Figura 1: Distribuzione dei protocolli IoT degli operatori di rete mobile a livello globale al 2018.

Sebbene la connettività wireless nel settore manifatturiero rientri raramente nell'elenco delle priorità tecnologiche, la sua natura invisibile e pervasiva ha consentito innumerevoli innovazioni e miglioramenti della produttività. È l'infrastruttura fondamentale per molte tendenze tecnologiche chiave individuata dai principali produttori per far incontrare il mondo digitale e quello fisico, come la robotica, l'Internet delle cose (IoT) e la realtà aumentata/virtuale.

Utilizzando la connettività sia cablata sia non cablata per sensori, macchine e piattaforme, i sistemi complessi e automatizzati dei processi industriali si evolvono continuamente. I sistemi che producono quantità massicce di dati, abbinati ad analisi, apprendimento automatico e intelligenza artificiale, sono in grado di aumentare drasticamente la produttività, ridurre i tempi di inattività e portare a sistemi che si migliorano da soli.

Una connettività pervasiva va anche a vantaggio dei requisiti aziendali più delicati, per consentire una migliore integrazione dei singoli con macchine, clienti, fornitori e gruppi di lavoro. La connettività wireless è un presupposto indispensabile per reclutare e trattenere una forza lavoro più mobile, distribuita e giovane. Per apprezzarne l'impatto, basta guardare indietro al 29 giugno 2007, quando è stato rilasciato il primo iPhone, e poi andare avanti velocemente fino alla data attuale, in cui smartphone e tablet sono strumenti essenziali per lavorare. La nascita dello smartphone e la creazione delle reti 4G LTE (Long Term Evolution) sono considerate la prima fase della tecnologia di connettività mobile nello spazio produttivo.

La seconda fase di questa tecnologia è all'orizzonte. Le sue capacità e tendenze avranno un impatto sui produttori, poiché le persone, i processi e gli oggetti diventeranno ancora più mobili. Ciò non esclude le reti Wi-Fi, che sono perfette per le connessioni in postazione fissa con utenti e dispositivi noti. Nella transizione verso il 5G, il Wi-Fi e altri spettri senza licenza lavoreranno di concerto con la tecnologia di connettività mobile come parte del portafoglio di connettività wireless.

Tendenza n. 1: Internet delle Cose. Le reti mobili 4G LTE e i loro predecessori 3G e 2G hanno sempre supportato la connettività IoT. In genere utilizzano una connessione simile a quella di un telefono cellulare e supportano velocità di banda più elevate, ma a scapito del costo, del consumo energetico e della concorrenza in termini di larghezza di banda. Con la maturazione dei sistemi IoT per le applicazioni industriali, la tecnologia mobile si è evoluta per supportare protocolli di connettività a bassa larghezza di banda e a basso consumo per sensori e dispositivi. La maggior parte degli operatori di rete mobile (MNO) ora supporta almeno uno dei nuovi protocolli IoT mobile sulle proprie reti.

Basati sulla tecnologia LTE, questi protocolli possono fornire lo stesso livello di sicurezza, mobilità e affidabilità prevista per le reti cellulari. Con il nome di CAT-M1 (Category Machine One) o NB-IoT (NarrowBand IoT), funzionano sulle bande cellulari esistenti, sia all'interno di un impianto di produzione sia all'esterno sulle reti macrocellulari. Questi protocolli sono ottimizzati per ridurre il consumo di energia, la complessità e la larghezza di banda richiesta da un sensore o da un dispositivo, e consentono un'implementazione con batterie di lunga durata a un prezzo inferiore.

I nuovi protocolli IoT sono perfetti per il tracciamento delle risorse, le piattaforme mobili, la robotica e i sensori remoti. Negli ultimi due anni gli operatori di rete mobile hanno implementato reti nazionali con questi protocolli IoT e ogni anno si aggiungono altri Paesi (Figure 1).²

Tendenza n. 2: Servizi mobili on-premise.Trend No. 2: On-premise Mobile Services. Storicamente, la connettività mobile era appannaggio dell'ambiente esterno ovvero della cosiddetta macrorete, comprendente torri cellulari e tetti esterni. Oggi si registra un aumento delle installazioni all'interno degli edifici a causa di una combinazione di fattori, tra cui:

• Aumento della domanda interna (l'80% di tutti i minuti di telefonia cellulare avviene all'intern³)
• Frequenze radio più elevate utilizzate dagli MNO (che riducono la penetrazione negli edifici e l'area di copertura)
• Materiali da costruzione ad alta efficienza energetica che riducono la penetrazione dei segnali esterni
• Crescente numero di edifici certificati LEED® (Leadership in Energy and Environmental Design)
• "Densificazione" del numero di sedi cellulari, che si traduce in una riduzione della potenza e dell'altezza delle antenne
• Opzioni per stazioni base e radio mobili incentrate sull'IT e sul software all'interno del centro dati
• Mobile edge computing (MEC) e offloading locale dei dati

