Comment la 5G va révolutionner l'IoT et l'IIoT industriel

L'impact de la 5G sur l'IoT et l'IIoT

Pour comprendre l'impact du service haut débit mobile 5G sur l'IoT/IIoT, j'ai interviewé Jai Suri, vice-président du développement des applications IoT et Blockchain chez Oracle, et Mike Anderson, architecte systèmes embarqués et consultant dans l'industrie aérospatiale. Je leur ai demandé si nous étions proches d'apporter la 5G à l'industrie ou si d'autres applications arriveraient en premier. Selon eux deux, c'est complexe.

« La 5G a été conçue avec les cas d'usage IoT au cœur de son architecture, alors que la 4G et les normes antérieures étaient principalement conçues pour la voix et le transfert de données. Avec la 4G/LTE, les téléchargements rapides ont permis le streaming de contenu, et la 5G inaugure une communication ultra-rapide à faible latence et la capacité de gérer des millions d'appareils par kilomètre carré », a déclaré Suri.

Clarifications importantes

Le terme 5G ne fait pas référence à une fréquence, il signifie simplement qu'il s'agit de la cinquième génération de communications mobiles sans fil à large bande (voir « Understanding the Implications of 5G Cellular », Sensor Technology, mars 2020). Et ce n'est pas une seule fréquence, elle couvre trois bandes :

• Basse bande (600 – 850 MHz) : Pas beaucoup plus que la 4G actuellement disponible.
• Bande moyenne (2,5 – 3,7 GHz) : Couverture équilibrée et performance.
• Haute bande (25 – 39 GHz) : Signaux dits ondes millimétriques, offrant les performances extrêmes que beaucoup associent à la 5G.

La 5G dans l'IIoT

Le Third Generation Partnership Project (3GPP) est une organisation internationale de normalisation qui développe des protocoles pour la téléphonie mobile. Leur Release 15 s'est concentrée sur la 5G pour les consommateurs, tandis que la Release 16 actuelle déplace le focus vers l'IIoT et d'autres marchés industriels. L'objectif est de publier au fil du temps des standards pour le développement et l'implémentation d'un corpus croissant d'applications 5G.

Les avantages exceptionnels de la 5G à ondes millimétriques sont : vitesse élevée, latence faible, grand nombre d'appareils connectés et haute fiabilité. Avec une connexion sans fil 5G ondes millimétriques, on obtient le genre de performance qu'on attendrait d'une liaison filaire. Et en raison de sa gamme de fréquences élevée, elle n'est généralement pas sensible aux interférences électriques des équipements voisins.

Cependant, les grands défis sont que les ondes millimétriques 5G peuvent être bloquées par une fenêtre et ne pénètrent pas très loin. Cela signifie qu'il faut beaucoup de cellules 5G pour en tirer parti. Sur un atelier d'usine de taille raisonnable, il faudrait probablement 20 ou 30 radios au plafond au-dessus des zones de travail principales, selon Anderson.

Les applications industrielles exigent généralement une fiabilité élevée et la 5G peut certainement la fournir. Comme l'a expliqué Anderson : « La fiabilité actuelle du réseau 4G est de 99,8 %. Un taux d'appels coupés de 0,2 % est considéré comme un réseau mobile de qualité opérateur super fiable. Mais l'exigence de fiabilité pour les applications industrielles est généralement de six 9 (99,9999 %). Les réseaux 5G peuvent atteindre ce niveau de fiabilité en utilisant la duplication de cellules, l'utilisation astucieuse du spectre radio et des antennes MIMO massives (multiple-in, multiple-out). »

Pour amener un signal 5G d'un opérateur télécom dans une usine, une antenne ressemblant à une mini tour cellulaire devrait être installée à l'intérieur du bâtiment. Pour l'utiliser dans une application industrielle, une infrastructure bien plus importante à l'intérieur du bâtiment serait nécessaire — on ne peut pas simplement traverser le bâtiment et c'est fini — c'est beaucoup plus compliqué. Selon la gamme de fréquences, on ne peut pas nécessairement voir le signal de l'autre côté du bâtiment. Il y a des poutres et toutes sortes de choses qui absorbent le signal. Il faudrait donc 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 zones mortes.

Candidats idéaux 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 des jumeaux numériques de manière plus ou moins régulière. Si vous mettez beaucoup de technologie dans un satellite et l'envoyez en orbite basse, il aura probablement besoin de maintenance. Si des mises à jour logicielles sont nécessaires, elles peuvent d'abord être testées sur Terre dans un jumeau numérique — un homologue numérique en temps réel du satellite — avant d'être téléchargées. Pour que le jumeau numérique reste à jour avec la réalité, une grande quantité de données doit être transmise à haute vitesse, ce qui est parfait pour la 5G.

Réalité virtuelle et augmentée

Pour la réalité virtuelle, une latence détectable est inacceptable. La bande passante élevée, le débit élevé et la faible latence de la 5G sont donc un ajustement parfait. Une application où la réalité virtuelle est utile, plutôt que simplement divertissante, concerne les simulateurs pour former les opérateurs de systèmes qui pourraient être mortels en cas de problème. Par exemple, les opérateurs d'avions, de trains, de navires, et certainement les opérateurs de réacteurs nucléaires.

