una drástica disipación al atravesar objetos sólidos. De hecho, las comunicaciones por ondas milimétricas pueden mostrar menos atenuación que las de otras frecuencias a través del aire seco, pero estas comunicaciones se ven muy afectadas por la lluvia.

Una solución para aprovechar el mejor ancho de banda de estas frecuencias más altas (pero evitar los problemas de alcance) es la formación de haces. Con esta técnica, un haz de comunicaciones enfocado se dirige a un objetivo específico y no simplemente se emite en todas las direcciones. La formación de haces podría dar pronto a las comunicaciones de ondas milimétricas el alcance de las frecuencias más bajas que se utilizan hoy en día, incluso minimizando las interferencias en las comunicaciones.

El estándar 5G New Radio (NR) se está creando para especificar la tecnología de acceso radioeléctrico para la 5G. Incluye dos rangos de frecuencia. La gama de frecuencias 1 está por debajo de los 6 GHz y la gama de frecuencias 2 está en el rango de ondas milimétricas de 24 GHz a 100 GHz.

Conectividad masiva con 5G en la automatización

Aumentar la frecuencia para obtener más espectro será parte de la solución para permitir la conectividad masiva necesaria para cumplir plenamente las promesas del IoT, como una densidad de sensores mucho mayor. Por lo tanto, es probable que se produzcan mejoras inmediatas en el número de dispositivos que pueden conectarse a las redes 5G a medida que se vayan desplegando.

La onda milimétrica 5G es capaz de manejar un millón de conexiones de dispositivos por kilómetro cuadrado, pero requerirá la Internet de las cosas de banda estrecha (NB-IoT) para lograrlo.

NB-IoT es una tecnología de bajo consumo centrada en la cobertura en interiores para dispositivos de bajo coste y bajo consumo. La conectividad actual de NB-IoT no llega al millón de dispositivos, ya que las celdas soportan actualmente 10,000 dispositivos. La evolución a largo plazo para máquinas (LTE-M) es otra tecnología de bajo consumo que proporciona una mayor velocidad de datos y una menor latencia que NB-IoT, pero con un mayor coste de los dispositivos y un mayor consumo de energía. Otra solución serán las celdas más pequeñas, sobre todo en zonas de gran demanda.

Latencia 5G: valores publicados y rendimiento real

Se supone que la 5G debe alcanzar una latencia inferior a 1 mseg... pero esta especificación de cabecera no se alcanza la mayoría de las veces. De hecho, para la baja potencia, la latencia de la tecnología NB-IoT es de alrededor de un segundo en la cobertura normal, aumentando a varios segundos para la cobertura extendida. En el caso de LTE-M, la latencia es algo mejor, alrededor de 100 mseg en el rango normal, pero todavía no se acerca a los 1 mseg necesarios para las aplicaciones de control en tiempo real.

La imagen de varias formas de 5G ha visto una rápida adopción mundialFigura 3: Diversas formas de 5G han experimentado una rápida adopción mundial. (Fuente de la imagen: Design World)

Conseguir una latencia inferior a 1 mseg con una red centralizada es imposible, ya que el viaje de ida y vuelta puede tardar entre 50 y 100 mseg. La solución a esto es ejecutar el procesamiento dentro de la célula... aunque eso requiere servidores a nivel de célula. Se trata de una simplificación, porque a medida que los dispositivos conectados se mueven entre células -como en los vehículos autónomos- debe mantenerse la continuidad del control y la coordinación. Esto, a su vez, exige una combinación de control distribuido y centralizado dentro de la red. Las células pequeñas también pueden ayudar a reducir la latencia.

Otro método utilizado en la 5G para reducir la latencia es el llamado network slicing. En este caso, el ancho de banda de la red se divide en carriles que se pueden gestionar individualmente, de modo que algunos se reservan para transmisiones de baja latencia, manteniendo el tráfico en esos carriles más bajo. Por lo tanto, las aplicaciones de control industrial que requieren esta capacidad pueden utilizar estos carriles reservados.

Las redes 5G actuales logran una latencia inferior a 30 mseg, pero el 1 mseg necesario para el control en tiempo real está muy lejos.

Otras ventajas del 5G: bajo consumo y alta fiabilidad

El uso de celdas más pequeñas reducirá naturalmente el consumo de energía, pero se verá compensado en cierta medida por el mayor número de dispositivos. Una gestión más inteligente de la energía también desempeñará un papel en la reducción del uso de energía en la red 5G. NB-IoT permitirá una duración de la batería superior a 10 años para muchos dispositivos, con un alcance de 10 km.

