L'arrivo della quarta e quinta generazione di connettività cellulare, con nuovi standard a bassa potenza e ad ampio raggio come LTE-M, NB-IoT e 5G, consente di connettere facilmente la maggior parte delle apparecchiature e di altre risorse nelle fabbriche del 21° secolo. Inoltre, le reti private consentono la sicurezza, la privacy e l'affidabilità della connettività cellulare.
Secondo un rapporto di ricerca pubblicato da Ericsson, "Rise of the Smarter, Swifter, Safer Production Employee", la maggior parte delle aziende manifatturiere prevede di raggiungere almeno l'80% di automazione entro 10 anni e molte si aspettano di vedere almeno duplicare l'uso di strumenti abilitati all'ITC entro i prossimi cinque anni.
Mentre le connessioni cablate, in particolare Time-Sensitive Networking (TSN), forniscono il miglior percorso ad alta priorità per i dati time-critical, le comunicazioni wireless sono preferite in quanto costituiscono il modo più veloce per connettere molti dispositivi, apparecchiature e altre risorse nelle fabbriche.
Dall'arrivo del GSM, la seconda generazione di reti cellulari, nel 1991, le industrie lo hanno adottato per connettere macchine, sistemi di monitoraggio, allarmi e altri sistemi. GSM offre la trasmissione dati di base su GPRS/EDGE e SMS.
Dieci anni dopo, la terza generazione (3G) ha consentito una trasmissione dati più veloce, uno spettro più ampio e uno standard globale. Un nuovo ente per gli standard industriali, il 3rd Generation Partnership Project (3GPP), è nato per fornire ai suoi membri un ambiente stabile per produrre i report e le specifiche che definiscono le tecnologie 3GPP. Oggi, mantenendo il suo nome originale, 3GPP definisce le specifiche di ogni generazione di reti cellulari.
I fornitori di servizi cellulari (CSP) stanno abbandonando le reti cellulari 2G e 3G
Negli ultimi 30 anni sono stati installati centinaia di migliaia di dispositivi Machine-to-Machine (M2M) che utilizzano reti 2G. Si tratta di attuatori, sensori ambientali, contatori di utenze, sistemi di allarme e altri sensori che utilizzano SMS e GPRS/EDGE per la comunicazione.
Uno dei motivi per investire nella connettività 4G e 5G per l'IoT è che gli operatori stanno chiudendo le reti 2G e 3G precedenti in tutto il mondo. Mentre i dispositivi esistenti potrebbero continuare a funzionare per il momento su tali reti precedenti, il supporto verrà gradualmente eliminato e gli operatori non attiveranno più nuovi dispositivi 2G. Le connessioni esistenti ora vivono nel tempo preso in prestito.
Come il 2G, molti operatori sono ansiosi di abbandonare le vecchie reti 3G per riutilizzare quello spettro per supportare 4G LTE e 5G. I nuovi dispositivi richiedono maggiore velocità e il 3G arriva a circa 3 Mbps. Oltre ad essere più veloce, il 4G LTE è anche più efficiente, consentendo a più dispositivi di condividere i canali e disponendo di una serie di tecnologie IoT come LTE Cat-M e NB-IoT.
Secondo GSMA Intelligence, oltre alle 43 reti già chiuse entro il 2020, almeno altre 64 reti verranno chiuse tra il 2021 e il 2025 poiché gli operatori cercheranno di ottimizzare operazioni e costi e recuperare lo spettro per 4G e 5G.
Il vantaggio 4G LTE con LTE-M e NB-IoT
L'arrivo della quarta generazione di reti cellulari (evoluzione a lungo termine o 4G) ha rappresentato un salto di qualità nel modo in cui il wireless cellulare potrebbe funzionare nelle applicazioni industriali. Non solo è stata progettata una nuova radio per la prima volta per gestire enormi connessioni Internet of Things (IoT), ma man mano che sono diventate disponibili nuove release, nuovi standard a bassa potenza hanno consentito nuove applicazioni e dispositivi più piccoli.
Su reti 4G e 5G operano due standard IoT: Long Term Evolution for Machines (LTE-M) e Narrow-Band IoT (NB-IoT) che offrono una nuova connettività a bassa potenza e ad ampio raggio su reti cellulari. Questi hanno consentito l'implementazione di applicazioni IoT su vasta scala, in particolare per uso industriale e agricolo. Nel corso degli anni, LTE-M è diventato molto popolare negli Stati Uniti e NB-IoT è diventato lo standard preferito in Asia ed Europa.
Per le applicazioni IoT su vasta scala che richiedono un basso consumo energetico e la sicurezza e la disponibilità delle reti cellulari, NB-IoT e LTE-M sono le soluzioni preferite. Mentre entrambi supportano implementazioni IoT su vasta scala nelle migliaia di connessioni, ci sono alcune differenze: NB-IoT richiede meno energia e modem più piccoli, rendendolo ideale per dispositivi più piccoli che funzionano a batterie, ma non supporta SMS (ancora) o messaggi vocali. LTE-M richiede più potenza, ma supporta SMS e comunicazioni vocali limitate.
Dal punto di vista della reddittività dei fornitori di servizi cellulari, LTE-M consente loro di supportare il servizio su reti 4G esistenti tramite aggiornamenti software, mentre NB-IoT richiede hardware aggiuntivo.
Con l'arrivo delle reti 5G, sia LTE-M che NB-IoT fanno parte delle specifiche e quindi sono direttamente supportati. Inoltre, per le applicazioni IoT che richiedono più ampiezza di banda ma non tutte le funzionalità della rete, è disponibile 5G NR-REDCAP, che offre prestazioni simili a LTE nello spettro sub-GHz.
