Come il 5G è destinato a rivoluzionare il controllo dei robot industriali del futuro

È la convergenza tra IT/OT il grande fattore abilitante per l’Industry 4.0

Il 5G offrirà un gran numero di nuovi servizi, accelerando la trasformazione digitale dell’industria

Di Pier Giuseppe Dal Farra, IoT Industry Business Expert di Orange Business Services

Le nuove tecniche radio 5G miglioreranno notevolmente le comunicazioni; ridotta latenza e affidabilità sono requisiti fondamentali per rispondere alle esigenze applicative espresse in ambito industriale.

  1. Comprendere le sfide della robotica in un ambiente industriale

Questo articolo è focalizzato sui robot che operano in ambiente industriale con una connessione wireless 5G.

Gli enti internazionali preposti alla standardizzazione, di concerto con gli esperti dei specifici settori (manifatturiero, etc.), hanno definito come di seguito i requisiti relativi al funzionamento di un robot con connessione wireless: latenza nella trasmissione dei pacchetti tra robot e stazione base inferiore a 1 millisecondo e probabilità di perdita di pacchetti inferiore a 10E-5 (una su centomila). Questi numeri sono chiaramente ottenibili con tecnologia Ethernet (cioè con il cablaggio), ma l’obiettivo per l’industria del futuro è quello di rimuovere tutti i cavi così da permettere una maggiore flessibilità e facilità nell’impiego dei robot.

Il Wi-Fi non garantisce i requisiti richiesti a causa di diversi fattori (interferenze, latenza non garantite, etc.) perciò Il 5G risulta senza dubbio la giusta soluzione wireless per la robotica industriale, in particolare in combinazione con soluzioni di edge computing.

  1. Una demo che mostra visivamente l’impatto del 5G nel controllo dei robot

Il video riportato di seguito presenta una rete mobile industriale che fornisce connettività 4G e 5G alternativamente ai robot e ne permette pertanto il confronto delle prestazioni. Per creare la demo è stato utilizzato un simulatore sviluppato appositamente per le comunicazioni a bassa latenza, quindi i valori di latenza ottenuti sono stati integrati in un modulo di visualizzazione 3D. Entrambi gli strumenti sono stati sviluppati presso gli Orange Labs.

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Come si può osservare, i robot operanti su rete 4G funzionano molto lentamente. Ciò rende impossibile lo svolgimento di compiti complessi con una diretta conseguenza sulla produttività globale. Al contrario, i robot operanti su rete 5G si muovono in modo fluido, veloce e perfettamente sincronizzato, così da consentire l’esecuzione di compiti complessi. Questo è possibile grazie all’utilizzo di blocchi tecnologici URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communication), come spiegato di seguito.

https://www.youtube.com/watch?v=um0GlM5qHhY#action=share

  1. Quali sono le tecniche a bassa latenza introdotte dal 5G?

La connettività mobile di nuova generazione sta introducendo importanti funzionalità che consentono di raggiungere latenze di comunicazione inferiori al millisecondo. Alcune di queste sono:

  • Maggiore distanza tra le portanti di frequenza (High Sub-Carrier Spacing – SCS)

Il 5G utilizza come riferimento la struttura del frame radio del 4G, che ha una durata di 10 millisecondi e contiene 10 slot da 1 millisecondo ciascuno. Nel 4G, la schedulazione viene eseguita sulla base di slot, il che significa che lo slot rappresenta la granularità minima all’interno della quale è possibile allocare una richiesta. Aumentare la distanza tra le portanti implica che in 1 millisecondo sarà possibile ospitare più slot.

Ad esempio, in un intervallo di 1 millisecondo è possibile trasmettere solo uno slot con SCS a 15KHz; ma 2 slot possono essere incapsulati se la distanza SCS viene aumentata a 30KHz, 4 slot con SCS a 60 KHz e persino 8 slot con SCS a 120 KHz. Il vantaggio principale nel disporre di più slot per sub-frame risiede nell’avere più opportunità per la schedulazione e, quindi, più possibilità di ritrasmissione, cruciale per aumentare l’affidabilità.

  • Uno slot più piccolo (con 7, 4 o 2 simboli)
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Nel 4G, la durata dello slot è fissata in 14 simboli. Nel 5G, è possibile configurare il numero di simboli riducendolo rispetto allo slot “standard” del 4G. Si ottengono così mini-slot di 2, 4 o 7 simboli. Un mini-slot può iniziare da qualsiasi simbolo senza attendere l’inizio di uno slot boundary. Pertanto, la funzionalità mini-slot supporta trasmissioni più brevi della durata dello slot standard consentendo di iniziare immediatamente le trasmissioni. Il mini slot è definito dai dati seguenti:

K -> identificativo dello slot

S -> identifica il simbolo iniziale relativo all’inizio dello slot

L -> identifica il numero di simboli consecutivi a partire S

  • Duplexing più flessibile con FDD e TDD

Nelle comunicazioni radio, quando viene trasmesso un pacchetto, è richiesta una risposta di acknowledgment. Nel 5G, la relazione temporale tra la ricezione dei dati e la trasmissione dell’acknowledgment è stata ottimizzata rispetto al 4G. Nel 4G, quando le informazioni vengono inviate nello slot n, l’acknowledgment per tali informazioni viene inviato solo nel subframe n + 4. Con il 5G, l’acknowledgment può essere trasmesso nel sub-frame n + 1, 2, 3 o 4; la scelta viene effettuata in base alla capacità di elaborazione disponibile e al carico di rete.

Le tre tecniche brevemente presentate, integrate negli standard 5G, permettono una riduzione della latenza e rispondono alle esigenze del settore robotico.

È chiaro che il 5G introduce miglioramenti tecnologici perfettamente in linea con le esigenze presenti  nell’Industria 4.0, e la sua implementazione segnerà un ulteriore passo nella direzione della rivoluzione industriale digitale.