10/05/2019
Mark Patrick (Mouser Electronics)
El impacto del 5G en la industria 4.0
La automatización industrial aguarda al 5G
El 5G promete transformar muchos aspectos de nuestras vidas al hacer posible la aparición de una amplia gama de aplicaciones innovadoras. El 5G promete transformar muchos aspectos de nuestras vidas al hacer posible la aparición de una amplia gama de aplicaciones innovadoras.
Tras concitar la atención en el mundo de las telecomunicaciones durante muchos años, el 5G ya casi está aquí. Los operadores norteamericanos Verizon y AT&T planificaron su distribución comercial en 2018, Corea del Sur prepara el lanzamiento de servicios en 2019 y la mayoría de los operadores europeos trabaja para ofrecer ofertas limitadas a partir de 2020.

Algunos analistas se atreven incluso a predecir que podría tratarse de uno de los avances más importantes en la historia de la humanidad. El 5G promete transformar muchos aspectos de nuestras vidas al hacer posible la aparición de una amplia gama de aplicaciones innovadoras a través de distintos segmentos verticales, incluidas la sanidad, la automoción, las ciudades inteligentes y la automatización industrial.

En este artículo nos centraremos en el 5G en el contexto de la ya mencionada automatización industrial (IA) y examinaremos todo lo que se oculta tras la expectación concitada, qué lo diferencia tanto del 4G y cómo podrá cumplir lo que promete. También analizaremos los desafíos que esta rompedora tecnología presentará a los fabricantes de equipos de infraestructura de red y exploraremos a qué se debe la urgencia que se observa entre los proveedores de equipos de IA y sus clientes por su despliegue.

¿Qué es el 5G?

El insaciable deseo mundial de banda ancha móvil se ha visto impulsado por innovaciones recientes como la realidad aumentada (AR), los vehículos autónomos y, en gran medida, el crecimiento exponencial del Internet de las cosas (IoT). Las predicciones de los analistas en cuanto a las cantidades de dispositivos conectados varía, pero todas ellas coinciden en que el crecimiento será enorme, como confirma un reciente informe[endnoteRef:2] de Ericsson en el que se estima que el tráfico total de datos móviles global aumentará a una tasa de crecimiento compuesto anual (CAGR, por sus siglas en inglés) del 39 %, hasta alcanzar casi 107 exabytes (EB) mensuales a finales de 2023.

Las redes 4G/LTE actuales están llegando rápidamente a su máxima capacidad y no tardarán en verse superadas por este nivel de demanda. Así, en 2015, tras reconocer que se necesitaba una revolución en los sistemas de comunicación móvil, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) definió las especificaciones de los requisitos para el 5G en el documento ITU-R IMT-2020 (5G). Actualmente, la ITU trabaja con distintos organismos, incluido el 3GPP, para definir los estándares de la tecnología de cara a 2020.

Figura01: Resumen de las especificaciones técnicas del 5G que identifican tres de los principales casos de uso de esta tecnología. Indicadores clave de desempeño seleccionados del 5G según ITU-R.(Fuente: “5G for Connected Industries and Automation”, 2ª edición, libro blanco, 5GACIA, noviembre de 2018)

La banda ancha móvil mejorada (Enhanced Mobile Broadband, eMBB) proporciona velocidades de transmisión de datos extremadamente altas (de hasta 20 Gb/s) y ofrece una cobertura mejorada muy superior a la del 4G.

Las comunicaciones masivas tipo máquina a máquina (Massive Machine Type Communications, mMTC) están diseñadas para proporcionar una amplia área de cobertura y una profunda penetración en espacios cerrados para cientos de miles de dispositivos IoT por kilómetro cuadrado. Las mMTC también están diseñadas para aportar una conectividad ubicua con escasos requisitos de software y hardware de dispositivos, y serán compatibles con operaciones de bajo consumo para el ahorro de batería.

Las comunicaciones ultra fiables y de baja latencia (Ultra-Reliable and Low Latency Communications, URLLC) pueden facilitar aplicaciones altamente críticas con unos requisitos muy exigentes en términos de latencia de extremo a extremo (E2E) (un milisegundo o menos), fiabilidad y disponibilidad.

