Alessandro Manno, Direttore Nokia Enterprise Italia, ci racconta le potenzialità del wireless privato di livello industriale per applicazioni nell’Industry 4.0.
La digitalizzazione sostiene l’automazione industriale, aumenta l’efficienza aziendale, migliora la sicurezza e potenzia l’agilità del mercato. L’industria 4.0 consente alle imprese di fondere i processi fisici con quelli digitali collegando tutti i sensori, le macchine e i lavoratori nel modo più flessibile possibile.
La wireless privata di livello industriale è in grado di sfruttare il suo massimo potenziale offrendo la modalità più flessibile ed economicamente vantaggiosa di implementare una vasta gamma di applicazioni Industry 4.0.
Wireless per l’Industry 4.0: le soluzioni wireless derivanti dall’ambiente IT, come il Wi-Fi, possono essere adattate alle applicazioni industriali, ma spesso impongono limitazioni e non sono in grado di rispondere ai requisiti futuri. Si adattano bene alle comunicazioni aziendali ordinarie, ma sono limitate per quanto riguarda affidabilità, sicurezza, prevedibilità delle prestazioni, capacità multiutente e mobilità, tutte caratteristiche necessarie per le applicazioni operative business o mission-critical.
I segnali Wi-Fi non si propagano bene in molti ambienti industriali, dove le strutture degli edifici causano interferenze. Il Wi-Fi non è in grado di supportare i requisiti di mobilità dei veicoli a guida automatica (AGV) e nemmeno di alcuni dei bracci robotici più veloci. Non supporta i requisiti di bassa potenza dei sensori e di altri dispositivi IoT. Inoltre, non è in grado di supportare l’alta densità di sensori, dispositivi, robot, lavoratori e veicoli che operano in un tipico stabilimento produttivo.
Fortunatamente, le tecnologie 3GPP, come 4.9G/LTE (e a breve 5G), sono disponibili in configurazioni perfettamente adatte alla costruzione di reti wireless private di livello industriale per supportare l’Industry 4.0.
Tali tecnologie offrono le migliori funzionalità della connettività wireless e cablata (cablaggio CAT, field-bus, ecc.) e hanno dato prova delle loro capacità sia nelle grandi reti mobili per il segmento Consumer sia in svariati ambiti industriali. Per molti settori, è giunta l’ora di sfruttare il 4.9G/LTE privato, soprattutto sapendo che in futuro spianerà la strada a una facile evoluzione del 5G.
Wireless per l’Industry 4.0: opzioni di spettro
Fino a poco tempo fa, la tecnologia LTE era riservata agli operatori mobili in possesso della vasta quota dello spettro radio LTE.
Tuttavia, in risposta alle pressioni del settore e come mezzo per stimolare la competitività industriale del proprio Paese, molti governi in tutto il mondo stanno rilasciando un nuovo spettro LTE appositamente progettato per le reti private. Gli operatori mobili si stanno anche rendendo conto dell’opportunità offerta dall’LTE privato e prevedono il rilascio di spettro in futuro per l’utilizzo in poli industriali.
Negli Stati Uniti, la Federal Communications Commission ha stabilito l’uso commerciale condiviso dello spettro Citizen Band Radio Service (CBRS). Il CBRS può essere implementato dalle aziende per reti di campus indipendenti, oppure da operatori mobili per offrire l’LTE privato come servizio alle imprese. Altri governi stanno aprendo simili bande di spettro destinate all’utilizzo industriale. Per integrare la disponibilità di nuovo spettro, sono state sviluppate varianti della tecnologia LTE in grado di operare anche in uno spettro senza licenza o parzialmente concesso in licenza.
Un esempio è MulteFire, formulato per liberare totalmente l’LTE dallo spettro concesso in licenza. Le specifiche di MulteFire si basano sugli standard 3GPP al fine di minimizzare le differenze rispetto all’LTE e aggiungono nuove funzionalità che sono necessarie per una coesistenza con le altre tecnologie nello spettro senza licenza.
Questo rende l’implementazione di LTE semplice come quella del Wi-Fi e significa che le imprese possono implementare reti LTE private senza preoccuparsi dello spettro. Per gli operatori mobili, questo significa che possono offrire reti LTE private al di fuori dei Paesi nei quali detengono licenze di spettro e creare inoltre un’offerta LTE privata che sia realmente “plug-and-play”.
