Applications pratiques de la 5G dans l'automatisation industrielle

Les communications sans fil sont devenues une composante essentielle aux communications pour l'automatisation industrielle. Aujourd'hui, la communication cellulaire de cinquième génération (5G) est largement présentée comme une technologie sans fil clé pour faire progresser la quatrième révolution industrielle, encore appelée Industrie 4.0 ou IIoT (Internet industriel des objets). Certaines sources suggèrent même que la 5G sera essentielle pour rendre les installations IoT grand public et non industrielles omniprésentes, en grande partie parce que la 5G facilite la connexion d'un nombre impressionnant de dispositifs, indépendamment de leur emplacement.

Figure 1 : Le projet de partenariat de troisième génération (3GPP) réunit des organismes de normalisation des télécommunications afin de rendre les technologies de télécommunications cellulaires aussi compatibles que possible entre elles et avec les versions précédentes. (Source du logo : 3GPP)

Mais la 5G remplacera-t-elle l'ensemble des normes sans fil actuellement en vigueur ? La 5G parviendra-t-elle à surpasser les technologies WiFi, Bluetooth et IEEE 802.15.4 dans les applications où ces autres technologies sont actuellement en pointe ? Ou la 5G est-elle simplement une technologie perfectionnée pour les quelques applications automatisées où les technologies cellulaires plus anciennes sont utilisées ? Quels sont les avantages de la 5G en termes de performances, et dans quelle mesure sont-ils déjà exploitables ?

Pour comprendre les réponses à ces questions, il faut d'abord se demander en quoi la 5G diffère des autres communications cellulaires et non cellulaires. La 5G, dont le déploiement est en cours pour les réseaux de téléphonie mobile et les réseaux industriels, s'appuie sur les générations précédentes 2G, 3G et 4G de la technologie cellulaire numérique. Il n'y a jamais eu de première génération, car le précurseur de la 2G était une technologie de téléphonie analogique sans fil ayant peu de choses en commun avec les réseaux actuels. Avec la 2G sont apparues les premières technologies numériques, ainsi que les communications téléphoniques et SMS cryptées. Les normes GSM (Global System for Mobile Communications) définissent les réseaux 2G à commutation de circuits permettant les appels vocaux en duplex intégral. Au fil des ans, les réseaux 2G ont été améliorés par le premier service GPRS (General Packet Radio Service), puis par le système EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Les systèmes GPRS et EDGE ont permis la transmission de paquets de données à usage général pour la connectivité Internet avec des débits de données croissants. C'est pourquoi, les réseaux dotés de ces capacités sont parfois appelés respectivement technologies 2.5G et 2.75G.

La 3G a encore amélioré les vitesses de transfert de données, ce qui a même permis les appels vidéo. Les normes associées incluent CDMA2000 et diverses formes d'accès par paquets haut débit (HSPA).

Puis vint la 4G avec des vitesses de transfert de données encore plus élevées grâce aux normes LTE (Long Term Evolution) et WiMax, qui utilisent des transmissions à entrées et sorties multiples (MIMO).

La 5G a succédé à la 4G, les premiers produits de réseau 5G disponibles dans le commerce ayant été commercialisés fin 2018. Pour une perspective historique sur les prémices de cette évolution, lisez cet article de DigiKey datant de 2016 qui explique comment la 5G va changer l'Internet industriel des objets. Ce qui intéresse les utilisateurs privés et commerciaux au plus haut point, c'est la manière dont les réseaux 5G doivent être capables de supporter des débits de données de plusieurs dizaines de Mb/s pour des dizaines de milliers d'utilisateurs. Ils doivent également être en mesure de fournir une connexion 1 Gb/s à des dizaines de personnes dans un bureau donné.

D'autres caractéristiques de la 5G concernent plus particulièrement les applications d'automatisation industrielle. Plus précisément, les réseaux 5G doivent permettre des centaines de milliers de connexions simultanées avec une latence très faible et une couverture très fiable. Ces fonctionnalités sont essentielles au déploiement massif de capteurs associé aux applications IIoT et de contrôle des machines.

Reportez-vous à cet article connexe de DigiKey : Les promesses de la 5G : exagération ou réalité

Spectre et communications de données à ondes millimétriques

Une réserve s'impose : la multiplication des dispositifs connectés sur les réseaux mobiles s'accompagne d'une menace de manque de disponibilité du spectre. En général, les bandes à plus basse fréquence offrent une plus grande portée tandis que les bandes à plus haute fréquence permettent un plus grand nombre de connexions dans une zone restreinte. Un exemple concret : La norme 1G AMPS fonctionnait dans la bande 800 MHz alors que la 2G GSM utilisait initialement 1900 MHz. De nombreux téléphones GSM prennent aujourd'hui en charge trois ou quatre bandes différentes pour permettre une utilisation internationale ... et les réseaux mobiles actuels fonctionnent entre 700 MHz et 2,6 GHz. Cependant, comme l'IoT augmente le nombre de dispositifs se connectant aux réseaux mobiles, le spectre disponible sur ces bandes de fréquences existantes diminue. C'est pourquoi la 5G a commencé à s'étendre à des fréquences plus élevées, comme 6 GHz, et même aux fréquences d'ondes millimétriques supérieures à 24 GHz, y compris 28 GHz et 38 GHz.