Para proporcionar este nivel de rendimiento, los diseñadores de redes y sistemas 5G han tenido que asumir un enfoque revolucionario, empleando para ello distintas tecnologías como las que se mencionan a continuación.

Las nuevas opciones de espectro emplean un ancho de banda a unas frecuencias mucho más elevadas que el 4G, incluidas frecuencias mmWave por encima de los 30 GHz en las que el espectro está menos saturado. Estas frecuencias más elevadas permiten un aumento radical de la cantidad de datos transmitidos a través de los sistemas 5G.

La unión de la tecnología «Massive MIMO» (multiple-input, multiple-output) de entradas y salidas múltiples, y las técnicas de formación de haces permiten que el 5G sea compatible con cifras superiores a 1000 dispositivos más por metro que el 4G y una transmisión de datos ultrarrápida a muchos más usuarios, con una gran precisión y escasa latencia.

El «Network Slicing» o segmentación de la red es una de las numerosas características mejoradas de gestión de red del 5G que permitirá a los operadores ofrecer servicios a medida de la aplicación. Los coches de conducción autónoma, por ejemplo, exigen unas conexiones extremadamente rápidas y de baja latencia para los servicios de navegación en tiempo real, pero muchos sensores de IoT transmiten datos en ráfagas periódicas, lo que exige grandes velocidades y una categoría de servicio menor.

La implementación de la nube y la computación periférica llevan los beneficios de la nube a las redes radioeléctricas, lo que permite satisfacer los requisitos de baja latencia mediante el acercamiento del contenido a la radio y facilitan el desvío local y una computación periférica de acceso múltiple (Multi-Access Edge Computing, MEC).

5G e IA

Un cambio esencial, a menudo conocido como Industria 4.0, se está propagando por el ámbito de la fabricación, impulsado por las necesidades de los volátiles mercados globales. Para sobrevivir en este mercado cada vez más competitivo, los fabricantes se esfuerzan por mejorar la eficiencia de sus operaciones, sin descuidar la calidad de la producción. Para conseguirlo, avanzan cada vez más hacia el modelo de la fábrica inteligente de la Industria 4.0 (figura 2), donde las técnicas de producción flexible, modular y versátil se combinan con la experiencia humana y la automatización, incluidos cibersistemas que sustituyen a los sistemas de producción estáticos y secuenciales.

Figura 02: La fábrica inteligente de la Industria 4.0. (Fuente: «The Smart Factory: Responsive, Adaptive, Connected Manufacturing», Deloitte University Press)

Si bien hoy en día la mayoría de las fábricas emplea protocolos de comunicación por cable tales como el Ethernet industrial, Profinet y CANbus para interconectar sensores, actuadores y controladores en sistemas automatizados, las redes basadas en cables no serán compatibles con los requisitos de las fábricas inteligentes, ya que estas exigen unos servicios de comunicación inalámbrica potentes y eficientes en los que la latencia, la disponibilidad, las fluctuaciones y el determinismo son elementos clave.

La figura 3 ilustra cómo los principales casos de uso de las fábricas del futuro, tal y como se los identifica en un informe técnico de 3GPP[endnoteRef:3], se correlacionan con los requisitos de servicio de las redes 5G definidos en la especificación ITU.

Figura 3: Resumen de casos de uso industrial seleccionados según sus requisitos básicos de servicio. (Fuente: «5G for Connected Industries and Automation», 5GACIA, noviembre de 2018)

La capacidad mMTC del 5G, por ejemplo, está diseñada especialmente para los requisitos de las redes de sensores inalámbricos (WSN), que serán cada vez más comunes en las fábricas del futuro para la monitorización de entornos específicos, tales como procesos de producción y sus parámetros correspondientes. mMTC resulta ideal cuando existe una gran cantidad de dispositivos que necesitan conexión y cuando se considera prioritario contar con una batería de larga vida útil (y, por tanto, con comunicaciones de bajo consumo), mientras que los volúmenes de datos transmitidos pueden ser menores.

