Que fera la 5G pour l'IoT/IIoT ?

Pour en savoir plus sur l'impact du service haut débit mobile 5G sur l'IoT/IIoT, j'ai interviewé Jai Suri, vice-président, Développement d'applications IoT et Blockchain, Oracle, et Mike Anderson, architecte de systèmes embarqués et consultant dans l'industrie aérospatiale. Je leur ai demandé si nous étions sur le point d'introduire la 5G dans l'industrie ou si d'autres applications viendraient probablement en premier. Selon eux deux, c'est compliqué.

« La 5G a été conçue avec des cas d'utilisation de l'IdO en son cœur, tandis que la 4G et les normes antérieures ont été conçues principalement pour le transfert de voix et de données. Avec la 4G/LTE, les téléchargements de données rapides ont permis de diffuser du contenu, et la 5G inaugurera une communication ultra-rapide à faible latence et la capacité de gérer des millions d'appareils par kilomètre carré », a déclaré Suri.

Il est important de commencer par quelques clarifications. Le terme 5G ne fait pas référence à la fréquence, cela signifie simplement qu'il s'agit de la cinquième génération de communications mobiles à large bande sans fil (voir «Comprendre les implications de la 5G cellulaire», Sensor Technology, mars 2020.) Et ce n'est pas seulement une fréquence, il couvre trois bandes :

• La bande basse est de 600 à 850 MHz. Ce n'est pas beaucoup plus que la 4G actuellement disponible.

• La bande médiane couvre la plage de 2,5 à 3,7 GHz.

• La bande haute fonctionne de 25 à 39 GHz. Les signaux dans cette gamme de fréquences sont généralement appelés ondes millimétriques et offrent les performances extrêmes auxquelles beaucoup de gens pensent lorsqu'ils pensent à la 5G.

5G dans l'IIoT

Le projet de partenariat de troisième génération (3GPP) est une organisation internationale de normalisation qui développe des protocoles pour la téléphonie mobile. Leur version 15 se concentrait sur la 5G pour les consommateurs, tandis que la version 16 actuelle déplace l'attention du consommateur vers l'IIoT et d'autres marchés industriels. Leur intention est de publier au fil du temps des normes pour le développement et la mise en œuvre d'un nombre croissant d'applications 5G.

Les avantages exceptionnels de la 5G à ondes millimétriques sont une vitesse élevée, une faible latence, un nombre élevé d'appareils connectés et une grande fiabilité. Avec une connexion sans fil millimétrique 5G, vous obtenez le type de performances que vous attendez d'une liaison filaire. Et en raison de sa gamme de fréquences élevées, il n'est généralement pas sensible aux interférences électriques provenant d'équipements à proximité.

Cependant, les gros problèmes sont que la 5G à ondes millimétriques peut être bloquée par une fenêtre et ne pénètre pas très loin. Cela signifie que vous devez avoir beaucoup de cellules 5G pour pouvoir en profiter. Dans une usine de taille raisonnable, vous auriez probablement besoin de 20 ou 30 radios placées au plafond au-dessus de vos cellules de travail principales, selon Anderson.

Les applications industrielles exigent généralement une grande fiabilité et la 5G peut certainement offrir cela. Comme l'a expliqué Anderson, « la fiabilité actuelle du réseau 4G est de 99,8 %. Un taux d'appel abandonné de 0,2 % est considéré comme un réseau de téléphonie mobile super fiable et de qualité opérateur. Mais l'exigence de fiabilité pour les applications industrielles est généralement de 6-9 (99,9999 %). Les réseaux 5G peuvent offrir ce niveau de fiabilité en utilisant la duplication des cellules, l'utilisation intelligente du spectre radio et des antennes massives MIMO (multiple-in, multiple-out)."

Afin d'amener un signal 5G d'un telco dans une usine, une antenne qui ressemble à une tour cellulaire miniature devrait être installée à l'intérieur du bâtiment. Pour l'utiliser dans une application industrielle, vous auriez besoin d'une infrastructure beaucoup plus grande à l'intérieur du bâtiment - vous ne pouvez pas simplement pénétrer dans le bâtiment et vous avez terminé - c'est beaucoup plus compliqué. Selon la gamme de fréquences, vous ne pourrez peut-être même pas voir le signal de l'autre côté du bâtiment. Il y a des poutres et toutes sortes de choses qui vont absorber le signal. Donc, vous auriez besoin de plusieurs antennes. Celui qui installe l'usine doit s'assurer que ces antennes ont une couverture adéquate à l'intérieur du bâtiment et qu'il n'y a pas de points morts.

