O que o 5G fará pela IoT/IIoT?

Para saber mais sobre o impacto do serviço de banda larga móvel 5G na IoT/IIoT, entrevistei Jai Suri, vice-presidente de desenvolvimento de aplicativos de IoT e Blockchain da Oracle, e Mike Anderson, arquiteto de sistemas embarcados e consultor do setor aeroespacial. Perguntei a eles se estamos perto de trazer o 5G para a indústria ou se outros aplicativos provavelmente virão primeiro. Segundo os dois, é complicado.

“O 5G foi projetado com casos de uso de IoT em seu núcleo, enquanto o 4G e os padrões anteriores foram projetados principalmente para transferência de voz e dados. Com 4G/LTE, downloads rápidos de dados permitirão streaming de conteúdo, e 5G dará início a uma comunicação ultrarrápida e de baixa latência e a capacidade de lidar com milhões de dispositivos por quilômetro quadrado”, disse Suri.

É importante começar com alguns esclarecimentos. O termo 5G não se refere à frequência, significa simplesmente que é a quinta geração de comunicações de banda larga móvel sem fio (consulte “Entendendo as implicações do 5G celular”, Sensor Technology, março de 2020.) E não é apenas uma frequência, abrange três bandas:

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  A banda baixa é de 600 – 850 MHz Isso não é muito mais do que o 4G atualmente disponível.
  
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  A banda média cobre a faixa de 2,5 a 3,7 GHz.
  
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  A banda alta opera de 25 a 39 GHz. Os sinais nessa faixa de frequência são geralmente chamados de ondas milimétricas e fornecem o desempenho extremo que muitas pessoas pensam quando pensam em 5G.
  

5G na IIoT

O Projeto de Parceria de Terceira Geração (3GPP) é uma organização de padrões internacionais que desenvolve protocolos para telefonia móvel. Sua versão 15 se concentrou em 5G para consumidores, enquanto a atual versão 16 muda o foco do consumidor para a IIoT e outros mercados industriais. Sua intenção é, com o tempo, publicar padrões para desenvolver e implementar um corpo crescente de aplicativos 5G.

Os excelentes benefícios da onda milimétrica 5G são alta velocidade, baixa latência, alto número de dispositivos conectados e alta confiabilidade. Com uma conexão sem fio 5G milimétrica, você obtém o tipo de desempenho que esperaria de um link com fio. E devido à sua faixa de alta frequência, normalmente não é suscetível a interferências elétricas de equipamentos próximos.

No entanto, os grandes problemas são que a onda milimétrica 5G pode ser bloqueada por uma janela e não penetra muito longe. Isso significa que você precisa ter muitas células 5G para poder aproveitá-lo. Em um chão de fábrica de tamanho razoável, você provavelmente precisaria de 20 ou 30 rádios no teto sobre suas células de trabalho primárias, de acordo com Anderson.

As aplicações industriais normalmente exigem alta confiabilidade e o 5G certamente pode oferecer isso. Como Anderson explicou, “a confiabilidade atual da rede 4G é de 99,8%. Uma taxa de queda de chamadas de 0,2% é considerada uma rede de telefonia móvel de nível de operadora super confiável. Mas o requisito de confiabilidade para aplicações industriais é tipicamente seis-9s (99,9999%). As redes 5G podem fornecer esse nível de confiabilidade usando a duplicação de células, o uso inteligente do espectro de rádio e antenas MIMO (multiple-in, multiple-out) maciças.”

Para trazer um sinal 5G de uma empresa de telecomunicações para uma fábrica, uma antena que parece uma torre de celular em miniatura teria que ser instalada dentro do prédio. Para usar isso em uma aplicação industrial, você precisaria de uma infraestrutura muito maior dentro do prédio - você não poderia simplesmente penetrar no prédio e pronto - é muito mais complicado. Dependendo da faixa de frequência, você pode não ser capaz de ver o sinal do outro lado do prédio. Existem vigas e todos os tipos de coisas que irão absorver o sinal. Então, você precisaria de várias antenas. Quem está montando a fábrica deve certificar-se de que essas antenas tenham cobertura adequada dentro do prédio e que não haja pontos mortos.