Además, la monitorización de sensores es una función dinámica; los dispositivos sencillos deben estar controlados por una capacidad centralizada, mientras que los sensores más sofisticados pueden incluir capacidades computacionales, lo que permitirá mantener la capacidad de monitoreo dentro de la red de sensores, ya sea por motivos de seguridad o para reducir la dependencia de un proceso automatizado en Internet. La permutación de las opciones de monitoreo se conoce como computación en la niebla, computación periférica de acceso múltiple (MEC) y computación en la nube (figura 4). Por lo tanto, como comentábamos antes, la compatibilidad con todos estos elementos es uno de los pilares de la tecnología 5G.

Figura 4: Vista de componentes de alto nivel de una red escalable masiva de sensores. (Fuente: 3GPP TR 22.804 V16.1.0 [2018-09]) 

Por otro lado, el control del movimiento y la robótica industrial poseen una serie de requisitos de comunicación completamente distintos. Aquí, la precisión y la capacidad de respuesta en tiempo real necesitan las características que proporciona URLCC. La implementación en la nube y las capacidades de computación periférica del 5G están dando paso también a la aparición de la robótica en la nube, que será una de las primeras beneficiadas por la nueva tecnología de comunicaciones.

Los desafíos del 5G

A pesar de que el 5G está a punto de convertirse en realidad, todavía quedan muchos desafíos por resolver a lo largo de la cadena de valor antes de poder cumplir la promesa de esta tecnología.

Los operadores de red deben hacer frente a importantes inversiones, ya que la migración de 4G/LTE a 5G no será algo progresivo, como sucedió con las generaciones anteriores. Los cambios se deberán hacer en cada estación base y será necesario aumentar considerablemente la cantidad de postes para alojar el menor tamaño de celdas 5G. Como posiblemente sea necesario incurrir en estos costes antes de que el 5G comience a dar beneficios, es probable que muchos operadores adopten un enfoque gradual con respecto al despliegue de la red 5G y que aprovechen las redes 4G/LTE existentes al máximo y durante todo el tiempo que sea posible.

Los fabricantes de dispositivos deben abordar los desafíos asociados al diseño de dispositivos para su uso en frecuencias mmWave en las que el bajo consumo de energía, el factor de un tamaño más pequeño y el bajo coste son requisitos imprescindibles.

Por último, los propietarios de fábricas y los integradores de sistemas deben encontrar formas de integrar eficazmente la tecnología 5G en la infraestructura de comunicaciones existente e implementar sistemas en fábricas en las que el entorno de propagación de radio pueda ser hostil.

A esto hay que añadir que todos los grupos anteriormente citados deben afrontar el hecho de que los estándares definidos y la asignación del espectro de radiofrecuencias del 5G quedan todavía algo lejos, lo que introduce un elemento de riesgo en los diseños y puede ralentizar el ritmo de la implementación.

Conclusiones

A pesar de todo lo anterior y de otros muchos desafíos, los beneficios para la industria son considerables. Según la GSMA, una organización que representa los intereses de los operadores móviles, las conexiones 5G alcanzarán los 1100 millones en 2025, lo que permitirá un crecimiento de las ganancias de los operadores a una tasa compuesta anual (CAGR) del 2,5 % hasta alcanzar 1,3 billones de dólares en 2025. Al mismo tiempo, según un estudio reciente de Ericsson[endnoteRef:4], los actores TIC generarán 234 000 millones de USD de ganancias con el 5G gracias a la fabricación vertical. En cuanto a las empresas de fabricación, según PWC[endnoteRef:5], en 2020 las compañías europeas invertirán 140 000 millones de euros anualmente en aplicaciones industriales de Internet y esperan alcanzar unas mejoras en su eficiencia del 18 % de media a lo largo de los siguientes 5 años.

Sea cual sea su posición en la cadena de valor, el 5G es un mercado increíblemente grande y de rápido crecimiento, que revolucionará en gran medida la producción, el envío y el servicio de bienes y productos a lo largo de todo su ciclo de vida, lo que ofrecerá ganancias de eficiencia a los fabricantes y permitirá nuevos niveles de calidad y de elección a los consumidores.

Por lo tanto, no es ninguna sorpresa que los proveedores de equipos de automatización industrial y sus clientes aguarden con impaciencia su implementación.

Autor: Mark Patrick (Mouser Electronics)


Este artículo aparece publicado en el nº 510 de Automática e Instrumentación, págs. 58-62.

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