Como o 5G Revolucionará IoT e IoT Industrial

Para descobrir sobre o impacto do serviço de banda larga móvel 5G no IoT/IIoT, entrevistei Jai Suri, Vice-Presidente de Desenvolvimento de Aplicações IoT e Blockchain da Oracle, e Mike Anderson, Arquiteto de Sistemas Embarcados e consultor na indústria aeroespacial. Perguntei a eles se estamos perto de levar o 5G à indústria ou se outras aplicações provavelmente virão primeiro. Segundo ambos, é complicado.

"O 5G foi projetado com casos de uso de IoT em seu núcleo, enquanto 4G e padrões anteriores foram projetados principalmente para voz e transferência de dados. Com 4G/LTE, downloads rápidos de dados permitiram streaming de conteúdo, e o 5G trará comunicação ultra-rápida, 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 a frequência, simplesmente significa que é a quinta geração de comunicações de banda larga móvel sem fio (Veja "Entendendo as Implicações do 5G Celular", Sensor Technology, Março 2020). E não é apenas uma frequência, ele cobre três bandas:

• Banda baixa: 600 – 850 MHz. Não é muito mais que o 4G atualmente disponível.

• Banda média: 2,5 – 3,7 GHz.

• Banda alta: 25 – 39 GHz. Sinais nesta faixa de frequência são geralmente chamados de ondas milimétricas e fornecem o desempenho extremo que muitos pensam quando pensam em 5G.

5G no IIoT

O Projeto de Parceria de Terceira Geração (3GPP) é uma organização internacional de padrões que desenvolve protocolos para telefonia móvel. Seu Release 15 focou no 5G para consumidores, enquanto o Release 16 atual muda o foco do consumidor para o IIoT e outros mercados industriais. A intenção é, ao longo do tempo, publicar padrões para desenvolvimento e implementação de um corpo crescente de aplicações 5G.

Os benefícios excepcionais do 5G de ondas milimétricas são alta velocidade, baixa latência, alto número de dispositivos conectados e alta confiabilidade. Com uma conexão sem fio 5G de ondas milimétricas, você obtém o tipo de desempenho que esperaria de um link com fio. E por causa de sua faixa de alta frequência, não é tipicamente suscetível a interferência elétrica de equipamentos próximos.

No entanto, os grandes problemas são que o 5G de ondas milimétricas pode ser bloqueado por uma janela e não penetra muito longe. Isso significa que você precisa ter muitas células 5G para 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, segundo Anderson.

Aplicações industriais tipicamente exigem alta confiabilidade e o 5G certamente pode entregá-la. Como Anderson explicou, "a confiabilidade atual da rede 4G é de 99,8%. Uma taxa de chamadas perdidas de 0,2% é considerada uma rede de telefone móvel carrier-grade super confiável. Mas o requisito de confiabilidade para aplicações industriais é tipicamente seis-9s (99,9999%). Redes 5G podem entregar esse nível de confiabilidade usando duplicação de células, uso inteligente do espectro de rádio e antenas MIMO massivas (multiple-in, multiple-out)."

Para trazer um sinal 5G de uma operadora para uma fábrica, uma antena que parece uma minitorre de celular 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 o prédio e pronto — é muito mais complicado. Dependendo da faixa de frequência, você pode não necessariamente conseguir ver o sinal do outro lado do prédio. Há vigas e todo tipo de coisa que absorverão o sinal. Então, você precisaria de múltiplas antenas. Quem estiver configurando a fábrica deve garantir que essas antenas tenham cobertura adequada dentro do prédio e que não haja pontos cegos.

Candidatos Principais 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 em uma base mais ou menos regular. Se você vai colocar muita tecnologia em um satélite e enviá-lo para 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 fazer upload. Para o gêmeo digital permanecer atualizado com a coisa real, uma grande quantidade de dados precisa ser transmitida em alta velocidade, o que é perfeito para 5G.

Realidade Virtual e Aumentada

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

"Estive em uma sala de treinamento para um navio, onde você vê apenas paredes em branco, mas quando 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 é permitir que técnicos de serviço — e especialmente técnicos terceirizados — realizem um trabalho de reparo de alta qualidade. A realidade aumentada poderia guiá-los por todo o processo de reparo, fornecendo um modelo prescritivo de manutenção para identificar o problema e sobrepondo visualmente animação 3D em um feed de vídeo ao vivo para mostrar a sequência de etapas a serem realizadas", disse Suri.

Manutenção Preditiva

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

Uma aplicação crítica é para motores ou geradores muito grandes que poderiam causar danos severos se falhassem ou poderiam interromper serviços importantes como geração de energia. Monitoramento em tempo real para equipamentos remotos, como monitoramento de compressores de gás na indústria de petróleo e gás, é outro caso de uso crítico, segundo Suri.