« J'ai été dans une salle d'entraînement pour un navire, où on ne voit que des murs vides, mais quand on met les lunettes de réalité virtuelle, on voit tous les contrôles qu'on s'attendrait à voir sur un navire. Si le simulateur est aussi un jumeau numérique, ces commandes virtuelles feront ce qu'elles feraient sur un vrai navire », a déclaré Anderson.

« Une autre application de réalité augmentée permet aux techniciens de maintenance — et surtout 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 d'étapes à effectuer », a déclaré Suri.

Maintenance prédictive

La 5G serait également utile pour la maintenance prédictive dans les cas où l'on a une application avec de grandes quantités de données en streaming qu'on souhaite suivre et analyser.

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

Autre exemple : si vous êtes une entreprise CVC vendant des unités sur toit, vous voulez collecter des données non seulement pour la maintenance, mais aussi sur l'utilisation. « Le coût d'utilisation d'un réseau 4G pour collecter des données utiles est d'environ 3 à 5 $ par mois, donc si j'ai une entreprise vendant des CVC sur toit et que j'ai 100 000 unités déployées, la dépense sera très significative. Et le traitement de toutes ces données pour obtenir des informations utiles augmente encore les frais d'exploitation », a déclaré Suri. « Si les organisations pouvaient fournir à leurs clients des informations sur la consommation d'énergie versus le 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 de fonctionnement. »

Edge Computing

La promesse de la 5G en termes de faible latence, haute vitesse et haute fiabilité permet un edge computing amélioré, offrant aux ingénieurs une boîte à outils élargie pour la conception de réseaux.

L'edge computing est bénéfique à plusieurs égards :

• Avec la 5G, plus de calculs peuvent être effectués en périphérie car la périphérie peut être redéfinie pour inclure des « clouds locaux ». Auparavant, le calcul à faible latence devait être effectué au niveau de chaque nœud capteur, tandis que les calculs moins sensibles au temps pouvaient être confiés à un réseau d'entreprise ou au cloud public. Mais la quantité de calcul possible aux nœuds capteurs était extrêmement limitée en raison de contraintes pratiques de taille physique et de consommation d'énergie.

• Avec les connexions 5G, les données des capteurs distants peuvent être transmises sans fil vers des « clouds locaux », composés d'ordinateurs standards. Ces clouds pourraient effectuer des calculs à faible latence, ce qui permet de déplacer la prise de décision plus près de la source des données. Des paquets d'informations significatives plutôt que des données brutes pourraient alors être envoyés vers les clouds d'entreprise et publics pour le traitement et le stockage moins sensibles au temps.

• De plus, les organisations pourraient vouloir la capacité de protéger les données sensibles de l'exposition publique. Les systèmes en périphérie pourraient traiter les données à la source et n'envoyer au cloud que des informations anonymisées et résumées pour un traitement ultérieur.

Véhicules autonomes

« Là où je pense que vous verrez la 5G comme une killer app, c'est les véhicules autonomes », a déclaré Anderson. « Ils ont beaucoup de capteurs : lidar, radar, caméras. Tous produisent de grandes quantités de données et nécessitent 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'un carrefour et qu'il y a un feu de circulation et que les deux sont connectés en 5G, la voiture pourrait communiquer directement avec le feu pour connaître son état actuel.

« Pour implémenter la 5G pour les véhicules autonomes, un département des routes d'État passerait probablement un contrat avec un opérateur télécom, car on voudrait tirer parti de leurs tours cellulaires et de leur infrastructure de support », a déclaré Anderson. « Pour des débits élevés et une faible latence, il faudrait un minimum de 1 GHz de bande passante. Et si on veut vraiment une faible latence, on parle de la gamme 25 à 27 GHz (ondes millimétriques), ce qui signifie qu'il faut une tour cellulaire par bloc en ville. En zone rurale, on pourrait faire environ 5 km entre les tours. »

Comme les tours cellulaires actuelles sont espacées d'environ 32 km, beaucoup de nouvelles devraient être érigées. Les ondes millimétriques 5G nécessitent environ cinq fois plus de cellules que pour les gammes de fréquences normales. L'avantage est que la taille d'une tour cellulaire 25 GHz est bien plus petite que les tours télécoms existantes.

« La réalité est qu'au début, la bande ondes millimétriques visera les usages personnels, donc cette infrastructure sera mise en place de toute façon. Ensuite, la capacité excédentaire sera vendue à la ville ou à l'État pour une utilisation avec les véhicules autonomes », a déclaré Anderson.

Logistique

La logistique peut bénéficier de la capacité à suivre et localiser un grand nombre de véhicules en temps réel. Ce serait une aubaine pour les gestionnaires de flotte. Si souvent, le suivi des colis s'est limité à la récupération rétrospective d'informations depuis un enregistreur de données. Cependant, les systèmes de suivi de véhicules en temps réel utilisent le GPS et les données cellulaires pour transmettre des informations sur la localisation 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 de véhicules peuvent également envoyer des informations opérationnelles sur le véhicule, comme le niveau de carburant, la pression des pneus, l'état de l'allumage et la température du moteur, qui peuvent être utilisées pour planifier la maintenance. L'utilisation de la 5G dans ce type d'application pourrait également être une killer app.

Conclusion

En résumé, la 5G aura un impact significatif sur l'IoT et l'IIoT, mais cela se développera lentement, certains secteurs plus tôt et d'autres plus tard. Globalement, le calendrier 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 écrit par Ed Brown, rédacteur en chef de Sensor Technology. Pour plus d'informations, contactez Ed à cette adresse email protégée ou visitez ici.