A evolução da IoT nas redes móveis para a digitalização industrial
Este artigo descreve a evolução da IoT nas redes móveis a partir da análise de usos básicos e menos exigentes da IoT massiva até a demonstração de casos mais elaborados, que serão habilitados com a implantação de redes LTE e do aprimoramento da tecnologia 5G.
A IoT – Internet das coisas em redes móveis (IoT celular) é amplamente adotada em todo o mundo, usando tecnologias 2G e 3G que permitem muitas aplicações básicas. Agora, uma maior largura de banda, menor latência e suporte para grandes volumes de dispositivos por célula chegam ao mercado com ofertas 4G. Isso será ainda mais aprimorado com as redes 5G, inicialmente habilitadas pelo padrão 5G NR – New Radio, permitindo comunicações de ultrabaixa latência confiáveis (URLLC – Ultra-Reliable Low Latency Communications) e que suportam aplicações cada vez mais críticas.
Atualmente, a IoT celular atende aos requisitos mais simples do mercado de IoT massiva, assim como às demandas altamente específicas e sensíveis de ambientes e aplicações complexas. O volume de conexões de IoT de celular habilitadas pela NB-IoT – Narrowband IoT e LTE-M – Long Term Evolution for Machines continua a crescer. O número de dispositivos conectados pela IoT massiva e outras tecnologias celulares emergentes deve atingir 4,1 bilhões até 2024.
A IoT celular em si é um ecossistema em rápido crescimento, baseado nos padrões 3GPP globais, apoiado por um número crescente de provedores de redes móveis, bem como por fornecedores de infraestrutura de dispositivos, chipsets, módulos e redes. Ela oferece melhor desempenho que outras tecnologias de rede LPWA – Low Power Wide Area. A tecnologia é incomparável em termos de cobertura global, QoS – qualidade de serviço, escalabilidade, segurança e flexibilidade para lidar com os diferentes requisitos em uma ampla variedade de usos.
Espera-se um crescimento da conectividade de IoT impulsionado pelo esforço coletivo para digitalizar setores como manufatura, automotivo e utilities, além do interesse das operadoras de redes móveis em expandir os seus negócios para além da banda larga móvel.
Além da IoT massiva, que fornece conectividade celular a dispositivos de IoT de baixa complexidade baseados nas tecnologias NB-IoT e Categoria M (CAT-M), definimos três outros segmentos de IoT : IoT banda larga; IoT crítica; e IoT para automação industrial, conforme descrito abaixo.
A IoT banda larga adota os recursos da conectividade da banda larga móvel, fornecendo taxas de dados mais altas e latências mais baixas do que a IoT massiva, ao mesmo tempo em que utiliza funcionalidades específicas de MTC – Machine Type Communications para ampliar a cobertura e proporcionar uma maior vida útil da bateria do dispositivo. Este segmento tem como alvo uma ampla gama de usos em automóveis, drones, realidade aumentada/realidade virtual e utilities, com base nas tecnologias de redes de acesso 4G e 5G NR.
A IoT crítica aumenta ainda mais os limites da IoT celular, permitindo latências extremamente baixas e confiabilidade realmente alta a uma ampla gama de taxas de dados. Este segmento atende aos requisitos extremos de conectividade de aplicações avançadas, tanto de área ampla quanto de área local, em sistemas inteligentes de transporte, smart grid, assistência médica remota, manufatura inteligente e realidade aumentada/realidade virtual. Impulsionada pelas capacidades mais inovadoras do 5G NR, espera-se que a IoT crítica viabilize muitos novos tipos de uso na área de IoT.
Finalmente, no segmento de automação industrial há funcionalidades avançadas da IoT celular, que incluem capacidades de RAN – Radio Access Network para facilitar o suporte de redes determinísticas que, em conjunto com protocolos baseados em Ethernet e industriais, possibilitarão aplicações extremamente exigentes e que necessitam de posicionamento interno muito preciso e atributos distintos de arquitetura e segurança. A IoT para a automação industrial, reforçada pela conectividade com a IoT crítica, é o principal facilitador para a digitalização completa da indústria 4.0, seja para os fabricantes mundiais dos setores de petróleo e gás, assim como para fabricantes de componentes de redes inteligentes para empresas de distribuição de energia.
