5G para la nueva industria conectada

El enorme éxito de las tecnologías inalámbricas en la electrónica de consumo hace que, cada vez, estén cobrando mayor relevancia en el mundo industrial. Conceptos como el Internet de las Cosas aplicado a la industria (IIoT) han impulsado las aplicaciones industriales donde las comunicaciones inalámbricas son ampliamente utilizadas dentro del sistema productivo. Tecnologías como WiFi, Trusted Wireless, Bluetooth, Zigbee o WirelessHART comienzan a consolidarse en la industria.

En entornos cableados, los tiempos y la fiabilidad de la red están asegurados para los dispositivos de campo. Sin embargo, cuando se introducen tecnologías inalámbricas, asegurar estos requisitos es mucho más complicado debido a las adversidades del medio de propagación. De hecho, las soluciones inalámbricas actualmente desplegadas (las cuales son típicamente WLAN usando una banda sin licencia) constituyen solo un pequeño fragmento del conjunto productivo y principalmente juegan el papel de conectar sensores para los que los requisitos de comunicación no son críticos.

Por ello, en este artículo se presenta una tecnología inalámbrica que cumple con dichos requisitos y que podría impulsar definitivamente el crecimiento de la industria 4.0: el 5G.

¿Qué es la tecnología 5G?

5G hace referencia popularmente a la 5ª generación de la tecnología usada en comunicaciones móviles, por lo que no es un término nuevo como tal sino una evolución directa del actual 4G/LTE.

Diseñado para proveer de una mayor capacidad de usuarios, mayores velocidades de transmisión y una muy baja latencia de red comparado con sus predecesores, su enorme fiabilidad permitirá la creación de nuevos servicios innovadores a lo largo de los diferentes sectores de la industria.

Los beneficios que aporta el 5G son numerosos:

• Mayores velocidades. El uso del 5G supone un aumento de la velocidad de transmisión de hasta 100 veces mayor con respecto a su predecesor.
• Menor latencia. Esta tecnología supondrá una reducción importante de la latencia con respecto a su predecesora. Mientras que con el 4G normalmente se obtienen unos 40-50 milisegundos, con el 5G se obtendrá 1 milisegundo o incluso menos.
• Mayor capacidad. El 5G tendrá mucha más capacidad, lo que significa que podrá soportar más dispositivos conectados al mismo tiempo.
• Fiabilidad. Se espera que esta tecnología sea muy fiable, lo que posibilitaría su uso para aplicaciones críticas como cirugías por control remoto o para el control de procesos.
• Flexibilidad. El 5G permitiría dividir una red física en múltiples redes lógicas donde el operador pudiera emplear la más conveniente dependiendo de la aplicación.
• Eficiencia. Se dice que el 5G es la tecnología que finalmente impulsará el Internet de las Cosas (IoT). Este hecho se ve reforzado por el bajo consumo de esta tecnología, lo que permitiría su utilización en dispositivos pequeños y aislados.

El 5G aplicado a SCI

Una de las principales diferencias entre el 5G y las generaciones anteriores reside en el fuerte enfoque en la comunicación de tipo máquina y en el Internet de las cosas (IoT). Además, tiene el potencial de proveer conectividad inalámbrica para un gran rango de diferentes aplicaciones industriales. A largo plazo, se prevé que permitirá la convergencia de las diferentes tecnologías de comunicación utilizadas en la actualidad, reduciendo así el número de soluciones de conectividad industrial relevantes, como las anteriormente mencionadas.

- Las 3 características más importantes del 5G. Fuente: Siemens -

Sus áreas de aplicación más interesantes pueden ir desde la logística e inventariado, pasando por robótica y aplicaciones de control de movimiento, hasta operaciones de control y localización de dispositivos y piezas.

El mundo industrial tiene requisitos específicos de 5G que difieren significativamente de los servicios de banda ancha móvil (MBB, por sus siglas en inglés). Entre ellos se encuentran:

• URLLC (Ultra-reliable low-latency communication). Con el fin de poder cumplir con los requisitos de fiabilidad y latencia que requieren los procesos del mundo industrial, el 5G NR (New Radio), en su revisión 16, busca conseguir este objetivo, prometiendo fiabilidades de hasta el 99,9999% y latencias de en torno a 0,5 - 1 milisegundo. Para cumplir con los requisitos de disponibilidad y latencia se utilizan técnicas multiantena y de planificación de paquetes más optimizadas y rápidas, transmisiones más cortas y robustas, así como repeticiones o retransmisiones más rápidas, entre otras.
• Espectro licenciado para el control de las interferencias. La disponibilidad de los recursos del espectro utilizado para las comunicaciones es clave para conseguir los requisitos de capacidad, velocidad de transmisión y latencia. Por ello, con el fin de poder proveer de unos niveles de servicio predecibles, deterministas y fiables a nivel de planta, los recursos del espectro deben ser gestionados de forma cuidadosa. Para aplicaciones críticas, debe haber garantías contra posibles interferencias no controladas, lo que implica la utilización de un espectro con licencia.

- Aspectos de latencia y fiabilidad en la elección del espectro y la tecnología. Fuente: Ericsson -

Tal y como se muestra en la figura superior, tecnologías inalámbricas que utilizan una banda de espectro no licenciada, como WiFi o MultiFire, no son capaces de garantizar una latencia baja controlada con una alta fiabilidad conforme la carga aumenta. Sin embargo, resulta factible utilizarlas en aplicaciones menos críticas, tal y como se llevan utilizando hasta ahora.

