Tirer parti de la 5G pour un IoT industriel plus rapide, plus intelligent et plus flexible
La 5G est appelée à transformer les applications IIoT grâce à l’amélioration des performances et de la fiabilité, à la prise en charge de nouveaux services, et à la souplesse d’utilisation d’infrastructures privées, publiques et hybrides, pour garantir la résilience, la qualité de service et le coût recherchés. Après un retour sur les caractéristiques de la 5G et les manières de la mettre en oeuvre, cet article met en exergue ses bienfaits sur l’IoT industriel ainsi que des exemples concrets d’applications.
Par Yuan Lee, responsable des ventes des produits sans fil d’Advantech Europe, article adapté par Pascal Coutance
La transition vers la 5G est en cours. Les réseaux publics, qui contiennent souvent un mélange de technologies LTE et 5G, entrent en service et offrent ainsi aux propriétaires de locaux industriels et commerciaux la possibilité de mettre en place leurs propres réseaux 5G autonomes pour répondre aux besoins d’applications privées. Les entreprises ont désormais le choix entre différentes approches pour connecter leurs dispositifs IIoT (IoT industriel), notamment en utilisant un réseau public avec des garanties de niveau de service, des configurations hybrides public/privé plus flexibles, ou même leur propre réseau 5G privé sur site.
Révolutionner la connectivité en tout lieu
Le passage de la communication sans fil 4G à 5G ne se passera pas comme les précédents passages d’une génération à la suivante. Alors que les transitions antérieures apportaient des améliorations par rapport à la génération précédente, la 5G va devenir le principal pilier de la connectivité, reliant les personnes entre elles, les personnes aux machines, et les machines entre elles.
Par rapport à la 4G, la 5G permet de diviser la latence par plus de dix. Dans le même temps, le débit et la densité de connexions sont jusqu’à dix fois supérieurs, tandis que le rendement du spectre est quant à lui trois fois plus élevé. La capacité de trafic et le rendement du réseau sont pour leur part jusqu’à 100 fois supérieurs.
Cependant, d’autres avancées liées à la 5G, en dehors de l’augmentation de débit et de capacité, vont exercer à l’avenir une influence encore plus grande sur nos vies et notre travail. La nouvelle norme introduit des fonctionnalités telles que les communications de masse de type machine (mMTC, massive Machine Type Communications), et les communications ultra-fiables à faible latence (URLLC, Ultra Reliable Low Latency Communications), qui répondent aux besoins de mise à échelle et d’applications stratégiques des utilisateurs industriels. La 5G, qui comprend également le haut débit mobile amélioré (eMBB, enhanced Mobile Broadband), devrait révolutionner la façon dont les gens et les objets se connectent. Son impact sera aussi important que l’introduction du premier mobile analogique.
S’agissant d’applications industrielles, la 5G va permettre une expansion considérable de l’IIoT et va donc jouer un rôle essentiel dans la mise en œuvre de l’Industrie 4.0, la quatrième révolution industrielle.
Comment la 5G se met-elle en place ?
Les réseaux 5G sont à l’heure actuelle en cours de déploiement dans les territoires développés du monde entier. Les options de connectivité offertes par la 5G se déclinent en trois bandes de fréquences distinctes. Au niveau mondial, le réseau 5G est désormais ouvert, et il fonctionne sur trois bandes de fréquences différentes : basse, moyenne et haute. Le réseau 5G fait appel à trois types de cellules différentes, chacune nécessitant des antennes très spécifiques, mais offrant un compromis différent entre vitesse de téléchargement et distance, et zones de service.
La bande de fréquence la plus basse est inférieure à 1 GHz et peut être comparée à un réseau basse puissance longue portée de type LPWAN. Elle assure une couverture géographique étendue, avec pour contrepartie une réduction de la vitesse de téléchargement.