Figure 2 : Les interconnexions haute vitesse Sliver prennent en charge les débits de 25 Gbps et les applications 5G AAS, notamment la commutation et le routage dans les data centers et les télécommunications. (Source de l'image : TE Connectivity)

Les fréquences de communications en ondes millimétriques permettent une bande passante beaucoup plus large et un très grand nombre de connexions. Malheureusement, la transmission de données sur ces fréquences peut présenter une portée limitée et une dissipation spectaculaire lorsqu'elle traverse des objets solides. En fait, les communications en ondes millimétriques peuvent présenter une atténuation moindre que celles sur d'autres fréquences à travers l'air sec, mais ces communications sont fortement affectées par la pluie.

Une des solutions pour tirer parti de la meilleure largeur de bande de ces fréquences plus élevées (tout en évitant les problèmes de portée) réside dans la formation de faisceaux. Grâce à cette technique, un faisceau de communications focalisé est dirigé vers une cible spécifique, au lieu d'être simplement diffusé dans toutes les directions. La formation de faisceaux pourrait bientôt donner aux communications en ondes millimétriques la portée des fréquences inférieures plus couramment utilisées aujourd'hui, tout en réduisant les interférences dans les communications.

La norme 5G New Radio (NR) est en cours de création pour spécifier la technologie d'accès radio pour la 5G. Elle comprend deux gammes de fréquences. La gamme de fréquences 1 est inférieure à 6 GHz, tandis que la gamme de fréquences 2 se situe dans la plage d'ondes millimétriques de 24 GHz à 100 GHz.

Connectivité massive avec la 5G dans l'automatisation

L'augmentation de la fréquence dans le but d'obtenir davantage de spectre fera partie de la solution pour permettre la connectivité massive nécessaire pour réaliser pleinement les promesses de l'IoT, comme une densité de capteurs beaucoup plus importante. Il est donc probable que des améliorations immédiates soient apportées au nombre de dispositifs pouvant se connecter aux réseaux 5G au fur et à mesure de leur déploiement.

La 5G à ondes millimétriques est capable de gérer un million de connexions de dispositifs par kilomètre carré, mais elle a besoin de l'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT) pour y parvenir.

NB-IoT est une technologie basse consommation destinée à assurer une couverture en intérieur pour les dispositifs à faible coût et à basse consommation. La connectivité NB-IoT actuelle est loin d'atteindre le million de dispositifs, les cellules en prenant actuellement 10 000 en charge. LTE-M (Long Term Evolution for Machines) est une autre technologie basse consommation qui offre un débit de données plus élevé et une latence plus faible que NB-IoT, mais avec un coût de dispositif et une consommation d'énergie plus élevés. Une autre solution consiste à utiliser des cellules plus petites, notamment dans les zones à forte demande.

Latence de la 5G : valeurs publiées et performances réelles

La 5G est censée atteindre une latence inférieure à 1 ms ... mais cette spécification phare n'est la plupart du temps pas respectée. En effet, pour une basse consommation, la latence de la technologie NB-IoT est d'environ une seconde en couverture normale, et de plusieurs secondes pour une couverture étendue. Pour la technologie LTE-M, la latence est un peu meilleure, autour de 100 ms dans la plage normale, mais toujours loin des 1 ms nécessaires aux applications de contrôle en temps réel.

Figure 3 : Diverses formes de 5G ont été rapidement adoptées dans le monde. (Source de l'image : Design World)

Il est impossible d'obtenir une latence inférieure à 1 ms avec un réseau centralisé, car l'aller-retour peut prendre de 50 à 100 ms. La solution consiste à exécuter le traitement au sein de la cellule … mais cela nécessite des serveurs au niveau de la cellule. Il s'agit d'une simplification, car lorsque les dispositifs connectés se déplacent entre les cellules, comme dans les véhicules autonomes, la continuité du contrôle et de la coordination doit être maintenue. Cela exige en retour une combinaison de contrôle distribué et centralisé au sein du réseau. Les petites cellules peuvent également contribuer à réduire la latence.

Une autre méthode utilisée dans la 5G pour réduire la latence est connue sous le nom de découpage du réseau. Dans ce cas, la bande passante du réseau est divisée en voies qui peuvent être gérées individuellement, de manière à que certaines soient réservées aux transmissions à faible latence en réduisant le trafic sur ces voies. Les applications de contrôle industriel qui nécessitent cette fonctionnalité peuvent donc utiliser ces voies réservées.

