Il 5G ha tutto ciò di cui le future fabbriche intelligenti hanno bisogno per la connettività wireless, con i test di rete che sono essenziali.
La Release 15 di 3GPP ha standardizzato la tecnologia 5G ed è la base delle attuali reti 5G. Dalla Release 16, sono previsti significativi miglioramenti in termini di latenza, sincronizzazione e integrazione della rete Industrial Ethernet, con la 5G Automotive Association (5GAA) e la 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) che hanno svolto un ruolo importante nella definizione degli standard. Il rilascio della nuova release aiuta il 5G ad evolversi in una tecnologia adatta a soddisfare i requisiti delle fabbriche intelligenti (Industria 4.0). Questi requisiti sono caratterizzati dal controllo in tempo reale basato sui dati di tutti i processi e dalla riconfigurazione rapida e flessibile delle linee di produzione.
La piena connettività di macchine, persone, impianti, logistica e prodotti è possibile solo con la tecnologia wireless. I collegamenti wireless veloci basati su 5G costituiranno il sistema nervoso che coordinerà la complessa struttura della fabbrica. Anche una breve interruzione del flusso di dati può avere gravi conseguenze e costi elevati, il che significa che la rete wireless deve essere progettata, configurata e monitorata con grande attenzione. Il processo richiede diverse fasi (incluso il test), come descritto di seguito.
KPI vitali per le reti mobili nelle fabbriche connesse
Una fabbrica intelligente è un ambiente critico che deve soddisfare severi requisiti di connettività e affidabilità delle macchine, nonché sicurezza dei dati e sicurezza umana, soprattutto se la connettività è fornita da tecnologie wireless.
La ridondanza è un modo collaudato per aumentare l’affidabilità. Ogni luogo in una fabbrica intelligente deve essere servito da almeno quattro punti di accesso wireless. I test in loco sono l’unico modo per verificare l’esistenza degli accessi, non solo al momento dell’installazione, ma dopo ogni riconfigurazione dei macchinari o modifica del layout dell’edificio, poiché i cambiamenti strutturali possono influire sulle condizioni di propagazione delle onde radio.
Un’affidabile accessibilità wireless, onnipresente, è necessaria ma non sufficiente per un funzionamento esente da problemi. Un altro requisito sono le prestazioni, misurate non solo nel throughput di dati ottenibile, ma anche, e spesso più importante, riguardanti la latenza, ovvero il tempo necessario affinché un segnale passi attraverso il sistema. Le latenze delle precedenti tecnologie di comunicazione mobile, fino al 4G incluso, non erano sufficienti per soddisfare i requisiti di controllo in tempo reale. Questo non è più vero per il 5G, che ha latenze di pochi millisecondi.
La latenza si presenta in due forme: round-trip (andata e ritorno) e one-way (unidirezionale) come indicato in Fig. 1. I casi d’uso della realtà aumentata o virtuale richiedono una breve latenza di andata e ritorno per aggiornamenti molto rapidi del contenuto dell’immagine quando le persone che indossano occhiali AR/VR muovono la testa, per mantenere i dati aggregati coerenti con l’immagine live.
Fig. 1: La latenza unidirezionale è il ritardo del segnale dal trasmettitore al ricevitore (immagine in alto), mentre la latenza di andata e ritorno include il tempo di risposta del ricevitore e il ritardo di ritorno.
Al contrario, il controllo in tempo reale di una macchina connessa richiede una bassa latenza unidirezionale. I comandi di controllo, ad esempio un comando di arresto per un robot, devono portare ad un’azione immediata.
Le cinque fasi del test di rete
Quando si pianifica una fabbrica nel suo insieme, le reti wireless vengono implementate in step successivi, basati su un piano di test in cinque fasi. La Fig. 2 mostra le prime quattro fasi per verificare che la rete soddisfi severi requisiti di affidabilità e prestazioni.
Fig. 2: Fasi di test di rete da 1 a 4 – dalla preparazione del rollout al monitoraggio della qualità del servizio 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Fase 1: preparazione al lancio
In Germania e in alcuni altri paesi, esistono frequenze 5G riservate ai campus o alle aziende private e i proprietari degli impianti produttivi possono richiedere l’abilitazione per l’utilizzo di queste frequenze. La configurazione e la messa in opera della rete possono essere organizzati internamente, ma di solito vengono eseguiti dai fornitori di servizi. Nei paesi senza frequenze di campus dedicate, la connettività in fabbrica comporta la prenotazione di risorse da un importante operatore di rete, che a sua volta consolida la propria rete intorno alla fabbrica o installa stazioni base aggiuntive nella fabbrica per soddisfare le richieste.