Principais candidatos para 5G

Gêmeos Digitais

Um gêmeo digital é uma representação dinâmica em tempo real de um sistema físico. Por exemplo, a indústria aeroespacial está usando gêmeos digitais de forma mais ou menos regular. Se você vai colocar muita tecnologia em um satélite e enviá-lo para a órbita baixa da Terra, provavelmente precisará de manutenção. Se houver atualizações de software, elas podem primeiro ser testadas na Terra em um gêmeo digital - uma contraparte digital em tempo real do satélite - antes de carregá-lo. Para que o gêmeo digital se mantenha atualizado com a realidade, uma grande quantidade de dados precisa ser transmitida em alta velocidade, o que é perfeito para 5G.

Realidade Virtual e Aumentada

Para realidade virtual, a latência detectável é inaceitável. Portanto, a alta largura de banda, alta taxa de transferência e baixa latência do 5G é um ajuste perfeito. Uma aplicação em que a realidade virtual é útil, e não apenas divertida, é para simuladores para treinar operadores de sistemas que podem ser mortais se algo der errado. Por exemplo, operadores de aeronaves, ferrovias ou navios e, definitivamente, operadores de reatores nucleares.

“Estive em uma sala de treinamento para um navio, onde você não vê nada além de paredes em branco, mas quando você coloca os óculos de realidade virtual, vê todos os controles que normalmente esperaria ver em um navio. Se o simulador também for um gêmeo digital, esses controles virtuais farão o que fariam em um navio real”, disse Anderson.

“Outra aplicação de realidade aumentada está permitindo que técnicos de serviço – e especialmente técnicos de terceiros – realizem um trabalho de reparo de alta qualidade. A realidade aumentada pode guiá-los por todo o processo de reparo, fornecendo um modelo prescritivo de manutenção para identificar o problema e sobrepondo visualmente a animação 3D em um feed de vídeo ao vivo para mostrar a sequência de etapas a serem executadas”, disse Suri.

Manutenção Preditiva

O 5G também seria útil para manutenção preditiva nos casos em que você tem um aplicativo com grandes quantidades de dados de streaming que deseja rastrear e analisar.

Uma aplicação crítica é para motores ou geradores muito grandes que podem causar danos graves se falharem ou interromper serviços importantes, como geração de energia. O monitoramento em tempo real de equipamentos remotos, como o monitoramento de compressores de gás na indústria de petróleo e gás, é outro caso de uso crítico, de acordo com Suri.

Outro exemplo é, se você é uma empresa de HVAC que vende unidades de telhado, deseja coletar dados não apenas para manutenção, mas também sobre seu uso. “O custo de usar uma rede 4G para coletar dados úteis é de cerca de US$ 3 a US$ 5 por mês, portanto, se eu tiver uma empresa vendendo HVACs de telhado e tiver 100.000 unidades implantadas, a despesa será muito significativa. E processar todos esses dados para obter informações úteis aumenta ainda mais as despesas operacionais”, disse Suri. “Se as organizações pudessem fornecer a seus clientes informações sobre consumo de energia versus nível de conforto, esses dados poderiam ser usados ​​para vender uma unidade mais eficiente – ou as organizações poderiam oferecer preços baseados no uso, onde simplesmente cobram uma taxa mensal com base no número de horas que estava correndo”.

Computação de borda

A promessa do 5G de baixa latência, alta velocidade e alta confiabilidade permite que a computação de borda aprimorada forneça aos engenheiros uma caixa de ferramentas expandida para projetar redes.

A computação de borda é benéfica de várias maneiras:

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  Com o 5G, mais computação pode ser feita na borda porque a borda pode ser redefinida para incluir “nuvens locais”. Anteriormente, a computação de baixa latência tinha que ser feita em cada nó do sensor, enquanto a computação menos sensível ao tempo podia ser atribuída a uma rede de nível empresarial ou à nuvem pública. Mas a quantidade de computação que poderia ser feita em nós sensores era extremamente limitada devido a limitações práticas de tamanho físico e consumo de energia.
  