Com o uso eficaz de técnicas como fatiamento de rede e compartilhamento de recursos de rádio todos os segmentos de IoT celular podem ser suportados em um único RAN, permitindo que as operadoras móveis otimizem os seus ativos e forneçam o melhor serviço a seus clientes.
IoT massiva
A IoT massiva tem como alvo grandes volumes de dispositivos de baixa complexidade que raramente enviam ou recebem mensagens. O tráfego é frequentemente tolerante ao atraso e os casos de uso típicos incluem sensores, medidores, wearables (tecnologias vestíveis, como pulseiras, relógios, etc.) e rastreadores de baixo custo. Estes dispositivos são, frequentemente, implantados em condições de rádio desafiadoras, como no porão de um edifício. Portanto, eles exigem uma cobertura estendida e podem depender exclusivamente de uma fonte de energia da bateria.
A 3GPP padronizou três novas tecnologias para o MTC massivo no release 13: EC GSM-IoT; LTE-M; e NB-IoT. A LTE-M amplia a LTE com novos recursos, para oferecer maior vida útil da bateria, cobertura estendida e suporte para várias categorias de dispositivos de baixa complexidade, denominadas CAT-M.
A NB-IoT é uma tecnologia de acesso de rádio autônomo baseada nos fundamentos da LTE e que permite cobertura extrema e maior vida útil da bateria para dispositivos de baixíssima complexidade.
A cobertura de rádio por estação base é estendida por meio da repetição das transmissões, explorando requisitos de taxa de dados e de latência. Pode-se permitir que um dispositivo repouse por períodos prolongados, usando as funções de eDRX – extended Discontinuous Reception e PSM – Power Saving Mode , o que aumenta significativamente a duração da bateria. Já os complexos dispositivos CAT-M e NB-IoT são mantidos em baixa atuação por conta da utilização de larguras de banda estreitas, operação half-duplex e pela incorporação de uma única antena de transmissão e recepção no dispositivo.
Os dispositivos CAT-M têm capacidade relativamente maior e são mais complexos que os NB-IoT. O NB-IoT suporta largura de banda de 200 KHz, enquanto o CAT-M suporta largura de banda de 1,4 MHz com CAT-M1 e 5 MHz de largura de banda com CAT-M2. Embora o CAT-M possa operar em modo full-duplex, o ecossistema CAT-M realiza apenas operações half-duplex para limitar a complexidade do dispositivo e o consumo de energia.
CAT-M e NB-IoT devem ter como alvo tipos de uso complementares. O CAT-M é mais adequado para aplicações que exigem throughput relativamente maior, menor latência, mobilidade no modo conectado, melhor posicionamento e conexões de voz. Os usos CAT-M típicos incluem wearables, sensores, rastreadores, painéis de alarme e botões de suporte ao cliente, todos com suporte para conexões de dados e voz.
Na outra ponta, o NB-IoT é a tecnologia escolhida para aplicações de produtividade muito baixa e tolerantes a atrasos, mas que requerem cobertura extrema, como simples medidores de serviços públicos e sensores implantados em condições de rádio desafiadoras.
Uma vantagem adicional para os provedores de serviços é que o NB-IoT pode ser implantado na banda de uma portadora LTE, fazendo uso do espectro que não está sendo utilizado.
CAT-M e NB-IoT são considerados à prova de futuro e vistos como tecnologias 5G. Eles podem coexistir eficientemente com 5G NR no mesmo espectro e cumprir todos as exigências de MTC massivos de 5G, conforme estabelecido nos padrões IMT-2020 e 3GPP, em termos de cobertura, latência, taxa de dados, duração da bateria e densidade de conexão. O CAT-M e o NB-IoT estão sendo aprimorados ainda mais no 3GPP Rel-16.
IoT banda larga
A conectividade de banda larga IoT oferece desempenho superior, em termos de menor latência e maior throughput, do que o segmento IoT massiva. As aplicações típicas são wearables avançados, veículos aéreos e terrestres, dispositivos habilitados para realidade aumentada/realidade virtual e sensores que exigem maiores capacidades do que o CAT-M ou o NB-IoT podem oferecer. O LTE possui uma variedade de categorias de dispositivos adequada para essas aplicações. Por exemplo, a LTE já está fornecendo conectividade celular para milhões de carros. Existem relógios inteligentes compatíveis com LTE no mercado e os drones conectados a LTE estão próximos de existir.