• Integración con Ethernet industrial y TSN (Time-Sensitive Networking). El 5G permite que su inclusión en las cadenas de producción sea gradual, empezando por aquellas zonas donde resulte más ventajosa su utilización. Con el tiempo, más dispositivos de campo podrán ser integrados con el 5G a medida que se vayan introduciendo nuevas capacidades en el futuro. No obstante, la necesidad de una conectividad inalámbrica podría no ser prominente para algunas partes de la línea de producción, por lo que habrá redes 5G que requerirán integración con las redes LAN cableadas. Puesto que el tráfico Ethernet es necesario, en la versión 15 del estándar 5G NR se ha incluido esta capacidad. Además, como parte de la transformación industrial actual, la comunicación cableada de las redes industriales está evolucionando hacia un estándar común: Ethernet con soporte para TSN, extensión del estándar IEEE 802.3 que permite proveer de una latencia determinista sin pérdidas de congestión para tráfico prioritario en una red Ethernet donde también se transporta tráfico con prioridades más bajas. La versión 16 del estándar 5G NR también incluye esta capacidad.
• Mantener el sistema en local. Muchas empresas del mundo industrial requieren un control total sobre las comunicaciones de sus sistemas TO más críticos (es decir, independiente de terceros), con el objetivo de cumplir con los requisitos de disponibilidad. El 5G permite cumplir con estas exigencias, manteniendo la monitorización y gestión de la solución de comunicación, así como los datos relativos a la producción dentro de las instalaciones, ya sea por motivos de seguridad o de disponibilidad. Asimismo, garantiza la disponibilidad de la solución de conectividad independientemente de los factores externos que puedan ocurrir.
• Mejoras en la seguridad. La seguridad en las redes móviles ha ido madurando con cada generación, permitiendo servicios de comunicación confidenciales, la privacidad del usuario, la autenticación de los usuarios para el acceso a red y la autenticación en la red, de tal manera que los usuarios sepan que están conectados a una red legítima. Para abordar los nuevos casos de uso y la evolución constante de las amenazas, el 5G incluye nuevas características de seguridad que benefician a las implementaciones industriales. Entre estas se encuentran:
  • Mejoras en la confidencialidad del plano de usuario, conseguido con el cifrado de las comunicaciones a través del sistema 5G.
  • Autenticación de dispositivos mediante el uso de SIM o de un certificado.
  • Prevención de ataques al IMSI (International Mobile Suscriber Identity), puesto que el identificador nunca se transmite a través de la red en texto claro.
  • Capacidades de segmentación virtual de una misma red 5G física. Esto permitiría aislar distintas zonas de seguridad según su grado de criticidad, requisito indispensable en el dominio TO.
• Redes 5G privadas. La tecnología detrás de las redes móviles casi siempre es desplegada y operada por un operador licenciado y público. Las redes privadas impulsadas por el 5G son un gran cambio a esta estructura. Respecto al despliegue físico, el término red privada hace referencia a las redes con equipamiento de core, radio y transmisión dedicadas a la empresa y, por lo tanto, bajo su control. Esto generalmente significa que el equipamiento será desplegado en las instalaciones del cliente, sin importar quién sea el que realice su mantenimiento diario. Disponer de equipamiento dedicado es realmente importante para sistemas de producción TO, ya que posibles apagones, degradaciones del servicio o incidentes de seguridad pueden tener un impacto económico muy alto para el propietario y, en algunos casos, incluso de seguridad personal. Existen dos métodos básicos de redes 5G privadas que se espera que sean adoptadas en el mercado: redes privadas sin dependencias de un operador público licenciado y redes privadas integradas en redes públicas.
• Otras funcionalidades de interés, que podrían ser de utilidad en varios casos de uso del mundo industrial, son:
  • Posicionamiento: se incluyó en la versión 16 del estándar y su objetivo es conseguir un posicionamiento en interiores con una precisión por debajo de 3 metros.
  • Sincronización de tiempos entre dispositivos: también presente en la versión 16, es un nuevo requisito, por el cual el 5G sería capaz de sincronizar los dispositivos con un reloj maestro de uno o más dominios de tiempo. Una razón de esto es que varias aplicaciones industriales requieren acciones sincronizadas en tiempo en múltiples máquinas. El estándar permitiría a una estación base el proveer una referencia precisa de tiempo a los dispositivos con una precisión por debajo del microsegundo. Esta capacidad está directamente relacionada con la integración del 5G con TSN.

- Esquema de industria conectada con 5G. Fuente: 5G-ACIA -

Conclusión

Como hemos podido ver en este artículo, el 5G parece ser la tecnología elegida para hacer finalmente posible la industria 4.0 en su definición más pura. Las numerosas capacidades de las que dispone la hacen adecuada para esta tarea: latencias muy bajas, segmentación virtual de las redes, posicionamiento preciso o integración con protocolos industriales, entre otras. Sin embargo, no todo son ventajas. La dificultad técnica acarreada en su desarrollo ha incrementado el coste de despliegue de esta tecnología, además de que es necesario contar con un dispositivo compatible, quedando los anteriores obsoletos. Pese a que España es uno de los países pioneros en la implementación del 5G aplicado a banda ancha móvil, está siendo desplegada en su versión NSA (Non-Stand-Alone); es decir, aún precisa del 4G para funcionar, por lo que aún quedan dos o tres años más hasta que finalmente podamos verlo en su máxima expresión y con todas las capacidades.