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  Com conexões 5G, no entanto, os dados de sensores remotos podem ser transmitidos sem fio para “nuvens locais”, consistindo em computadores prontos para uso. Essas nuvens podem realizar computação de baixa latência, o que permite que a tomada de decisões seja movida para mais perto da fonte dos dados. Pacotes de informações significativas, em vez de dados brutos, podem ser enviados para nuvens corporativas e nuvens públicas para processamento e armazenamento menos sensíveis ao tempo.
  
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  Além disso, as organizações podem querer a capacidade de proteger dados confidenciais da exposição pública. Os sistemas de borda podem processar dados na origem e enviar apenas informações anônimas e resumidas para a nuvem para processamento adicional.
  

Veículos autônomos

“Onde eu acho que você verá o 5G como um aplicativo matador, são os veículos autônomos”, disse Anderson. “Eles têm muitos sensores:lidar, radar, câmeras. Todos eles produzem grandes quantidades de dados e exigem tempos de resposta muito rápidos com latência extremamente baixa. Veículos autônomos precisam assimilar grandes quantidades de dados sobre seus arredores em tempo real e responder rapidamente.”

A comunicação entre um veículo e qualquer coisa ao seu redor, incluindo pedestres, outros carros e semáforos, é conhecida como V2X. Essa tecnologia permite que os veículos se comuniquem diretamente entre si para evitar colisões. Além disso, se um carro estiver se aproximando de um cruzamento e houver um semáforo e ambos estiverem conectados em 5G, o carro poderá se comunicar diretamente com o semáforo para entender seu status atual.

“Para implementar o 5G para veículos autônomos, um Departamento Estadual de Rodovias provavelmente abriria um contrato para uma operadora de telecomunicações (operadora de telecomunicações), porque você gostaria de alavancar suas torres de celular e sua infraestrutura de suporte”, disse Anderson. “Para altas taxas de dados e baixa latência, você precisaria de um mínimo de 1 GHz de largura de banda. E se você realmente deseja baixa latência, agora está falando na faixa de 25 a 27 GHz (faixa milimétrica), o que significa que você precisa de uma torre de celular a cada quarteirão de uma cidade. Nas áreas rurais, você provavelmente poderia fazer cerca de 5 quilômetros entre as torres.”

Como as atuais torres de celular de telecomunicações estão espaçadas em cerca de 20 milhas, muitas novas teriam que ser erguidas. As ondas milimétricas de 5G requerem aproximadamente cinco vezes mais células do que as faixas de frequência normais. A graça salvadora é que o tamanho de uma torre de celular de 25 GHz é muito menor do que as torres de celular de telecomunicações existentes.

“A realidade é que, a princípio, a banda de onda milimétrica será voltada para usos pessoais das pessoas, para que a infraestrutura seja implantada de qualquer maneira. Em seguida, o excesso de capacidade será vendido para a cidade ou para o estado para uso com veículos autônomos”, disse Anderson.

Logística

A logística pode se beneficiar de poder rastrear e localizar um grande número de veículos em tempo real. Isso seria uma bonança para os gerentes de frota. Muitas vezes, o rastreamento de pacotes equivale a recuperar informações retroativamente de um registrador de dados. No entanto, os sistemas de rastreamento de veículos em tempo real usam GPS e dados de celular para transmitir informações sobre localização e direção do movimento para uma estação de controle. Esses dados podem ser usados ​​para solucionar problemas de rotas ou otimizar as operações de logística. Os sistemas de rastreamento de veículos também podem enviar informações operacionais sobre o veículo, como níveis de combustível, pressão dos pneus, status de ignição e temperatura do motor, que podem ser usadas para agendar a manutenção. O uso de 5G nesse tipo de aplicativo também pode ser um aplicativo matador.

Em conclusão

A conclusão é que o 5G terá um impacto significativo tanto na IoT quanto na IIoT, mas isso se desenvolverá lentamente, alguns setores mais cedo e outros mais tarde. No geral, o cronograma para a integração significativa de 5G em aplicativos IoT/IIoT é da ordem de cinco a dez anos.

Este artigo foi escrito por Ed Brown, editor da Sensor Technology. Para mais informações, entre em contato com Ed em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo. ou visite aqui .