Comment la 5G va-t-elle libérer le potentiel de l'IIoT ?

Stimulée par les progrès technologiques tels que la montée en puissance du big data et de l’automatisation, la prochaine ère de la production industrielle, l’industrie 4.0, est plus proche que jamais.

Une opportunité de croissance considérable se démarque dans la révolution vers l'industrie 4.0 : l’Internet des objets appliqué à l’industrie, ou IIoT, qui recouvre une grande diversité d’applications dans toutes sortes de secteurs, de l’industrie manufacturière aux ports à conteneurs en passant par les centrales électriques. La connectivité haute performance et à latence extrêmement faible offerte par les réseaux sans fil 5G peut faire passer les processus et les modèles opérationnels constitutifs de l’IIoT au niveau supérieur.

Selon une étude de l’IHS Economics and Technology, l’économie mondiale profitera pleinement des bienfaits de la 5G d’ici 2035, date à laquelle un large éventail d’industries tireront profit de la technologie mobile pour produire des produits et services d’une valeur totale ayant atteint 12 000 milliards de dollars.

Qu’il s’agisse de donner accès à un débit amélioré avec des vitesses proches de la fibre, d’offrir une connectivité pour les applications critiques avec des temps de latence de l’ordre de moins d’une milliseconde ou de connecter la myriade de périphériques composant le gigantesque réseau IoT, la 5G est conçue comme une plateforme capable de gérer une diversité de services sur un vaste choix de bandes de fréquences (en dessous de 1 GHz jusqu’à mmWave) et prenant en charge plusieurs modèles de déploiement, des macro-réseaux aux réseaux intérieurs en passant par les réseaux privés. Matrice de connectivité unifiante pour l’innovation, la 5G répondra non seulement aux besoins des industries d’aujourd’hui, mais sa compatibilité ascendante lui donnera la flexibilité nécessaire pour gérer des services développés dans le futur.

Applications variées

Intéressons-nous à l’usine du futur : un environnement sans fil où tout est contrôlé et optimisé. En permettant des communications sans fil haute performance, la 5G possède un potentiel considérable pour des cas d’utilisation tels que l’automatisation de ligne d’assemblage, la prise de décisions par les véhicules à guidage automatique et la collecte de données par des capteurs pour informer les solutions de machine-learning et les applications de réalité augmentée et de réalité virtuelle. Qui plus est, bien que ces cas d’utilisation aient tous des besoins différents en termes de vitesse, de temps de latence ou de bande passante, la 5G est en mesure de les gérer dans le cadre d’un réseau unique.

Selon leurs besoins spécifiques, certains cas d’utilisation peuvent être plus complexes et exigeants que d’autres. Les systèmes de commande de mouvement, par exemple, chargés de contrôler les mouvements bien définis des machines, ont des exigences très strictes en termes de temps de latence, de fiabilité et de déterminisme, alors que la transmission constante de données au sein de l’énorme réseau IoT requiert une haute capacité et que la transmission de flux vidéo haute définition vers et à partir des périphériques de réalité augmentée est fortement tributaire de débits élevés.

Les ateliers de production peuvent cependant constituer des environnements difficiles pour les communications sans fil. Les blocages et réflexions causés par les objets métalliques à déplacement rapide, comme les grues et les transporteurs à courroie, peuvent provoquer des chutes soudaines de l’intensité du signal RF et des interférences à variation temporelle rapide avec les petites cellules déployées dans l’installation. Seule la diversité spatiale permet d’éviter les pertes de signal et de vaincre les blocages de signaux pour surmonter ces limitations et atteindre la fiabilité 6N nécessaire.

Architecture CoMP pour URLCC

Lorsqu’elle est assurée par un déploiement dense de cellules de petite taille avec une liaison à large bande passante, la transmission coordonnée de signaux à partir de plusieurs antennes dans différents endroits, ou CoMP (Coordinated Multi-Point), peut fournir la diversité spatiale et la haute capacité nécessaires à la fiabilité 6N d’URLLC (ultra reliable low latency communications), augmentant de ce fait la capacité d’un réseau 5G. La diversité spatiale peut quant à elle venir à bout de l’effet de masque radio (shadowing) qui survient dans les environnements difficiles, comme l’atelier de production moderne, réduisant ainsi considérablement les taux d’erreur et apportant la fiabilité URLLC indispensable aux applications IIoT.