O LTE oferece um alto espectro de eficiência, taxas de dados e baixas latências, além de maior vida útil da bateria do dispositivo e melhor cobertura. Com o uso de soluções avançadas, de várias antenas e carrier aggregation, o LTE permite taxas de pico na faixa de vários Gbps. Somado a isso, existem mecanismos para conexões rápidas e entrega de dados. Com esquemas de transmissão instantânea, a latência da interface de rádio pode ser tão baixa quanto 10 ms.
Os dispositivos LTE podem operar em um modo de cobertura estendida e, ao mesmo tempo, oferecer suporte a aplicativos de IoT de baixa taxa de transferência. Um mecanismo de comutação otimizado entre a cobertura normal e os modos de cobertura estendida permite ao usuário obter taxas de dados superiores em áreas de boa cobertura e ainda possibilita acessar baixas taxas de dados em condições de rádio desafiadoras.
A introdução do NR expandirá a capacidade de banda larga. A IoT banda larga baseada em NR operará tanto no espectro antigo quanto no novo, com larguras de banda muito maiores e novas funcionalidades para suportar taxas de transferência ainda mais elevadas, estendendo-se até as dezenas de Gbps e reduzindo a latência para cerca de 5 ms.
IoT crítica
A conectividade de IoT crítica permite uma latência de interface de rádio extremamente baixa, de até aproximadamente 1 ms, ou alta confiabilidade de até 99,9999%, com limites estritos de latência a uma variedade de taxas de dados. A confiabilidade é definida como a probabilidade de entrega de dados bem-sucedida dentro de uma latência limitada.
Para a IoT crítica existem usos em redes inteligentes, sistemas inteligentes de transporte, assistência médica e realidade aumentada/realidade virtual que podem exigir uma latência de ponta a ponta de 5 a 20 ms e confiabilidade de até 99,9999%. Muitos tipos de uso exigem controle e coordenação em tempo real entre máquinas.
O 5G NR é uma tecnologia clara de escolha para ativar a IoT crítica. Mesmo em sua primeira versão do 3GPP em 2018, o Rel-15 – NR, ele possui maior funcionalidade que o LTE para habilitar o URLLC. A NR opera em uma ampla gama de frequências, com larguras de banda muito maiores do que a LTE, para fornecer taxas de transferência muito mais altas para um número maior de dispositivos com latência extremamente baixa e alta confiabilidade. Existe um claro caminho de evolução futura para a NR. A padronização da URLLC avançada baseada em NR já está em andamento no 3GPP Rel-16 [8].
O NR pode suportar a IoT crítica em todas as suas bandas de frequência, o que permite usos de áreas ampla e local, como ilustrado abaixo. Nas bandas de baixa frequência, com alocação de espectro pareado, o FDD – Frequency Division Duplex alcança latências extremamente baixas e alta confiabilidade em grandes áreas de cobertura por estação base devido à propagação favorável de ondas de rádio. No entanto, as larguras de banda do canal são limitadas nas bandas baixas e, portanto, elas devem ser direcionadas principalmente para usuários de área ampla.
Nas bandas médias, o NR oferece um bom equilíbrio de capacidade e cobertura e é bem adequado para diversos usos de áreas ampla e local. Para alocações de espectro não pareadas nas bandas médias, o NR TDD – Time Division Duplex alcança uma confiabilidade ultra-alta com soluções avançadas de antenas. No entanto, pode não ser possível obter latências extremamente baixas com um padrão de transmissão TDD estático para downlink, geralmente otimizado para tráfego de banda larga móvel (eMBB), aprimorado com forte downlink.
Para determinadas implantações, como em fábricas isoladas, um padrão de transmissão favorável de baixa latência pode ser uma opção viável. Nas bandas de alta frequência mmWave, o NR TDD atinge latências extremamente baixas com sua capacidade de transmissão ultracurta. As bandas mmWave oferecem larguras de banda de canal muito mais largas que permitem que o NR suporte um grande número de usuários de IoT crítica com altas taxas de dados. Avaliações preliminares mostraram que os níveis de confiabilidade ultra-alta podem ser alcançados nas bandas altas com técnicas avançadas de antenas.