Confronto fra LTE privato e i comuni supporti di accesso di livello enterprise
Nonostante i vantaggi offerti dalle tecnologie wireless e mobili e da ciò che potrebbero apportare in termini di pervasività, flessibilità, facilità e capacità di connettere qualsiasi cosa, anche all’interno delle macchine, la maggior parte delle aziende tende a credere che la qualità del servizio, l’affidabilità e la sicurezza necessarie per le comunicazioni business-critical possano essere ottenute unicamente utilizzando cavi CAT.
Un ambiente cablato sicuro e contenuto, come quello dato da cavo CAT o cavo in fibra, è difficile da superare in termini di affidabilità e sicurezza e continuerà a essere utilizzato per molti beni all’interno dei poli industriali. Tuttavia, le tecnologie 4.9G/LTE, e 5G in futuro, sono analogamente affidabili, prevedibili e sicure, e offrono molti vantaggi dati dall’essere sia wireless sia mobile. Rispetto al Wi-Fi, la tecnologia 4.9G/LTE offre le prestazioni più prevedibili (latenza e velocità dei dati).
Offre inoltre la massima capacità multiutente, consentendo la connessione di centinaia di dispositivi, macchine o lavoratori per punto di accesso, indicato come stazione radio base (BTS) o eNodeB nella tecnologia cellulare. Questo consente una densità molto elevata di dispositivi nella stessa area.
Oggi la tecnologia 4G.9/LTE serve in modo affidabile oltre 4 miliardi di abbonati ai servizi mobili in tutto il mondo, con velocità dei dati a banda larga simili a quelle delle reti fisse domestiche. Ha dimostrato le sue prestazioni in molti ambienti impegnativi e difficili; si pensi, ad esempio, alla capacità richiesta dagli stadi con oltre 100.000 spettatori o alle reti di sicurezza pubblica di nuova generazione con requisiti di sicurezza e riservatezza estremamente rigorosi.
Molte aziende che hanno provato a utilizzare tecnologie wireless basate su IT, come Wi-Fi, Wi-Fi MESH o persino Bluetooth (per le distanze più brevi) per la connettività operativa critica si sono presto rese conto delle limitazioni. Sebbene tali tecnologie siano perfettamente adeguate per le comunicazioni in ambienti tipo ufficio, non sono progettate per le comunicazioni critiche e le loro prestazioni non sono adatte a tale utilizzo.
La sicurezza è uno dei problemi principali delle tecnologie wireless come Wi-Fi e Bluetooth, che si sono dimostrate facilmente esposte alle intrusioni. Al contrario, gli standard 4.9G/LTE e 5G sono stati progettati fin dall’inizio per essere sicuri. Si servono della crittografia end-to-end con solidi codici cifrati nell’interfaccia aerea e IPsec per il trasferimento dei dati.
Wireless per l’Industry 4.0: SIM, eSIM, LTE
Le schede SIM e eSIM garantiscono che i dispositivi siano configurati espressamente anche solo per accedere alla rete. Nessuna rete LTE pubblica è mai stata compromessa, e questo è stato rigorosamente testato da enti di pubblica sicurezza che usano LTE per comunicazioni di emergenza mission-critical.
Affinché l’automazione industriale possa essere ampiamente implementata in un ambiente di produzione, si rendono necessari rigorosi limiti di sincronizzazione e un elevato grado di affidabilità della rete per i processi di precisione e la sicurezza nei luoghi di lavoro. Il Wi-Fi è classificato come tecnologia di rete “best effort”: ciò significa che opera al meglio delle sue possibilità, ma non ci sono garanzie in merito alla qualità.
Nelle implementazioni LTE private, l’affidabilità della rete può eguagliare i livelli più rigorosi del vecchio sistema telefonico (disponibilità pari al 99,999% o “cinque nove”), ossia una prevedibilità molto elevata. La latenza end-to-end delle reti LTE private tende a essere compresa tra 9 e 15 ms e, nelle versioni future, la latenza sarà di 2–8 ms. Con il 5G, sarà inferiore a 1 ms.
In aggiunta a sicurezza e affidabilità, anche la portata è un aspetto chiave. Per le applicazioni di automazione industriale in impianti di produzione, miniere a cielo aperto, porti e aziende di fornitura energetica, una rete LTE può coprire aree fino a 20.000 kmq. Sia negli ambienti con soffitti alti (ossia nella maggior parte dei campus industriali) sia all’aperto, il numero di celle LTE può essere significativamente inferiore rispetto al Wi-Fi.