CoMP nécessite une coordination entre plusieurs points de transmission/réception pour lesquels des fonctions telles que la planification et la gestion des ressources peuvent devoir être réalisées par une unité centralisée. Des compromis sont néanmoins possibles. Les fonctions de la couche physique peuvent toutes être transférées vers une unité centrale mais cela nécessite une liaison haute performance telle que la fibre. Une autre possibilité consiste à diviser la couche physique entre une unité centralisée et une unité distribuée, pour une transmission CoMP non cohérente, avec des exigences moins strictes en matière de liaison, de type GbE par exemple. Au bout du compte, la forme prise par l’architecture réseau CoMP d’une installation dépendra en grande partie de facteurs tels que son infrastructure réseau existante, le coût et les besoins de capacité.

Prise en charge de TSN

Nous observons actuellement dans l’IIoT une tendance à la technologie TSN (Time Sensitive Networking) pour les solutions Ethernet industrielles câblées. Cette technologie permet d’utiliser Ethernet pour des applications assujetties au temps qui nécessitent un déterminisme tant du point de vue du temps de latence que de la bande passante et qui, jusqu’à ce jour, ont été prises en charge par toutes sortes d’implémentations ouvertes ou propriétaires à l’aide d’Ethernet ou d’un bus de terrain comme Profinet ou Ethernet/IP. De fait, depuis son introduction parmi les normes IEEE, la prise en charge de la technologie TSN représente une formidable opportunité pour la 5G d’accroître les implémentations Ethernet industrielles à l’avenir.

On peut s’attendre à ce que la communication sans fil 5G remplace progressivement les commutateurs et le câblage Ethernet. Pour fonctionner en tant que commutateur TSN, toutefois, la 5G doit gérer trois aspects principaux. En plus de transporter les trames Ethernet, elle doit également prendre en charge la "planification en temps réel" basée sur le temps synchrone dans toute l’usine, étant considéré que la configuration TSN de bout-en-bout permettra une allocation appropriée des ressources pour garantir le temps de latence. Enfin, l’infrastructure 5G doit être en mesure de transmettre la base de temps de l’usine non seulement aux équipements utilisateur, mais aussi aux machines qui s’y connectent.

Allocation du spectre

Un des nombreux avantages offerts par la 5G est que le spectre élargi, à la fois sous licence et sans licence, offre aux entreprises la possibilité de créer des réseaux privés, optimisés pour des applications industrielles spécifiques et gérés de manière indépendante.

Les opérateurs ou les régulateurs régionaux peuvent allouer une portion du spectre sous licence dans des zones géographiques précises, dans une installation industrielle, par exemple, tandis que le spectre sans licence peut se comporter comme un spectre dédié lorsqu’il est contrôlé par le propriétaire d’une installation dans un environnement confiné. Ainsi, le spectre exploitable sans licence peut satisfaire les demandes de l’IIoT. Par exemple, sans interférence de la part d’autres réseaux, un environnement privé contrôlé peut garantir le temps de latence tandis que l’utilisation d’un large choix de bandes de fréquences permet de gagner en fiabilité.

Ces différentes options du point de vue du spectre, outre les capacités comme CoMP pour URLLC ou la prise en charge de la technologie TSN, ne sont que quelques exemples de la manière dont la prochaine version de la 5G (Release 16 de la 3GPP) répondra aux demandes des applications de l’IIoT et relèvera les défis de l’usine moderne. Comptant une capacité accrue, une latence extrêmement faible, une haute fiabilité et des vitesses très élevées parmi ses nombreux avantages, l’introduction de la 5G démontrera ce que peut accomplir la technologie sans fil, libérera le potentiel de l’IIoT et constituera un grand pas en direction de la prochaine ère de la production industrielle.

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