Dans la bande allant de 1 GHz à 6 GHz, appelée bande « sub-6 GHz », la 5G offre un bon compromis entre débit et distance. La plupart des opérateurs tentent d’offrir des services dans cette bande de fréquences, pendant qu’ils s’efforcent de déployer leurs réseaux dans tout le pays.
Enfin, il y a les fréquences millimétriques (mmWave), qui donnent lieu à une nouvelle réflexion sur les différentes utilisations des réseaux de télécommunications. Les points d’accès sans fil fixes peuvent fournir des débits extrêmement élevés, ce qui ouvre la voie à une expérience utilisateur fantastique. En revanche, la distance de transmission basée dans ce spectre de fréquences est extrêmement limitée.
En outre, le type de déploiement est très différent de celui des précédentes infrastructures 3G et 4G, à la fois en termes de réseau central 5G, mais aussi de radios 5G. Contrairement aux générations précédentes, qui nécessitaient une migration simultanée des réseaux d’accès radio et des réseaux centraux pour introduire les nouvelles technologies, la 5G offre une voie de migration continue qui permet aux opérateurs de répartir leurs investissements dans le temps, en introduisant progressivement de plus en plus d’applications et de services 5G.
Cette souplesse supplémentaire permet deux modèles de mise en œuvre. Le premier modèle est appelé standalone (autonome) ou SA. Il fait appel à la fois au nouveau réseau central 5G et aux radios 5G, de sorte que l’ensemble du système fonctionne en 5G. Le deuxième modèle de déploiement est le modèle non-standalone (non-autonome) ou NSA. Une configuration 5G NSA combine l’infrastructure LTE existante et un accès radio 5G, pour offrir les avantages de la 5G, tout en préservant l’investissement existant dans l’infrastructure réseau LTE. Le réseau central peut ensuite migrer progressivement vers le réseau central 5G.
Pour bénéficier plus tôt d’un accès à la capacité et aux vitesses accrues de la 5G, de nombreux opérateurs ont opté pour un déploiement 5G NSA utilisant une double connectivité avec des radios 4G et 5G. C’est ce qu’on appelle EN-DC (E-UTRAN New Radio Dual Connectivity), où « E-UTRAN » correspond à la LTE, alors que « New Radio » fait référence au réseau radio 5G.
Avec EN-DC, les appareils peuvent envoyer et recevoir des données en utilisant simultanément la 4G et la 5G vers des sites indépendants, selon les besoins. Le réseau achemine le trafic à la fois en 4G et en 5G, chacune avec son propre spectre, en agrégeant le contenu dans l’appareil. On a pu montrer que cela permettait d’atteindre des vitesses de plusieurs gigabits par seconde dans le cadre de déploiements réels.
Selon l’association 3GPP (Projet de partenariat de 3è génération), on distingue trois phases dans la migration vers la 5G. La première phase, appelée early drop (essaimage), consiste pour les opérateurs à commencer à proposer un sous-ensemble de services 5G et des gains de performances aux abonnés en utilisant la configuration NSA. Cette première phase étant réalisée, les opérateurs commencent à remplacer leur réseau central 5G. A ce stade, le réseau se situe quelque part entre la 4G et la vraie 5G. Par conséquent, certaines zones peuvent bénéficier d’avantages, notamment d’une latence ultra-faible et d’un débit très important, tandis que d’autres n’en bénéficient pas encore (puisqu’il faut un certain temps pour mettre en place tout le cœur 5G).
Une fois que tout le réseau central fera appel à un cœur 5G, les opérateurs pourront commencer à fournir un « vrai service 5G », avec des fonctionnalités comme le découpage de réseau, la virtualisation et la latence ultra-faible, qui sont particulièrement pertinentes pour les applications industrielles qui nous intéressent ici
Effets de la 5G sur l’IIoT
Jusqu’à l’avènement de la 5G, les utilisateurs de l’IIoT avaient des inquiétudes quant à l’utilisation des réseaux cellulaires publics. Par rapport aux utilisateurs grand public, les communautés industrielles ont généralement besoin de caractéristiques et de capacités réseau différentes. Les réseaux LTE précédents offraient peu de flexibilité, alors que la 5G permet aux fournisseurs de services d’offrir de nombreuses options permettant aux utilisateurs de sélectionner la meilleure solution pour répondre aux besoins de leur application.