Principaux candidats pour la 5G

Jumeaux numériques

Un jumeau numérique est une représentation dynamique en temps réel d'un système physique. Par exemple, l'industrie aérospatiale utilise plus ou moins régulièrement des jumeaux numériques. Si vous allez mettre beaucoup de technologie dans un satellite et l'envoyer en orbite terrestre basse, il aura probablement besoin d'être réparé. S'il existe des mises à jour logicielles, elles peuvent d'abord être testées sur terre dans un jumeau numérique – un homologue numérique en temps réel du satellite – avant de le télécharger. Pour que le jumeau numérique reste à jour avec la réalité, une grande quantité de données doit être transmise à haut débit, ce qui est parfait pour la 5G.

Réalité virtuelle et augmentée

Pour la réalité virtuelle, la latence détectable est inacceptable. Ainsi, la bande passante élevée, le débit élevé et la faible latence de la 5G conviennent parfaitement. Une application où la réalité virtuelle est utile, plutôt que simplement divertissante, est celle des simulateurs pour former les opérateurs de systèmes qui pourraient être mortels en cas de problème. Par exemple, les exploitants d'avions, de chemins de fer ou de navires, et très certainement les exploitants de réacteurs nucléaires.

"J'ai été dans une salle d'entraînement pour un navire, où vous ne voyez que des murs vierges, mais lorsque vous mettez les lunettes de réalité virtuelle, vous voyez toutes les commandes que vous vous attendez normalement à voir dans un navire. Si le simulateur est également un jumeau numérique, ces commandes virtuelles feront ce qu'elles feraient sur un navire réel », a déclaré Anderson.

« Une autre application de réalité augmentée permet aux techniciens de service, et en particulier aux techniciens tiers, d'effectuer un travail de réparation de haute qualité. La réalité augmentée pourrait les guider tout au long du processus de réparation, en fournissant un modèle prescriptif de maintenance pour identifier le problème et en superposant visuellement une animation 3D sur un flux vidéo en direct pour montrer la séquence des étapes à effectuer », a déclaré Suri.

Maintenance prédictive

La 5G serait également utile pour la maintenance prédictive dans les cas où vous avez une application avec de grandes quantités de données en streaming que vous souhaitez suivre et analyser.

Une application critique concerne les très gros moteurs ou générateurs qui pourraient causer de graves dommages s'ils tombaient en panne ou pourraient interrompre des services importants comme la production d'électricité. La surveillance en temps réel des équipements distants, comme la surveillance des compresseurs de gaz dans l'industrie pétrolière et gazière, est un autre cas d'utilisation critique, selon Suri.

Autre exemple, si vous êtes une entreprise de CVC vendant des unités de toit, vous souhaitez collecter des données non seulement pour la maintenance, mais également sur son utilisation. «Le coût d'utilisation d'un réseau 4G pour collecter des données utiles est d'environ 3 à 5 dollars par mois, donc si j'ai une entreprise qui vend des CVC sur le toit et que j'ai 100 000 unités déployées, la dépense sera très importante. Et le traitement de toutes ces données pour obtenir des informations utiles augmente encore les dépenses d'exploitation », a déclaré Suri. "Si les organisations pouvaient fournir à leurs clients des informations sur la consommation d'énergie par rapport au niveau de confort, ces données pourraient être utilisées pour vendre une unité plus efficace - ou les organisations pourraient proposer une tarification basée sur l'utilisation où elles facturent simplement des frais mensuels basés sur le nombre d'heures que il fonctionnait.”

Informatique de périphérie

La promesse de faible latence, de vitesse élevée et de fiabilité élevée de la 5G permet à l'informatique de pointe améliorée de fournir aux ingénieurs une boîte à outils étendue pour la conception de réseaux.

L'informatique de périphérie est bénéfique à plusieurs égards :

• Avec la 5G, davantage de calculs peuvent être effectués à la périphérie, car la périphérie peut être redéfinie pour inclure des « clouds locaux ». Auparavant, le calcul à faible latence devait être effectué à chaque nœud de capteur, tandis que le calcul moins sensible au facteur temps pouvait être attribué à un réseau au niveau de l'entreprise ou au cloud public. Mais la quantité de calcul qui pouvait être effectuée au niveau des nœuds de capteurs était extrêmement limitée en raison de limitations pratiques sur la taille physique et la consommation d'énergie.

