Avanti a tutta velocità

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I prossimi sviluppi del 5G promettono di tenere in maggiore considerazione i requisiti necessari alla comunicazione industriale, con un focus sulla trasmissione sicura dei dati, per esempio con Profisafe

Massima affidabilità con latenza minima: è solo uno degli aspetti che il 5G può offrire, mentre si discute molto sul tema della trasmissione ‘safe’ su una rete 5G. Quanto ai requisiti industriali: verranno effettivamente soddisfatti, oppure sarà ancora utopia? Dal punto di vista storico, le soluzioni di telefonia mobile sono state sviluppare come pura tecnologia ‘consumer’, finalizzata a una comunicazione in reti pubbliche focalizzata su telefonia, invio di sms e inoltro di dati. Le applicazioni industriali, per esempio di manutenzione remota delle macchine, o per il collegamento di parti di processo remote a un sistema di controllo, hanno dovuto ‘accontentarsi’ di tali soluzioni, non ‘ad hoc’, senza alcuna garanzia di latenza, portata dei dati o copertura della rete. Ora, il nuovo standard 5G prende per la prima volta in considerazione nello specifico i requisiti richiesti dal settore industriale. Oltre al focus classico sull’elevata portata dei dati (eMBB-Enhanced Mobile Broadband), i criteri di standardizzazione comprendono, per esempio, anche i requisiti legati all’IIoT (Industrial Internet of Things). Le parole chiave sono mMTC (Massive Machine Type Communications) e comunicazione immediata (uRLLC-Ultra Reliable and Low Latency Communications), funzioni che vengono descritte in più versioni dello standard (release) dall’ente di standardizzazione 3GPP (Third Generation Partnership Project). 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; la release 17 a metà 2022 verteva su uRLLC. Le funzioni attualmente discusse saranno disponibili nella release 18, nel 2024. È importante ricordare che, dalla pubblicazione delle release, prima di avere applicazioni pratiche, si devono calcolare i tempi di sviluppo di semiconduttori, prodotti e della tecnologia di rete, che si stima siano di almeno 2 anni. I progetti attualmente realizzati e l’hardware impiegato si basano pertanto sulle funzioni della release 15 ed eventualmente già della release 16 (si veda figura 2).

Struttura delle reti di telefonia mobile private

Indipendentemente delle novità funzionali della quinta generazione della telefonia mobile, vi è un’ulteriore innovazione: la struttura delle 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 stazioni di trasmissione radio (base station). Nelle reti private vi 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” nella sala server, che 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, in quanto è proprio questo elemento a garantire una comunicazione affidabile con latenza minima e maggiore affidabilità contro i guasti, poiché le vie di trasmissione sono brevi e l’operatore ha piena sovranità sulla rete (si veda 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, per esempio, circostanze limitanti, per cui occorre 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 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 innovative 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: nei robot si evita il carico meccanico di catene portacavi; le parti dell’impianto possono essere riorganizzate senza dover adattare il cablaggio alla comunicazione. Inoltre, i veicoli a guida automatica (AGV) possono scambiarsi dati tra loro oppure impiegando sensori fissi. È anche 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 ROI (ritorno dell’investimento) 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 sé, con cui può muoversi solo a vista. Grazie a informazioni supplementari, provenienti da fonti esterne, il veicolo 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, il profilo di sicurezza di Profinet (si veda figura 4). I pacchetti di dati I/O ciclici, da inoltrare a intervalli brevissimi con elevata affidabilità, si dimostrano particolarmente importanti nella trasmissione wireless. Un time-out attiverebbe infatti un arresto di emergenza, e gli addetti all’AGV dovrebbero disinserire manualmente l’alimentazione 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 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 usano una rete a se stante. Il Layer 3 rappresenta il livello di interconnessione e funziona con indirizzi IP per lo scambio dati anche oltre i confini della rete. Pertanto, la trasmissione dati deve avvenire mediante un tunnel di Layer 2 che collega l’AGV con un altro AGV e alla rete di telefonia mobile, oppure a quella cablata in produzione. Il tunnel incapsula i dati del collegamento del Layer 2 nel pacchetto IP, per cui può successivamente essere eseguito il routing alla loro destinazione, dove vengono decapsulati. Il tunnel dovrebbe garantire un risparmio di risorse, in modo che non vi siano colli di bottiglia nella 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, pertanto non è ancora idoneo alla comunicazione uRLLC. I progetti attuali presentano già la possibilità di implementazione la trasmissione Profisafe tra le diverse utenze con latenza ridotta mediante un tunnel di Layer 2. 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, dei picchi di latenza possono causare interruzioni che generano un arresto di emergenza. Per risolvere questo problema è necessario un hardware basato sulle release successive, attualmente è in fase di sviluppo. Inoltre, i costi generali della tecnologia 5G si abbasseranno in futuro, e aumenterà contemporaneamente 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 alla 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 prossime release.

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 tecnologia wireless 5G, i terminali non richiedono sostanziali adattamenti. Il terminale si collega sia a una rete pubblica, sia a una privata, purché vengano supportate le frequenze utilizzate. Il TC Router 5004T-5G EU di Phoenix Contact lavora sulle frequenze 5G europee delle reti pubbliche e sulla banda n78, 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, ed e già stata testata con successo.

Phoenix Contact Electronics – www.phoenixcontact.com/it-it

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