Les clients peuvent profiter de services 5G par le biais du réseau public, dans le cadre d’un déploiement hybride public/privé, ou d’un réseau privé totalement indépendant, de l’une des manières suivantes :
1. Utilisation simple du réseau public ordinaire
2. Réseau public avec un niveau de service convenu garanti par l’opérateur télécoms.
3. Il est possible de demander à l’opérateur public une tranche de réseau. L’opérateur attribue alors un spectre spécifique pour servir le réseau d’entreprise d’un client.
4. Combiner l’utilisation du réseau public avec une infrastructure locale privée. Cela peut être un moyen efficace de répondre à toute préoccupation relative à la cybersécurité.
5. Il est possible de mettre en place un réseau 5G indépendant et privé, ou un réseau autonome non-public (SNPN), qui utilise le spectre 5G public.
6. Enfin, un réseau privé autonome peut utiliser un spectre privé sans licence, selon le pays. Les gouvernements allemand et américain, par exemple, ont annoncé un spectre sans licence, pour une utilisation privée par les entreprises, sous réserve du respect de quelques règles. Les utilisateurs peuvent ainsi mettre en place un réseau 5G à l’intérieur de leurs locaux sans avoir à payer de droits de licence pour utiliser le spectre 5G.
Ces différentes options donnent aux utilisateurs d’IIoT la souplesse nécessaire pour effectuer une mise en œuvre optimale, en utilisant le type de réseau leur apportant les meilleures performances et le meilleur retour sur investissement.
Évolution de la 5G industrielle
De grands acteurs du secteur sont actuellement en train de réunir les mondes de la 5G et de l’IIoT par le biais de diverses démonstrations de preuves de concept, de projets en collaboration avec des clients, et d’une famille émergente de passerelles à connectivité 5G. Ces dernières combinent de puissantes fonctions d’informatique embarquée, de rattachement et de télésurveillance de dispositifs, ainsi que de cybersécurité.
En voici quelques exemples :
• Nouvelle application autonome de radio 5G offrant un débit descendant pouvant atteindre 930 Mbit/s
• Capacités connectées permettant aux bus intelligents de révolutionner le transport
• Connexion d’applications 5G aux principaux réseaux publics de télécommunications en Europe. Actuellement, plus de 10 projets de validation de concept sont en cours en zone EMEA (Europe, Moyen-Orient et Asie)
Produits prêts pour la 5G
De nombreux produits prêts pour la 5G sont déjà disponibles sur le marché. Il s’agit notamment de routeurs 5G haut débit et de passerelles informatiques edge (périphérie de réseau) dotées d’un processeur quadricœur, et de mémoire et stockage eMMC de pointe qui permettent d’héberger de puissantes applications d’edge computing. Ces dispositifs proposent aussi un large choix d’interfaces industrielles, notamment plusieurs ports Ethernet 1 Gbit avec des sorties Power over Ethernet (PoE) Power Sourcing Equipment (PSE) en option, qui permettent à la passerelle d’alimenter directement des caméras IP, une interface fibre optique SFP (Small Form factor Pluggable), des récepteurs GNSS actifs pour la géolocalisation, ainsi que des interfaces série, et le support du bus CAN pour le diagnostic de véhicules pour les applications de transport.
Parmi les autres caractéristiques on peut aussi citer la prise en charge 802.11ac (Wi-Fi 5), des GPIO numériques, ainsi qu’une interface double SIM et eSIM. La cybersécurité est assurée par le matériel, notamment par un composant sécurisé TPM 2.0, et par logiciel grâce à un amorçage sécurisé.