IoT para automação industrial
A IoT para a automação industrial abrange soluções principalmente para unidades fabris, mas também outras que compartilham requisitos comuns de uma perspectiva de rede industrial, como sistemas de controle para ferrovias, bem como geração e distribuição de energia.
À medida que avançamos para a indústria 4.0, o legado da indústria 3.0 reflete uma infraestrutura de comunicação hierárquica dentro da fábrica isolada do hardware físico por conta das limitações de tecnologia e das necessidades de segurança. Aqui são utilizadas diferentes tecnologias de rede, personalizadas para usos localizados, levando a configurações inflexíveis e um alto custo de manutenção e integração dessas tecnologias dedicadas e proprietárias.
A indústria 4.0 prevê uma fábrica onde todos os dispositivos e elementos, incluindo o próprio produto até a sua completa produção, estão totalmente interligados, utilizando soluções de conectividade padrão flexíveis e abertas, bem como incorporando tecnologias de Internet e nuvem. Uma rede industrial permite a fabricação com conectividade em todos os níveis, desde áreas específicas na fábrica até sistemas e processos que estão além da própria fábrica. Conexões Ethernet e IP são comumente usadas entre esses extremos, enquanto a conexão de atividades específicas do chão de fábrica é normalmente feita por produtos Fieldbus proprietários ou Ethernet industriais, que são integrados com o resto da instalação por meio de gateways.
Redes celulares são o principal facilitador para a indústria 4.0. Isso permite abordar a gama de requisitos de conectividade, alguns ainda não cumpridos, ao mesmo tempo em que substitui a grande quantidade de diferentes tecnologias implementadas atualmente.
Esses requisitos de usos variados vão desde sensores e rastreadores ambientais, para gerenciamento de inventário e fornecimento, até conectividade mais exigente para veículos autônomos e os mais exigentes sensores em tempo real e robótica na linha de montagem, que normalmente são cabeados.
Isso significa que uma rede industrial é construída usando uma combinação de IoT massiva, IoT banda larga e IoT crítica, com a IoT para automação industrial, com base em 5G NR. Há, no entanto, uma lacuna representada por aplicações de controle físico cibernético na automação de processos, atendidas hoje pelo Fieldbus ou por componentes Ethernet industriais, que o 3GPP está agora procurando resolver.
Esta lacuna nas capacidades é caracterizada por uma rede determinística, que coloca requisitos específicos de latência e confiabilidade que são complementares aos fornecidos somente pela URLLC. Isso significa que a latência, confiabilidade ultrabaixa e a entrega garantida são necessárias, mas com baixa variação de atraso e perda, embora o URL e o TSN – Time Sensitive Networking estejam em diferentes camadas. As redes determinísticas são definidas nas Camadas 2 e 3 pelo IEEE e IEFT, enquanto, em um contexto de rede celular 5G, o TSN pode ser considerado como uma camada de controle sobre URLLC de ponta a ponta.
A TSN e os sistemas de controle industrial normalmente usam o transporte baseado em Ethernet. A fusão dos domínios 5G e industrial exige, portanto, que a NR originalmente sustente a Ethernet, em vez de confiar nos métodos de encapsulamento e conversão de protocolos de gateway para superar qualquer deterioração no desempenho. O 3GPP está estudando o suporte nativo para Ethernet sobre NR, que será uma linha de base subjacente, na qual as funções do TSN serão sustentadas de forma transparente.
Uma rede industrial 5G NR permite uma automação mais avançada, facilitando a flexibilidade e permitindo maior eficiência, assim como um maior nível de percepção em tempo real sobre o estado de produção e operação. Além disso, ela facilita a introdução de tecnologias como computação em nuvem, aprendizado de máquina e big data.
A IoT para a automação industrial é a ponte entre as redes 5G IoT crítica e os sistemas industriais. Ela compreende o conjunto de funções que permitem posicionamento interno preciso, suporte nativo para Ethernet sobre NR, programação e QoS para suportar de forma transparente a TSN e permitir a reutilização de dispositivos industriais e sistemas de controle existentes.