Outro exemplo: se você é uma empresa de HVAC vendendo unidades de telhado, quer 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 $3 – $5 por mês, então se eu tenho uma empresa vendendo HVACs de telhado e tenho 100.000 unidades implantadas, a despesa será muito significativa. E processar todos esses dados para obter informações úteis aumenta ainda mais a despesa operacional", disse Suri. "Se as organizações pudessem fornecer aos seus clientes insights 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 baseada no número de horas que estava rodando."

Edge Computing

A promessa do 5G de baixa latência, alta velocidade e alta confiabilidade permite edge computing aprimorado para fornecer aos engenheiros uma caixa de ferramentas expandida para projetar redes.

Edge computing é benéfico de várias maneiras:

• Com 5G, mais computação pode ser feita na borda porque a borda pode ser redefinida para incluir "nuvens locais". Anteriormente, computação de baixa latência tinha que ser feita em cada nó de sensor, enquanto computação menos sensível ao tempo podia ser atribuída a uma rede de nível empresarial ou à nuvem pública. Mas a quantidade de computação que podia ser feita nos nós de sensor era extremamente limitada devido a limitações práticas de tamanho físico e consumo de energia.

• Com conexões 5G, no entanto, dados de sensores remotos podem ser transmitidos sem fio para 'nuvens locais', consistindo de computadores off-the-shelf. Essas nuvens poderiam realizar computação de baixa latência, o que permite que a tomada de decisão seja movida para mais perto da fonte dos dados. Pacotes de informações significativas, em vez de dados brutos, poderiam então ser enviados para nuvens empresariais e públicas para processamento e armazenamento menos sensíveis ao tempo.

• Além disso, as organizações podem querer a capacidade de proteger dados sensíveis da exposição pública. Sistemas de borda poderiam processar dados na fonte e enviar apenas insights anonimizados e resumidos para a nuvem para processamento adicional.

Veículos Autônomos

"Onde acho que você verá o 5G como um killer app, é veículos autônomos", disse Anderson. "Eles têm muitos sensores neles: lidar, radar, câmeras. Todos produzem grandes quantidades de dados e requerem tempos de resposta muito rápidos com latência extremamente baixa. Veículos autônomos têm que assimilar grandes quantidades de dados sobre seus arredores em tempo real e responder rapidamente."

Comunicação entre um veículo e qualquer coisa em seus arredores, incluindo pedestres, outros carros e semáforos, é conhecida como V2X. Esta tecnologia permite que veículos se comuniquem diretamente uns com os outros para evasão de colisão. Além disso, se um carro está se aproximando de um cruzamento e há um semáforo e ambos estão conectados no 5G, o carro poderia se comunicar diretamente com o semáforo para entender seu status atual.

"Para implementar 5G para veículos autônomos, um Departamento de Rodovias Estadual provavelmente contrataria um provedor de telecomunicações (telco), porque você gostaria de aproveitar suas torres de celular e 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 quer baixa latência, agora está falando na faixa de 25 a 27 GHz (ondas milimétricas), o que significa que você precisa de uma torre de celular a cada quarteirão em uma cidade. Em áreas rurais, você provavelmente poderia fazer cerca de 5 quilômetros entre torres."

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

"A realidade é que, no início, a banda de ondas milimétricas será voltada para usos pessoais das pessoas, então essa infraestrutura será colocada de qualquer forma. Então, a capacidade excedente será vendida para a cidade ou para o estado para uso com veículos autônomos", disse Anderson.

Logística

Logística pode se beneficiar de poder rastrear e localizar grandes números de veículos em tempo real. Isso seria uma bonança para gerentes de frota. Tão frequentemente, rastrear pacotes se resumia a recuperar retroativamente informações de um data logger. No entanto, sistemas de rastreamento de veículos em tempo real usam GPS e dados celulares para transmitir informações sobre localização e direção de movimento para uma estação de controle. Esses dados podem ser usados para solucionar rotas ou otimizar operações de logística. 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 usados para agendar manutenção. O uso do 5G neste tipo de aplicação também poderia ser um killer app.

Conclusão

O resultado final é que o 5G terá um impacto significativo tanto no IoT quanto no IIoT, mas isso se desenvolverá lentamente, alguns setores antes e outros depois. No geral, o cronograma para integração significativa do 5G em aplicações IoT/IIoT é da ordem de cinco a dez anos.

Este artigo foi escrito por Ed Brown, Editor da Sensor Technology. Para mais informações, contate Ed em este endereço de e-mail ou visite aqui.