L'industria della telefonia mobile sta rispondendo a questa sfida con nuovi sistemi progettati per fornire connettività mobile all'interno di edifici e locali. Questi sistemi spaziano da (Figure 2):

• Sistemi di antenne distribuite (DAS), di solito installati all'interno di stadi ad alta capacità, grattacieli, campus e grandi impianti produttivi. Il DAS riceve una sorgente di segnale da uno o più operatori di rete mobile in un headend e, come indica il nome, distribuisce il segnale su molte antenne.
• I sistemi radio distribuiti (DRS) dispongono di più punti di accesso radio con uno o più MNO dislocati all'interno della struttura, tipicamente adatti a edifici di medie dimensioni e a siti produttivi.
• Le small cell (SC), collegate alla rete IT aziendale, di solito con un unico fornitore MNO, supportano un numero limitato di utenti. Funzionano al meglio per le sedi più piccole.

Tendenza n. 3: LTE privato. Insieme alla tendenza verso l'infrastruttura mobile in loco, ora un'azienda può gestire la propria rete LTE come un MNO sia per i servizi telefonici sia per i dispositivi. Senza collegamenti alla rete esterna, il sistema LTE privato è, come dice il nome, a uso esclusivo e controllato dell'azienda. Spesso implementato utilizzando la stessa rete di distribuzione di un sistema DAS o DRS per il servizio commerciale MNO, fornisce un supporto locale per il controllo delle macchine e per le comunicazioni voce e dati degli utenti interni.

 Figura 2: Metodi di implementazione all'interno degli edifici.

Un sistema backend per il controllo, la gestione e la gestione di utenti e dispositivi (chiamato EPC, Enhanced Packet Core) viene implementato localmente come versione in miniatura di quanto gli MNO integrano nel core delle proprie reti. Come la rete mobile commerciale, un sistema privato offre tutti i vantaggi di sicurezza end-to-end, spettro dedicato e uso di dispositivi finali disponibili in commercio. Telefoni, sensori e dispositivi degli utenti possono avere una connessione dedicata al sistema LTE privato o una doppia registrazione sia alla rete privata sia a quella commerciale. Quest'ultima soluzione offre il geofencing in loco per le comunicazioni sul sistema privato senza perdita di connettività all'esterno dell'organizzazione

Figura 3: Servizi LTE privati per uso aziendale e industriale.

Tendenza n. 4: Spettro condiviso, CBRS. Frutto di un'iniziativa congiunta del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, della Federal Communications Commission (FCC) e del settore della telefonia mobile, Dall'inizio del 2019 è disponibile lo spettro CBRS (Citizens Band Radio Service), un nuovo spettro wireless che le aziende possono utilizzare e a cui daranno priorità per uso industriale. Il CBRS è autorizzato dalla normativa FCC Parte 96, rilasciata nel 2016, per le frequenze da 3,55-GHz a 3,70-GHz. Con una profondità di spettro di 150 MHz, equivale alla media delle bande con licenza dei quattro principali MNO statunitensi, o a quanto è disponibile nelle bande senza licenza e spesso congestionate a 2,4-GHz e 5-GHz disponibili per il Wi-Fi (Figure 4).

Figura 4: Profondità dello spettro mediante tecnologia wireless

Il CBRS è conosciuto e pensato come una banda "innovativa", in cui aziende e sedi possono concedere liberamente licenze o assegnare priorità allo spettro rispetto ad altri utenti. Non è dedicato a nessun protocollo e può supportare contemporaneamente LTE, servizi dati o protocolli proprietari. Abbinato alle tendenze 2 e 3, può fornire alle aziende i mezzi per possedere e controllare tutti gli aspetti della connettività mobile per uso industriale.

Le aziende manifatturiere possono utilizzare gratuitamente il livello 3 a più bassa priorità da 80 MHz a 150 MHz, chiamato accesso generale autorizzato. La posizione dei punti di accesso deve essere registrata presso la FCC e l'uso dei singoli canali a 10 MHz è concesso da una rete di controllo nazionale, in modo da non entrare in conflitto con gli utenti governativi esistenti o con altri utenti prioritari. Se l'organizzazione desidera avere un accesso dedicato e di priorità superiore, può acquistare o ottenere una licenza di accesso prioritario per il proprio utilizzo di un massimo di quattro canali a 10 MHz (N.B:: 10 MHz possono fornire fino a 100 Mbps di capacità, come regola generale). Le installazioni produttive non vicine alla costa statunitense o a uno dei siti governativi fissi noti, probabilmente non saranno mai occupate da utenti prioritari di livello 1 (Figure 5).