Exemples d’applications IIoT de la 5G
Advantech a aidé l’un de ses clients à mettre en place une solution pour véhicules guidés autonomes (AGV) s’appuyant sur un réseau 5G privé dédié. Ce type d’application profite des capacités de communication ultra-fiable à faible latence (URLLC) de la 5G. Cette solution utilise la 5G pour communiquer les commandes destinées aux AGV par radio.
N’importe quel protocole de bus de terrain industriel temps-réel, tel que PROFINET ou EtherCAT, convient à ce type d’application. En plus de prendre en charge les nombreux protocoles industriels disponibles dans les routeurs ICR-4400, la solution Advantech offre également une solution robuste de classe industrielle et des fonctions de routage L3 complètes, pour simplifier l’intégration à l’infrastructure informatique de l’entreprise. Grâce aux modules RouterApp, aux microservices et à la compatibilité avec Docker pour la conteneurisation, cette solution permet aux utilisateurs d’assurer facilement la maintenance de leurs dispositifs et d’ajouter de nouvelles applications professionnelles sur les passerelles lorsque c’est nécessaire.
L’avenir de la 5G et de l’IIoT
Pour être prêts à fournir les bonnes solutions au bon moment, il importe de se projeter dans un avenir d’environ cinq ans. À cette échéance, nous pensons que l’intelligence artificielle des objets (AIoT) sera le principe moteur de la plupart, voire de la totalité, des applications IoT de classe industrielle.
Il y aura deux aspects déterminants : l’IA dans le cloud et l’IA en périphérie de réseau (edge AI).
Les services IA basés dans le cloud seront axés sur la formation et l’optimisation des modèles IA. Des serveurs capables de gérer ces charges de travail sont déjà disponibles sur le marché. Quant à l’IA au niveau edge, elle assurera les inférences en temps réel permettant de répondre aux besoins des utilisateurs industriels, au jour le jour et à la seconde près. L’apprentissage automatique rudimentaire est une technologie indispensable pour l’IA edge, et de grands acteurs s’emploient à intégrer des capacités IA edge à leurs routeurs 5G, afin que l’IA des objets devienne une réalité.
Réaliser l’AIoT
Grâce à des technologies de connectivité comme la 5G et LPWAN, les passerelles modernes sont idéales pour récupérer des données provenant du terrain, les traiter, les conserver et les transmettre aux serveurs cloud optimisés pour l’entraînement de modèles IA.
Une fois cet entrainement réalisé, s’appuyer sur les technologies IA edge permet de déployer les modèles IA sur tous les dispositifs du site afin de générer des inférences localement. À partir de là, les décisions importantes et urgentes peuvent être prises instantanément sans avoir à envoyer de données dans le cloud, ce qui permet de réagir plus rapidement, de renforcer la sécurité, de réduire la dépendance à la connectivité Internet et de diminuer les coûts énergétiques.
De temps en temps, des données filtrées sont renvoyées vers le cloud pour permettre l’optimisation et le peaufinage de modèles IA existants. Cela permet l’amélioration continue des modèles IA. Nous pensons que l’inférence en temps réel sur le dispositif edge lui-même sera la prochaine phase de l’AIoT. D’autres améliorations seront obtenues en se concentrant sur la manière dont ces technologies pourront travailler ensemble de manière plus efficace.
La 5G est donc appelée à transformer les applications IIoT grâce à l’amélioration des performances et de la fiabilité, à la prise en charge de nouveaux services, et à la souplesse d’utilisation d’infrastructures privées, publiques et hybrides, pour garantir la résilience, la qualité de service et le coût recherchés. Il s’agit d’une technologie révolutionnaire qui va jouer un rôle clé dans l’atteinte des objectifs de la quatrième révolution industrielle qui se profile à l’horizon.
Des acteurs de premier plan comme Advantech développent des passerelles haut-débit compatibles 5G, pour répondre aux besoins des utilisateurs industriels, montrant ainsi qu’ils sont prêts à saisir les opportunités offertes par la 5G pour proposer des applications IIoT avancées offrant une vitesse, une latence, une capacité et une flexibilité nettement améliorées.