Les réseaux 5G actuels atteignent une latence de moins de 30 ms, mais la valeur de 1 ms requise pour le contrôle en temps réel est loin d'être atteinte.

Autres avantages de la 5G : faible consommation d'énergie et haute fiabilité

L'utilisation de cellules plus petites réduit naturellement la consommation d'énergie, mais cette réduction est quelque peu neutralisée par le plus grand nombre de dispositifs. Une gestion plus intelligente de l'énergie permettra également de réduire la consommation d'énergie dans le réseau 5G. NB-IoT permet une durée de vie de la batterie supérieure à 10 ans pour de nombreux dispositifs, avec une portée de 10 km.

Autre avantage de la 5G : une couverture plus fiable. La 5G se déploie rapidement. Les réseaux NB-IoT et LTE-M sont déjà disponibles dans une grande partie du monde. La disponibilité de voies réservées à faible latence semble moins évidente à ce stade.

Connectivité sans fil non cellulaire alternative

Les technologies cellulaires 5G ne constituent pas le seul moyen de connecter sans fil les dispositifs industriels. Les alternatives incluent les technologies basées sur WiFi, Bluetooth et IEEE 802.15.4.

Le WiFi a une latence typique de 20 ms à 40 ms et présente des problèmes de stabilité de connexion, ce qui signifie qu'il n'est généralement pas utilisé pour les applications de contrôle et d'automatisation industrielle. Cependant, il est actuellement utilisé pour la surveillance de l'état des machines, les capteurs de mouvement et les lecteurs de codes-barres. La technologie IEEE 802.11ah (WiFi HaLow) fonctionne autour de 900 MHz pour des portées jusqu'à 1 km avec une très faible consommation d'énergie. Cela la rend compétitive par rapport aux technologies 5G spécifiques à l'IoT, même si elle ne peut pas rivaliser avec la faible latence et la haute densité de capteurs.

La technologie Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) offre une connectivité basse consommation à faible coût, avec une vitesse et une portée limitées, mais elle est destinée aux dispositifs grand public. Les technologies basées sur la norme IEEE 802.15.4 privilégient également le faible coût et la basse consommation par rapport à la vitesse et à la portée, avec à peine 250 kb/s et une portée de seulement 10 mètres. Toutefois, comme les topologies de réseau maillé sont prises en charge, les réseaux peuvent être étendus au-delà de 10 m, à condition qu'aucun dispositif ne se trouve à plus de 10 mètres d'un autre dispositif du réseau. De nombreux dispositifs IoT à faible coût utilisent des technologies telles que 6LoWPAN, WirelessHART et Zigbee. WirelessHART, la technologie la plus axée sur l'industrie, est soutenue par un large éventail d'organisations industrielles, dont ABB, Siemens, la Fieldbus Foundation et Profibus.

Conclusion

La 5G doit être considérée comme une famille de technologies. Des performances impressionnantes, notamment une bande passante très élevée, une densité massive de capteurs et une latence ultra-rapide, ne peuvent pas être apportées simultanément par une seule technologie. Cela signifie que les implémentations 5G les plus importantes en matière d'automatisation industrielle ne se concrétiseront pas simplement lorsque les services de réseau mobile 5G deviendront omniprésents. La haute densité de capteurs des installations automatisées nécessitera des technologies spécifiques à l'IoT, telles que NB-IoT et LTE-M. La bonne nouvelle, c'est que ces technologies sont déjà en cours d'introduction et qu'elles sont de plus en plus disponibles dans le monde développé, ainsi que dans le monde en développement. Les ingénieurs peuvent s'attendre à une augmentation constante des capacités des réseaux 5G dans les années à venir.

Vidéo : Que peut-on attendre de la 5G ?

L'utilisation de la 5G pour les applications de contrôle nécessitant une très faible latence reste encore très éloignée. Les technologies basse consommation telles que NB-IoT et LTE-M 5G (et notamment les adaptations spécifiques à l'IoT) joueront un rôle important dans la mise en œuvre de l'Industrie 4.0, en rendant les machines plus intelligentes, les usines plus flexibles et les processus moins coûteux. Bien entendu, la 5G restera en concurrence avec les technologies non cellulaires WiFi, Bluetooth et IEEE 802.15.4. En fin de compte, tout cela favorisera une plus grande productivité de l'automatisation.

En bref, la 5G et d'autres formes de connectivité sans fil sécurisée et flexible permettront d'atteindre la densité de capteurs nécessaire à l'analyse des big data afin de caractériser pleinement les processus de production, d'optimiser les programmes de maintenance, de coordonner les flux de matériaux et de permettre la collaboration de robots autonomes.