Se la rete privata utilizza le bande di frequenza riservate, lo spettro necessita di un primo controllo per le interferenze. L’esperienza mostra che questa verifica non può essere data per scontata, anche con uno spettro appena assegnato e precedentemente inutilizzato. Gli scanner di rete Rohde&Schwarz TSMx6, gli analizzatori di spettro portatili R&S FPH / R&S FSH e i ricevitori di test portatili R&S MNT100 / R&S PR200 eseguono le misurazioni necessarie.
Fase 2: test di accettazione del sito
La seconda fase prevede il test e la convalida delle stazioni base di nuova implementazione. Ciò include semplici test funzionali come test di download/upload, misurazioni della latenza di andata e ritorno, analisi dello spettro RF over-the-air (OTA) e decodifica del segnale per verificare i dati PCI, SSB e SIB per i segnali di ancoraggio 5G e LTE.
La decodifica del segnale aiuta anche a risolvere i problemi di parametri specifici in caso di problemi o risultati imprevisti.
La gamma di prodotti Rohde & Schwarz ha gli strumenti giusti per questi compiti. QualiPoc Android è un software di misurazione basato su smartphone e valuta il servizio di rete mobile dal punto di vista dell’utente con test funzionali (DL, UL, ping/TWAMP). L’analizzatore di spettro portatile R&S Spectrum Rider FPH è ideale per le misurazioni dello spettro OTA, mentre la soluzione di test in loco R&S 5G fornisce una panoramica completa della situazione della rete mobile che consente una rapida identificazione di eventuali punti deboli o aree problematiche.
Fase 3: copertura e test delle prestazioni
Ora arriva la vera prova. L’obiettivo è assicurarsi che la rete fornisca le prestazioni richieste in tutto lo stabilimento.
Gli scanner di rete R&S TSMx6 misurano l’intero sito di fabbrica per vedere quanti diversi punti di accesso alla rete hanno una buona potenza del segnale di riferimento ricevuto (RSRP) e una buona qualità come rapporto segnale-interferenza più rumore (SINR) in ogni posizione. Come accennato in precedenza, è auspicabile una ridondanza almeno quadrupla.
QualiPoc Android può testare la capacità in tempo reale della connessione combinando il profilo di traffico emulato, la misurazione della latenza e la qualità della trasmissione in un unico test di interattività (vedi riquadro dedicato).
Il software di ottimizzazione in tempo reale R&S SmartONE consente la visualizzazione immediata dei risultati delle misurazioni per il miglioramento mirato delle aree problematiche.
Fase 4: Monitoraggio della qualità del servizio
Le misurazioni di fase 4 sono necessarie negli stabilimenti in cui la rete wireless è un’infrastruttura critica in cui un malfunzionamento comporterebbe grandi perdite di redditività e produttività. Ciò significa che il proprietario dell’impianto ha bisogno di un contratto di servizio (Service Level Agreement, SLA) chiaramente definito con il proprio operatore di rete al fine di verificare continuamente la qualità del servizio. I sensori RF personalizzati sono distribuiti in tutta la fabbrica, nei veicoli a guida automatizzata (AGV) e nei robot mobili autonomi (AMR). Misurano periodicamente la qualità della connessione, compresa la latenza, in ogni luogo e riportano i risultati al centro di monitoraggio (SmartMonitor), dove vengono visualizzati su una dashboard in tempo reale. Strumenti come SmartAnalytics offrono analisi più dettagliate dei dati offline. Il software utilizza l’apprendimento automatico per identificare tendenze e anomalie e indica tempestivamente le aberrazioni in modo da poter adottare misure preventive prima che si verifichi effettivamente il guasto.
