“Il 5G diventerà la rete di riferimento per Industria 4.0”, parola di Qualcomm

Della tecnologia delle reti cellulari di quinta generazione, o in breve 5G, si parla parecchio, ma principalmente dal punto di vista dell’utilizzazione consumer. In realtà, per quanto possa essere gratificante guardare un film in 4K sul proprio smartphone, o divertirsi con giochi basati su realtà virtuale, il 5G è una rivoluzione soprattutto per l’industria, perché mette a disposizione un sistema di rete con notevoli vantaggi tecnologici rispetto agli standard attualmente in uso.

Abbiamo parlato dell’uso del 5G nell’industry 4.0 con Gerardo Giaretta, Senior Director Product Management di Qualcomm USA, uno dei più importanti player del mondo delle comunicazioni wireless.

Il wireless al servizio della riconfigurabilità

Le tecnologie wireless hanno fatto da tempo il loro ingresso in azienda, ma il 5G promette di rendere possibili cose oggi irrealizzabili. Come vede un’azienda come Qualcomm il connubio tra 5G e Industria 4.0?

Ci sono due cose che stanno succedendo. Una è la digitalizzazione dell’industria, per ottenere più dati possibile dalle macchine. L’altra cosa è ciò che Bosch chiama Factory of the Future, ovvero l’idea che la fabbrica debba essere qualche cosa di sempre facilmente riconfigurabile in modo molto dinamico.

Se mettiamo queste due cose assieme, cioè il fatto che in ogni momento vogliamo poter riconfigurare la fabbrica, magari perché passiamo da un modello di macchina a un altro, e il fatto di ottenere dati real time da qualsiasi elemento della produzione, arriviamo alla conclusione che una soluzione wireless è necessaria. Perché ovviamente se vogliamo ottenere dati dalle macchine ma anche poter riconfigurare la fabbrica, non vogliamo avere problemi con cablaggi fissi da spostare e rifare.

Digitalizzazione e riconfigurabilità sono dunque i due macrotrend che giustificano l’uso del wireless in generale, non per forza 5G.

Se parliamo di 5G nello specifico, ci sono un paio di caratteristiche tipiche delle reti cellulari di questo tipo che ne fanno la soluzione più idonea. Una delle caratteristiche a favore delle reti cellulari rispetto alle reti wi-fi è la reliability, l’affidabilità. Che è data dal fatto che nella rete cellulare non si usa uno spettro di frequenze “unlicensed”, come nel caso del wi-fi.

E quindi l’azienda è sicura che in quel particolare spettro ci sono solo i suoi macchinari e nessuna interferenza di nessun tipo. Questo è un aspetto fondamentale, non specifico del 5G ma particolarmente importante nel contesto 5G.

L’altro aspetto è che, in particolare nella prossima release 16 dello standard, si introduce – ed è particolarmente importante per la robotica – una funzionalità che prima non era possibile lato cellulare e lato wireless, ed è quello che si chiama URLLC, Ultra Reliable Low Latency Communication (comunicazione ad altissima affidabilità con bassa latenza, ndr), che di fatto include la possibilità di avere un’altissima affidabilità, quindi il classico supporto dei “sei nove” (trasmissione corretta per il 99,9999% dei pacchetti) e la low latency, intorno a 1 millisecondo. E le due cose assieme ci permettono di andare a sostituire soluzioni di bus di campo proprietario come in generale le varie Industrial Ethernet, che erano usate fino a oggi. Riassumendo, i due aspetti fondamentali sono lo spettro sicuro e la URLLC, quest’ultima in particolare molto importante per la robotica.

Nel 2021 la svolta

La URLLC sarà però disponibile solo con la release 16 dello standard, che si prevede possa essere finalizzata a inizio 2020. Quando sarà operativo lo standard? Quando saranno disponibili i prodotti per implementarlo?

Diciamo 2021, 2022. Senza citare la roadmap di Qualcomm, diciamo che in generale i prodotti sono disponibili più o meno un anno dopo che la release viene dichiarata “frozen”, quindi possiamo assumere intorno al 2021. Poi naturalmente dipende da moltissime cose, dalla richiesta del mercato, dai volumi, dagli aspetti tecnologici… indicativamente dunque parliamo del 2021.

Queste caratteristiche della release 16 comunque ci interessano in modo specifico per la robotica e per l’automazione industriale. Ma ci sono altri scenari che possono essere implementati e usati anche prima, con la versione 15 del 5G o addirittura con tecnologia LTE o 4G. Noi conosciamo installazioni per esempio in grandi miniere, o in piattaforme di estrazione petrolifera, nelle quali una rete wi-fi non è sufficiente, e viene usata la rete LTE o 5G release 15.