Il guadagno può variare, ma prendendo come esempio l’ambiente di una miniera a cielo aperto, ci sono stati dei casi in cui oltre 150 punti di accesso Wi-Fi esterni sono stati sostituiti da 10 micro celle BTS per fornire una copertura notevolmente migliore anche all’interno degli edifici principali della miniera, e con un’area di copertura molto più ampia attorno alla miniera stessa.
Oltre a supportare applicazioni ad alta velocità di trasmissione dati e bassa latenza, i recenti standard LTE definiscono nuove classi di dispositivi a bassa velocità di trasmissione dati (LTE-M e NB-IoT). Questi sono stati progettati specificamente per i sensori IoT a bassa velocità di trasmissione dati. Grazie alla ridotta complessità e velocità di trasmissione dati di questi dispositivi, i modem LTE-M e NB-IoT possono funzionare per diversi anni con la sola carica della batteria, rendendo molto semplice la distribuzione dei sensori nei campus o persino all’interno delle macchine.
Questo è un punto critico quando si valuta la fattibilità e la possibilità di aggiungere in maniera semplice sensori IoT ai processi e flussi di lavoro industriali. Wi-Fi e Bluetooth prevedono requisiti di alimentazione molto più elevati per la connessione di dispositivi e sensori, quindi bisogna collegarli alla rete (un problema se si sta tentando di aggiungere sensori all’interno di una macchina meno recente) oppure utilizzare batterie che non durano molto a lungo. La capacità di connettere migliaia di lavoratori, dispositivi e sensori per ogni piccola cella LTE senza installare cavi aggiuntivi è in grado di compensare ampiamente l’investimento iniziale richiesto per una rete LTE privata.
Wireless per l’Industry 4.0: aspettare il 5G o scegliere LTE?
Con tutto il fermento intorno all’arrivo del 5G, è lecito domandarsi se abbia senso aspettare il 5G oppure investire ora nella tecnologia 4.9G/LTE. Sulla base di svariati anni di ricerca in materia da parte di Nokia Bell Labs e della nostra esperienza nell’implementazione di reti LTE private, riteniamo che l’85-90% delle attuali applicazioni industriali possa essere eseguito su LTE.
Questo è il motivo per cui molte grandi aziende che vogliono adottare l’lndustry 4.0 stanno implementando reti LTE private oggi, ritenendo che ciò darà loro un vantaggio competitivo e un solido avvio quando il 5G sarà disponibile.
Come nel caso delle precedenti tecnologie 3GPP, gli standard 5G sono stati costruiti in aggiunta all’LTE, con importanti miglioramenti mirati a specifiche applicazioni del settore verticale che coprono funzionalità quali capacità di velocità dei dati, latenza, affidabilità, scalabilità e flessibilità.
Prevediamo che la maggior parte delle implementazioni wireless private nel settore industriale si evolverà senza problemi aggiungendo celle 5G alle loro attuali implementazioni 4G. Ci sarà una lunga fase in cui 4G e 5G saranno contemporaneamente operativi per supportare tutti gli scenari di utilizzo, allontanandosi dal 4G solo quando l’ecosistema 5G si sarà completamente sviluppato.
Wireless per l’Industry 4.0: conclusioni
Gran parte del dibattito relativo all’Industry 4.0 e IoT trascura una considerazione essenziale: come collegare tutti questi sensori e dispositivi in modo conveniente, affidabile e sicuro? Il cablaggio non è una soluzione flessibile e si rivelerebbe molto costoso da utilizzare per collegare un elevato numero di sensori, dispositivi e macchine IoT. Il Wi-Fi non soddisfa le specifiche relative a prestazioni, mobilità o sicurezza.
Fortunatamente, nel prossimo futuro, le tecnologie 4.9G/LTE e 5G sono state appositamente progettate per svolgere questa funzione e i Paesi di tutto il mondo, avendo capito il ruolo chiave che svolgerà, stanno liberando lo spettro specificamente per l’uso nei poli industriali.
Ciò che rende la cosa particolarmente interessante è che 4.9G/LTE è una tecnologia collaudata sul campo e testata sotto pressione con un ecosistema maturo. Di conseguenza, sebbene rappresenti una nuova opportunità rivoluzionaria per molti utenti enterprise, comporta meno rischi rispetto alle nuove tecnologie.
Le reti private 4.9G/LTE sono la nuova generazione di tecnologie wireless industriali e sono già disponibili. Forniscono il controllo, la sicurezza e l’agilità di cui le imprese hanno bisogno per avviare la trasformazione dell’Industry 4.0 e continueranno a svolgere un ruolo chiave anche quando sarà introdotto il 5G per gestire i casi d’uso più impegnativi durante il loro sviluppo.