Fase 5: Verifica della compatibilità prescritta con il mondo esterno
Il completamento della fase 4 segna la fine del processo di configurazione e la rete a quel punto è operativa. Il compito finale è garantire il rispetto delle condizioni di licenza per le reti private che specificano che i segnali dispersi al di fuori dell’area di copertura prevista devono rimanere al di sotto di limiti definiti. Questo aiuta a prevenire le interferenze con i vicini che utilizzano la stessa banda di frequenza o una banda di frequenza adiacente. Si consiglia ai proprietari delle fabbriche di verificare la conformità utilizzando una soluzione di test di copertura sul campo come l’R&S Freerider 4 o uno scanner di rete montato su un drone (Fig. 3).
Fig. 3: L’ambiente delle fabbriche intelligenti dovrebbe essere periodicamente controllato per rilevare eventuali interferenze, che possono provenire dalla rete del campus.
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Un nuovo metodo per misurare le prestazioni della rete Garantire prestazioni di rete superiori con una copertura completa è essenziale nelle fabbriche del futuro. La latenza e il throughput dei dati devono soddisfare i requisiti minimi ovunque nell’area di copertura. Un nuovo metodo implementato nella soluzione software QualiPoc Android basata su smartphone rende tali misurazioni facili e affidabili. Le latenze sono misurate convenzionalmente con echi ping. Il ping fa parte del protocollo ICMP (Internet Control Message Protocol) utilizzato per lo scambio di messaggi diagnostici e di errore nelle reti di computer. Tuttavia, il metodo ping presenta carenze di precisione intrinseche, in particolare sulle basse latenze come quelle necessarie nelle reti di fabbrica 5G. Non è adatto per misurazioni precise di latenze molto basse e non può emulare schemi di traffico. Un metodo migliore si basa sul protocollo di misurazione attivo a due vie (TWAMP), che l’Internet Engineering Task Force ha specificato per misurare le prestazioni end-to-end tra due nodi di una rete IP. Ciò che TWAMP può fare in un’applicazione di misurazione dipende fortemente dalla sua implementazione.
Fig. 4: Il test di interattività basato sul protocollo di misurazione attivo a due vie (TWAMP) può misurare il ritardo (latenza) tra due nodi IP e altri KPI come le perdite di pacchetti. La soluzione Rohde & Schwarz fa parte del software di misurazione QualiPoc Android e calcola un punteggio complessivo significativo da diversi parametri. Questo innovativo metodo è stato proposto per la standardizzazione.
Fig. 5: Punteggi di interattività per varie classi di applicazione. La curva di latenza a forma di S attraversa una gamma di zone di qualità le cui posizioni e larghezze variano da un’applicazione all’altra. |
Conclusione
Diverse industrie dovranno convertire le loro attuali fabbriche in fabbriche intelligenti. Gli stabilimenti organizzati in modo convenzionale avranno difficoltà a competere con la flessibilità e i vantaggi in termini di costi della nuova generazione di fabbriche. Una caratteristica è la connettività completa di apparecchiature con comunicazioni wireless a bassa latenza (5G). Il giusto supporto T&M semplifica la configurazione e il funzionamento di queste reti. La gamma di prodotti Rohde & Schwarz offre agli operatori di rete e ai proprietari di stabilimenti tutto ciò di cui hanno bisogno.
Video tutorial e maggiori informazioni sono disponibili sulla seguente pagina web dedicata alla fabbrica intelligente: www.rohde-schwarz.com/mnt/smart-factory
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Lo smartphone QualiPoc invia un flusso di pacchetti di dati specifici dell’applicazione tramite il protocollo di trasporto UDP emulando un profilo di traffico realistico di una specifica classe di casi d’uso a un server compatibile con TWAMP (TWAMP reflector), che li rimanda immediatamente (Fig. 4). Il software QualiPoc determina la latenza di andata e ritorno dai dati riflessi, il suo intervallo di variazione (valori minimi e massimi misurati) e il tasso di errore del pacchetto e combina questi tre KPI per formare un punteggio di interattività per questa specifica classe di casi d’uso. Questo è un modello QoE scalabile che può essere adattato a diverse classi di applicazioni. La Fig. 5 mostra curve di punteggio di esempio per casi d’uso di esempio. Il software è interessante non solo per le misurazioni di servizio, ma anche per ogni applicazione wireless in tempo reale. Profili adatti sono in fase di sviluppo in collaborazione con i rispettivi settori. Un maggiore utilizzo della realtà aumentata è solo un aspetto delle future fabbriche. Persone e macchine saranno connesse in modalità wireless in molti modi diversi.
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