Ovviamente non si sarà in grado di usare la rete cellulare per sistemi di automazione di cui abbiamo parlato finora, ma sì può usare il cellulare per esempio per fare manutenzione predittiva, o per monitorare la performance di determinate macchine e cose del genere. Quello si può già fare. Giustamente ora si parla molto di 5G perché porta delle novità che cambiano completamente la dinamica dell’industria. Ma non è che ogni installazione richiede 5G o addirittura 5G release 16.

Wi-Fi vs 5G

Nella prospettiva di una rapida penetrazione di questa tecnologia, il discorso delle reti private 5G in azienda si sta facendo interessante. E molte aziende cominceranno a chiedersi se gli conviene installare un sistema di rete wi-fi di qualche tipo o una rete privata 5G sulla linea di produzione. Quali saranno i fattori che dovranno prendere in considerazione le persone che dovranno scegliere le tecnologie? 

In generale le tecnologie possono assolutamente convivere, e anzi possono convivere perché per esempio puoi usare il 5G per l’automazione e il wi-fi per l’ufficio, o per gli utenti che devono usare un tablet eccetera. Quali sono i vantaggi? Io parlo con tante aziende, nel settore industriale ma anche nella logistica e nel retail, dove operano grandi aziende americane che hanno enormi negozi di retail. E tutti stanno usando wi-fi ma hanno sempre più problemi con questa tecnologia. Questi problemi derivano da alcune caratteristiche del wi-fi che a un certo punto non riesce a star dietro alle necessità dell’utenza, a livello tecnologico.

Un problema per esempio è la copertura. Per come è fatto in particolare il MAC layer, cioè il livello 2 del sistema cellulare e per come vi accedi, la copertura che ottieni con un sistema cellulare è nettamente superiore di quella ottenibile dal wi-fi. E questo produce conseguenze sui costi: per una rete cellulare serve un numero più basso di base station. Ma soprattutto questo ti da la sicurezza di coprire ogni angolo della fabbrica, del supermercato, del magazzino.

Un altro aspetto problematico è la capacità nell’uplink. Ci sono più e più casi d’uso in cui ci sono telecamere collegate a robot, che possono essere inspection camera (che ispezionano la produzione), o nel retail le inventory camera (ovvero robot che girano nel negozio e controllano se ci sono prodotti o no negli scaffali). Ora, queste videocamere inviano continuamente dati, in grande quantità. Questo aumenta la necessità di avere un uplink ad alta capacità. Un po’ di analytics può essere fatto dalla camera, ma una buona parte va fatta a livello centrale. E questo aumento del traffico in uplink mette a dura prova le reti wi-fi. Questo perché il wi-fi è contention managed, e quindi più traffico c’è più aumentano le collisioni di pacchetti e cala l’efficienza, creando problemi.

Un terzo aspetto problematico per il wi-fi è la mobility, in particolare per via dell’handover (il passaggio di un device da una stazione base a un’altra). La rete cellulare è nata per quello, è stata progettata per gestire bene questo aspetto. Sul wi-fi, ci sono stati tentativi per migliorare le cose e un po’ sono migliorate, ma quando si installano parecchi device semoventi, tipo questi piccoli robot AGV che vediamo nei magazzini di Amazon, che si spostano in continuazione e continuano a usare handover, la rete wi-fi fa fatica. Quindi nel momento in cui un utente ha molto traffico in uplink, o molti elementi che si muovono, o in generale tanti device connessi, o ancora vuole veramente essere sicuro di avere una rete affidabile, allora 5G è la soluzione.

Qualcomm è l’azienda che in assoluto vende più chip wi-fi in tutto il mondo: in ogni smartphone c’è un nostro chip. Quindi non siamo contrari al wi-fi, semplicemente vediamo che dal punto di vista tecnologico 5G porta diversi vantaggi rispetto a questa tecnologia.

Industria 4.0 convergerà sul 5G

Ma quindi potremmo aver quindi in futuro installazioni miste con sistemi differenziati in base all’uso? Per cui chi pilota un robot userà il 5G, mentre chi deve monitorare le macchine potrebbe usare un tablet collegato in wi-fi?

Qualcomm: Dal punto di vista puramente tecnologico sì, è possibile, ma poi subentrano aspetti economici e di semplificazione IT. Nel senso che è più semplice gestire una sola rete tutta in 5G, non tanto per un costo di installazione quanto per il costo di gestione della rete.

Per esempio, alcuni player industriali ci stanno chiedendo cose come “posso usare 5G per fare indoor location?”. È un’applicazione per la quale al momento viene usata la tecnologia Ultra Wide Band. Ma chiaramente, la logica dietro alla domanda è “se ho una tecnologia sola che fa sia connettività, sia localizzazione, allora posso anche rimuovere la rete UWB”. Proprio perché avere una singola rete da gestire costa meno che lavorare con reti multiple. Quindi, allo stesso modo, la combinazione di wi-fi con 5G può avere senso da un punto di vista tecnologico, ma da un punto di vista pratico è probabile che a un certo punto ci sia uno switch completo verso 5G.