Figura 5: Priorità dello spettro per il CBRS condiviso.

A differenza dello spettro pubblico o senza licenza utilizzato dal Wi-Fi, il CBRS consente agli impianti di produzione di possedere e controllare uno spettro dedicato. È l'ideale per i processi di produzione mission critical e che richiedono elevata affidabilità e prevedibilità o bassa latenza.

Tendenza n. 5: 5G.Trend No. 5: 5G. È impossibile non sentire parlare di 5G dalla stampa e dai media, ma è difficile capire cosa significhi per la produzione. Si tratta di un insieme eterogeneo di iniziative tecnologiche con significativi investimenti, supporto e innovazione da parte del settore della comunicazione. Tuttavia, le prime fasi di promozione e sensibilizzazione possono , dissimulare le potenzialità per gli utenti finali. Il 5G non è solo un oggetto o una tecnologia. Si tratta piuttosto di un insieme di tecnologie di rete 4G, sia nuove che di evoluzione, focalizzate su tre obiettivi:

1. Aumento della velocità e della capacità della banda larga.
2. Abilitazione di un numero enorme di dispositivi.
3. Supporto per applicazioni mission-critical e a bassa latenza.

Questi obiettivi sono fortemente allineati con i requisiti delle tecnologie trasformative previste per la produzione.

Per raggiungere questi obiettivi, l'industria delle comunicazioni ha fissato diversi obiettivi prestazionali per l'evoluzione del 5G, come una latenza inferiore a 1 millisecondo, 1 Gbps come standard, fino a 20 Gbps come velocità di picco e il 90% in meno di utilizzo dell'energia di rete. Il settore sta lavorando allo sviluppo e alla diffusione di numerose tecnologie e standard per realizzare questi obiettivi, ad esempio per rendere i componenti tecnologici della rete mobile più incentrati sull'IT, utilizzare hardware disponibile in commercio, abilitare le funzioni di rete tramite software ed effettuare l'implementazione più vicino al bordo della rete. Con la maggior parte delle tecnologie e degli standard 5G, la compatibilità e l'interoperabilità con le reti 4G è una necessità a causa della pervasività dei dispositivi 4G. Alcune funzionalità del 5G sono già in fase di implementazione sulle reti 4G.

Nel momento in cui i produttori intendono investire nell'infrastruttura di connettività mobile, devono valutare e dare priorità alle tecnologie specifiche della gamma 5G in linea con le relative esigenze attuali e future. È probabile che l'infrastruttura 4G esistente possa essere migliorata per fornire le funzionalità richieste dalle iniziative 5G. L'ecosistema end-to-end completo di dispositivi, reti e funzionalità esclusivamente 5G richiederà anni per arrivare a compimento. I produttori potrebbero mettere inutilmente a rischio un vantaggio competitivo, preziose possibilità di apprendimento e lunghi tempi di implementazione aspettando il 5G.

L'insieme delle tecnologie 5G ben si adatta all'ambiente manifatturiero. Una delle tecnologie fondamentali del 5G è l'aggiunta di uno spettro a frequenza più elevata che fornisce bassa latenza, elevata larghezza di banda e localizzazione dalle caratteristiche di propagazione. Queste frequenze sono perfette per le operazioni basate su macchine e i processi di precisione in un ambiente ad alta densità, come quello di una fabbrica. Uno spettro più elevato funzionerà con le bande di spettro esistenti con e senza licenza, consentendo un uso simultaneo specializzato, combinato o generale. Il 5G integrerà nel sistema di connettività anche l'edge computing e l'intelligence per poter fornire l'integrazione delle risorse di connettività e il funzionamento con altri processi e necessità di produzione.

Che si tratti di tecnologia cablata, Wi-Fi o mobile, la connettività rappresenta una base per la quarta fase di tecnologia industriale che raccoglie, aggrega, analizza e infine fornisce risultati automatizzati, assistiti, predittivi e prescrittivi a persone e processi. Man mano che l'infrastruttura di fabbrica e la forza lavoro diventano più mobili, è necessaria un'infrastruttura wireless sicura e affidabile, come quella offerta dal passaggio dal 4G al 5G. Le dinamiche e la competitività della produzione globale e delle catene di fornitura richiedono che i dispositivi operino in armonia con la connettività al di fuori della struttura, che si adattino in modo esponenziale e che possano essere facilmente gestiti dall'azienda. Fortunatamente, le tendenze della tecnologia e dell'infrastruttura per le reti mobili si stanno spostando verso l'edge della rete e stanno diventando più facili da gestire e integrare nella rete IT dello stabilimento. La pervasività, la familiarità e l'aspettativa della connettività mobile sono fondamentali anche per il modo in cui le persone lavoreranno per integrarsi con i progressi dei processi produttivi, indipendentemente da altri metodi di connessione dei sensori o delle macchine.