Con l'arrivo della SIM integrata (eSIM), alcune aziende, come Infineon, STMicroelectronics e Sony Semiconductors, offrono chipset più piccoli per la connettività cellulare.
Nuova radio, 5G Advanced e 5G Redcap
Dobbiamo ancora ottenere le specifiche complete per il 5G ovunque. La maggior parte delle reti 5G in tutto il mondo utilizza 3GPP release 15, non da solo. Ciò significa che tali reti richiedono il supporto dell'infrastruttura 4G LTE esistente.
Il 5G autonomo (3GPP release 16 e successive) consente un'enorme connettività IoT utilizzando solo la potenza necessaria per eseguire lo scambio di dati necessario. I dispositivi IoT possono connettersi al volo e regolare la loro potenza di conseguenza.
Inoltre, per le applicazioni IoT critiche come la robotica e le operazioni remote, le reti 5G forniscono l'affidabilità richiesta, una latenza estremamente bassa e un consumo energetico ridotto.
L'introduzione delle funzionalità 5G New Radio come NR-REDCAP, che fornisce velocità 4G su molte più frequenze con un consumo energetico inferiore, renderà il 5G un'opzione adatta per molti utenti che richiedono maggiore sicurezza e connettività senza compromessi. Inoltre, chipset e iSIM nuovi, più piccoli ed economici aiutano a ridurre il costo della distinta base e il consumo energetico.
Secondo Ericsson, "Il 3GPP release 17 sul supporto di dispositivi NR a capacità ridotta è un importante passo avanti per espandere il mercato indirizzabile del 5G NR. Consente a un dispositivo con capacità ridotte di operare in qualsiasi banda di frequenza NR."
Mentre il 5G è ancora in fase di sviluppo, il 6G arriverà presto
Sono in corso la ricerca e lo sviluppo del seguente standard di connettività wireless cellulare.
Diverse aziende e strutture di ricerca stanno lavorando con il 3GPP per definire e testare la fattibilità dell'imminente evoluzione della rete, il 6G. Si aspettano che il 6G fornisca velocità da 1 a 100 Gbps all'utente finale e capacità multi-MIMO di 100-1.000 fasci simultaneamente modulati in modo dipendente, fornendo effettivamente velocità nell'ordine delle decine di terabyte al secondo.
Oltre a fornire una localizzazione di precisione a una frazione di pollice, integrando il GPS, le tecniche di imaging 6G identificheranno qualsiasi persona o oggetto in movimento. Questa infrastruttura intelligente e immersiva potrebbe supportare la realtà virtuale (VR) a bassa latenza, la realtà aumentata (AR) e la telepresenza continua.
L'ascesa delle reti wireless private
Le reti private cablate e wireless esistono da molti anni. Molti settori utilizzano una combinazione di Ethernet cablata e Wi-Fi per connettere macchine, sensori, gateway e altre risorse.
Sebbene le reti cellulari forniscano un nuovo livello di sicurezza e disponibilità, alcuni settori richiedono connettività on-premise e la possibilità di proteggere localmente dati e operazioni. LTE e 5G offrono la possibilità di implementare reti cellulari private per posizioni e applicazioni specifiche.
Alcune reti private sono solo sezioni virtuali che operano su un'infrastruttura pubblica esistente. Sono gestite da fornitori di servizi cellulari, che allocano una parte dello spettro o alcune celle per i loro clienti industriali.
Al giorno d'oggi, alcuni fornitori di infrastrutture cellulari offrono anche reti private al di fuori del dominio CSP. Aziende come Cisco, Samsung, Huawei, Nokia ed Ericsson, tra le altre, stanno ora fornendo le loro soluzioni direttamente ai grandi clienti industriali.
"Le industrie possono anche implementare una rete privata utilizzando il proprio spettro aziendale se è possibile ottenerlo dall'autorità di regolamentazione", ha dichiarato Sylwia Kechiche, Principal Industry Analyst, Enterprise presso Ookla, "oppure possono noleggiarlo dall'operatore. Quindi ci sono molti modi diversi per un'azienda, a seconda del tipo di livello di controllo che desiderano, se vogliono queste reti private virtuali."
Juniper Research colloca Nokia ed Ericsson tra i leader nel settore dei cellulari privati. Secondo l'azienda, "Il nostro studio ha rilevato che gli operatori di reti cellulari tradizionali sono spesso in ritardo nell'implementazione delle funzionalità di reti private, consentendo ad altri provider di assumere il ruolo. I giocatori di maggior successo qui sono fornitori di rete con canali di apparecchiature che possono utilizzare per entrare nel mercato. La natura flessibile del 5G ha consentito a molti operatori non tradizionali di fornire servizi cellulari privati, in particolare laddove la regolamentazione consente l'uso senza licenza dello spettro 5G."
I CSP, che sono tecnicamente capaci, devono ancora formare il proprio personale di vendita per soddisfare le esigenze dei loro clienti industriali. I loro venditori, molti vicini alla pensione, vengono utilizzati per promuovere più servizi legacy come voce e dati.
Tom Loozen, leader delle telecomunicazioni globali di EY, ha dichiarato a IoT Times che gli operatori di telefonia mobile devono intensificare i propri sforzi per fornire soluzioni di reti private. Altrimenti, egli ritieni che altri integratori di sistemi più aggressivi continuerebbero a erodere la loro quota di mercato.