Il 5G potrebbe contribuire a sostituire le varie tecnologie proprietarie, i vari bus di campo che oggi sono in uso per muovere i dati dalla macchina al centro? È possibile far passare i protocolli sopra il 5G, magari usando TSN sulle reti di quinta generazione?

Sì, l’idea è di usare il TSN sul 5G. È ciò che la release 16 sta già definendo. Noi stiamo già lavorando a un prototipo, non è ancora disponibile, ma possiamo usare TSN sopra 5G. La release 16 ci metterà un po’ ad arrivare, ma l’idea è che tutte le applicazioni sviluppate per i vari bus proprietari potranno andare sopra TSN. Il vantaggio per l’utente è che non dovrà modificare l’applicazione, essa continuerà a “vedere” il suo protocollo e il suo bus proprietario ma in realtà avrà TSN sotto e poi 5G. L’idea è stacco il cavo, al suo posto metto un modem 5G e tutto continua a funzionare. In pratica stiamo cercando di trovare questi modi per introdurre 5G piano piano, con casi d’uso più semplici all’inizio in modo da non dover cambiare le applicazioni. Non deve cambiare il modo in cui gestisci la rete, semplicemente impieghi TSN come “common framework” sopra 5G.

Voi avete un caso d’uso di veicoli AGV che si muovono pilotati da remoto. State usando le pre-specifiche della release 16?

Sì, ci sono varie applicazioni che vengono abilitate dalla bassa latenza. L’industrial communication è la più ovvia. Ma nel momento in cui disponi di una comunicazione con una latenza sotto il millisecondo, allora puoi immaginare di fare molte cose che prima non potevi proprio fare.

Un esempio è la situazione in cui un guidatore umano deve intervenire nella guida di un AGV. Con una rete a bassa latenza, puoi pensare di farlo intervenire da una postazione centrale invece che direttamente nel luogo dove si trova l’AGV. Altri casi più a livello consumer sono le applicazioni di virtual reality, in cui puoi avere molta più definizione e molta più immersività se la latenza è molto bassa, cosicché tutto diventa più fluido. Come al solito, noi definiamo la tecnologia con i nostri partner dell’ecosistema, ma poi sono i vendor che creano le applicazioni.

Un esempio: quando abbiamo definito il 4G e gli smartphone, non abbiamo certo pensato a Uber. Ma poi qualcuno lo ha inventato. Quindi le idee che abbiamo noi contano fino a un certo punto, perché poi le aziende si sbizzarriscono e questo è ciò che crea veramente valore.

Che cosa succede alla latenza in caso di grandi distanze?

La latenza sulle grandi distanze dipende un po’ dalle leggi della fisica, per la velocità dei segnali, e un po’ da quanti apparecchi bisogna attraversare, quanti step ci sono da fare per far arrivare il dato. Il 5G può creare una combinazione molto valida con l’edge computing. I fornitori di servizi cloud stanno sempre più mettendo a disposizione dei “private cloud” o “cloud on premises”, ovvero macchine da dislocare presso il cliente, che fanno girare il cloud come AWS o Azure. Macchine di questo tipo accoppiate con una rete 5G a bassissima latenza permettono di abilitare tutta una serie di applicazioni, perché permettono di ridurre drasticamente la latenza lungo tutta la linea di comunicazione e non solo nella parte wireless.

Il 5G è una tecnologia complessa e nessun player sul mercato è in grado di coprire tutta la filiera di produzione. Come vi muovete con gli altri brand per definire i vari aspetti tecnici?

Per noi è normale collaborare con altri player per definire gli standard e le tecnologie, partecipare ai vari Industrial Forum, al 3GPP, al 5G-ACIA eccetera. Quello che è stato completamente nuovo è stato definire il rapporto fra 5G e Industry 4.0. Questo ha richiesto di iniziare a collaborare con partner del mondo industriale. Noi per esempio abbiamo reso noto che stiamo lavorando con Bosch, e infatti siamo anche andati in molte loro fabbriche per fare misure riguardanti lo spettro di radiofrequenze, per capire come le onde dei cellulari si propagano in una fabbrica, dove c’è molto metallo, ostacoli di ogni tipo. Quindi lavoriamo con loro per capire cosa vuol dire installare delle base station in una fabbrica, combinando la nostra expertise sulla tecnologia cellulare con l’expertise di Bosch sulla fabbrica.

Naturalmente lavoriamo anche con altri, ma la collaborazione con Bosch è l’unica ufficiale e pubblica. Da questo punto di vista, anche la partecipazione a 5G-ACIA è molto significativa. Si tratta di un forum fondato da Siemens, Bosch e altri, che si è dato il compito di raccogliere le richieste degli utilizzatori per la tecnologia 5G, studiare e organizzare gli use case, per poi veicolare le richieste al 3GPP perché ne tenga conto nella definizione dello standard. E per noi è esattamente così che deve funzionare lo sviluppo dello standard.