• Avec les connexions 5G, cependant, les données des capteurs distants peuvent être transmises sans fil à des "clouds locaux", constitués d'ordinateurs prêts à l'emploi. Ces nuages ​​pourraient effectuer un calcul à faible latence, ce qui permet de rapprocher la prise de décision de la source des données. Des paquets d'informations significatives plutôt que des données brutes pourraient alors être envoyés à la fois aux clouds d'entreprise et aux clouds publics pour un traitement et un stockage moins urgents.

• En outre, les organisations peuvent souhaiter avoir la possibilité de protéger les données sensibles contre l'exposition du public. Les systèmes Edge pourraient traiter les données à la source et envoyer uniquement des informations anonymisées et résumées au cloud pour un traitement ultérieur.

Véhicules autonomes

"Là où je pense que vous verrez la 5G comme une application qui tue, ce sont les véhicules autonomes", a déclaré Anderson. «Ils ont beaucoup de capteurs sur eux :lidar, radar, caméras. Tout cela produit de grandes quantités de données et nécessite des temps de réponse très rapides avec une latence extrêmement faible. Les véhicules autonomes doivent assimiler de grandes quantités de données sur leur environnement en temps réel et réagir rapidement."

La communication entre un véhicule et tout ce qui l'entoure, y compris les piétons, les autres voitures et les feux de circulation, est connue sous le nom de V2X. Cette technologie permet aux véhicules de communiquer directement entre eux pour éviter les collisions. De plus, si une voiture approche d'une intersection et qu'il y a un feu de circulation et que les deux sont connectés en 5G, la voiture peut communiquer directement avec le feu de circulation pour comprendre son état actuel.

"Pour mettre en œuvre la 5G pour les véhicules autonomes, un département des autoroutes d'État confierait probablement un contrat à un fournisseur de télécommunications (opérateur de télécommunications), car vous voudriez tirer parti de leurs tours cellulaires et de leur infrastructure de support", a déclaré Anderson. « Pour des débits de données élevés et une faible latence, vous auriez besoin d'au moins 1 GHz de bande passante. Et si vous voulez vraiment une faible latence, vous parlez maintenant de 25 à 27 GHz (gamme millimétrique), ce qui signifie que vous avez besoin d'une tour cellulaire à chaque pâté de maisons d'une ville. Dans les zones rurales, vous pourriez probablement parcourir environ 5 kilomètres entre les pylônes."

Étant donné que les tours de téléphonie cellulaire actuelles sont espacées d'environ 20 milles, de nombreuses nouvelles devraient être érigées. Les ondes millimétriques 5G nécessitent environ cinq fois plus de cellules que pour les gammes de fréquences normales. La grâce salvatrice est que la taille d'une tour cellulaire de 25 GHz est beaucoup plus petite que les tours cellulaires de télécommunication existantes.

"La réalité est que dans un premier temps, la bande millimétrique sera destinée aux usages personnels des gens, de sorte que des infrastructures seront mises en place de toute façon. Ensuite, la capacité excédentaire sera vendue à la ville ou à l'État pour être utilisée avec des véhicules autonomes », a déclaré Anderson.

Logistique

La logistique peut bénéficier de la possibilité de suivre et de localiser un grand nombre de véhicules en temps réel. Ce serait une aubaine pour les gestionnaires de flotte. Très souvent, le suivi des colis a consisté à récupérer rétroactivement des informations à partir d'un enregistreur de données. Cependant, les systèmes de suivi des véhicules en temps réel utilisent des données GPS et cellulaires pour transmettre des informations sur l'emplacement et la direction du mouvement à une station de contrôle. Ces données peuvent être utilisées pour dépanner les itinéraires ou optimiser les opérations logistiques. Les systèmes de suivi des véhicules peuvent également envoyer des informations opérationnelles sur le véhicule, telles que les niveaux de carburant, la pression des pneus, l'état de l'allumage et la température du moteur, qui peuvent être utilisées pour planifier l'entretien. L'utilisation de la 5G dans ce type d'application pourrait également être une application qui tue.

En conclusion

L'essentiel est que la 5G aura un impact significatif à la fois sur l'IoT et l'IIoT, mais cela se développera lentement, certains secteurs plus tôt et d'autres plus tard. Dans l'ensemble, le délai pour une intégration significative de la 5G dans les applications IoT/IIoT est de l'ordre de cinq à dix ans.

Cet article a été rédigé par Ed Brown, rédacteur en chef de Sensor Technology. Pour plus d'informations, contactez Ed à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir. ou visitez ici .