Una cobertura más fiable es otra de las ventajas del 5G. El 5G se está desplegando rápidamente. Las redes NB-IoT y LTE-M ya están disponibles en gran parte del mundo. La disponibilidad de carriles reservados de baja latencia está algo menos clara en esta fase.

Conectividad inalámbrica no celular alternativa

Las tecnologías celulares 5G no son la única forma de conectar de forma inalámbrica los dispositivos industriales. Las alternativas son el WiFi, el Bluetooth y las tecnologías basadas en el IEEE 802.15.4.

La latencia del WiFi suele ser de 20 a 40 mseg y tiene algunos problemas de estabilidad en la conexión, por lo que no suele utilizarse para aplicaciones de control y automatización industrial. Sin embargo, actualmente se utiliza para la monitorización del estado de las máquinas, los sensores de movimiento y los escáneres de códigos de barras. El IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) funciona en torno a los 900 MHz para alcances de hasta 1 km con un consumo de energía muy bajo. Esto la hace competitiva con las tecnologías 5G específicas del IoT, aunque no puede igualar la baja latencia y la alta densidad de sensores.

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) proporciona una conectividad de bajo coste y bajo consumo, con una velocidad y un alcance limitados, pero se centra en los dispositivos de consumo. Las tecnologías basadas en IEEE 802.15.4 también hacen hincapié en el bajo coste y el bajo consumo por encima de la velocidad y el alcance, con sólo 250 kbit/seg y un alcance de apenas 10 metros. Sin embargo, dado que se admiten topologías de red en malla, las redes pueden extenderse más allá de 10 m siempre que ningún dispositivo esté a más de 10 metros de otro dispositivo de la red. Muchos dispositivos IoT de bajo costo utilizan tecnologías como 6LoWPAN, WirelessHART y ZigBee. WirelessHART, el más centrado en la industria, cuenta con el apoyo de una amplia gama de organizaciones industriales como ABB, Siemens, la Fieldbus Foundation y Profibus.

Conclusión:

La 5G debe considerarse como una familia de tecnologías. Las impresionantes demandas de rendimiento, incluyendo un ancho de banda muy alto, una densidad de sensores masiva y una latencia superrápida, no son posibles simultáneamente con una sola tecnología. Esto significa que las implementaciones de automatización industrial 5G más importantes no aparecerán simplemente cuando los servicios de red móvil 5G se vuelvan omnipresentes. La alta densidad de sensores de las instalaciones automatizadas requerirá tecnologías específicas de IoT, como NB-IoT y LTE-M. La buena noticia es que estas tecnologías ya se están introduciendo y están aumentando su disponibilidad en todo el mundo desarrollado, así como en el mundo en desarrollo. Los ingenieros pueden esperar un aumento constante de la capacidad de la red 5G en los próximos años.

Vídeo: Qué se puede esperar del 5G

El uso de la 5G para aplicaciones de control que requieren una latencia muy baja está todavía algo más lejos. Las tecnologías de baja potencia como NB-IoT y LTE-M 5G (y especialmente las adaptaciones específicas de IoT) desempeñarán un papel importante en la realización de la Industria 4.0 y en hacer que las máquinas sean más inteligentes, las fábricas más flexibles y los procesos menos derrochadores. Por supuesto, la 5G seguirá compitiendo con las tecnologías no celulares WiFi, Bluetooth e IEEE 802.15.4. En última instancia, todo esto estimulará una mayor productividad de la automatización.

En resumen, el 5G y otras formas de conectividad inalámbrica segura y flexible permitirán la densidad de sensores necesaria para que el análisis de big data caracterice completamente los procesos de producción, optimice los programas de mantenimiento, coordine los flujos de materiales y permita la colaboración de robots autónomos.

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Acerca de este autor

Jody Muelaner

El Dr. Jody Muelaner es un ingeniero que ha diseñado aserraderos y dispositivos médicos, ha abordado la incertidumbre en los sistemas de fabricación aeroespacial y ha creado innovadores instrumentos láser. Ha publicado en numerosas revistas especializadas y resúmenes gubernamentales... y ha redactado informes técnicos para Rolls-Royce, SAE International y Airbus. Actualmente dirige un proyecto para desarrollar una bicicleta eléctrica detallada en betterbicycles.org. Muelaner también cubre los avances relacionados con las tecnologías de descarbonización.

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