Para determinadas implantações, como em fábricas isoladas, um padrão de transmissão favorável de baixa latência pode ser uma opção viável. Nas bandas de alta frequência mmWave, o NR TDD atinge latências extremamente baixas com sua capacidade de transmissão ultracurta. As bandas mmWave oferecem larguras de banda de canal muito mais largas que permitem que o NR suporte um grande número de usuários de IoT crítica com altas taxas de dados. Avaliações preliminares mostraram que os níveis de confiabilidade ultra-alta podem ser alcançados nas bandas altas com técnicas avançadas de antenas.
Segmentos de IoT celular
Como vários setores verticais das indústrias adotam o celular como a solução de conectividade unificada, surgem diferentes requisitos em cada vertical. Aqui, exploramos a indústria automotiva e a fabrica inteligente.
Indústria automotiva
A indústria automotiva está em revolução com megatendências como automação, tecnologias de sensores e conectividade celular, permitindo novas funcionalidades de segurança, eficiência e entretenimento. Milhões de carros já estão conectados por meio de redes celulares e os vários segmentos de IoT celular têm a sua própria relevância para o emergente veículo conectado.
Casos de usos:
- Gerenciamento de frotas, rastreamento e telemetria são algumas das aplicações que se beneficiam muito com a vida prolongada da bateria do dispositivo, a cobertura de sinal aprimorada e o suporte para dispositivos de baixo custo. Esses aplicativos tendem a ter baixas taxas de dados e requisitos de latência flexível, o que torna a IoT massiva uma opção de conectividade apropriada.
- Informações de bordo, atualizações de software para manutenção, mapas de alta definição em tempo real para navegação e compartilhamento massivo de sensores são casos de uso que exigem conectividade de banda larga para oferecer altas taxas de dados, grandes volumes de transferência de dados e baixas latências. Os carros modernos suportam algumas dessas aplicações com LTE. Com níveis de automação aprimorados e novos recursos definidos por software em futuros veículos inteligentes, a taxa de dados e as demandas de capacidade podem ser ainda maiores. Conectar um grande número de veículos inteligentes exigiria 5G NR em conjunto com LTE.
- Há vários casos de uso de veículos conectados que exigem conectividade IoT crítica. Por exemplo, aplicações relacionadas à direção remota, condução autônoma, segurança de veículos e pedestres e processamento em tempo real baseado na nuvem. Essas aplicações pedem baixas latências, alta confiabilidade e taxas de dados em uma implantação de área ampla. Embora alguns desses usos possam ser suportados parcialmente com a IoT banda larga em suas fases iniciais, os avanços contínuos na automação de veículos e sistemas de transporte exigem a conectividade IoT crítica.
Fábrica inteligente
Existe uma variedade de requisitos de conectividade em vários objetos em uma fábrica inteligente.
- IoT massiva (NB-IoT e Cat-M) pode ser usada para rastrear estoques e inventários.
- Realidade aumentada e outras comunicações de dados aumentam significativamente a eficiência nas instalações da fábrica e são ativadas usando os recursos de IoT banda larga em uma rede LTE NR.
- Veículos autônomos e outras ferramentas de fábrica normalmente exigem latências muito baixas e algum nível de garantia de conectividade que a IoT crítica atende.
- IoT para automação industrial permite a conectividade de componentes na linha de montagem, possibilitando o controle de robôs e a interconexão do controlador lógico programável (PLC) como parte da automação do processo. O uso de conexões 5G em vez de cabeamento reduz o custo, já que esses tipos de equipamentos são normalmente muito caros de instalar, reorganizar ou substituir, levando a projetos de chão de fábrica muito mais flexíveis e permitindo a mobilidade de elementos robóticos.
Conclusão
A IoT celular oferece um melhor desempenho em comparação a outras tecnologias LPWA, incluindo cobertura, QoS, escalabilidade e flexibilidade para lidar com uma ampla gama de usos em uma rede.
Mais de 80 redes IoT massivas comerciais foram lançadas até o final de 2018. Agora, conforme as redes 4G LTE continuam sendo aprimoradas e a implantação inicial da 5G NR começa, os próximos passos na evolução da IoT celular já estão em andamento.
Neste artigo, definimos os segmentos para facilitar a digitalização de diferentes verticais do setor, utilizando os recursos das redes 4G e 5G. Todos eles serão sustentados por uma rede de acesso por rádio, permitindo facilidade de gerenciamento e uso otimizado dos ativos das operadoras móveis.
