Fábricas inteligentes

Indicadores clave de rendimiento vitales para redes de telefonía celular en fábricas conectadas de manera inalámbrica

Una fábrica inteligente es un entorno crítico que debe cumplir con estrictos requerimientos para la conectividad y confiabilidad de la máquina, la protección de datos y la seguridad de personas, de manera especial si esta conectividad se proporciona mediante tecnologías inalámbricas.

La redundancia es una manera probada de incrementar la confiabilidad. Cada lugar en una fábrica inteligente debe tener al menos cuatro puntos de acceso inalámbricos. Las pruebas in situ son la única manera de verificar este acceso, no solo en el momento de la instalación sino también después de cada reconfiguración de la maquinaria o cambio de la disposición del edificio, debido a que los cambios estructurales pueden tener impacto en las condiciones de propagación de ondas de radio.

Es necesario una accesibilidad inalámbrica confiable y ubicua pero no es suficiente para un funcionamiento sin problemas. Otro requerimiento es el rendimiento medido de manera adecuada no solo del flujo de datos alcanzable sino también, y a menudo más importante, de la latencia o del tiempo que la señal necesita para pasar a través del sistema. Las latencias de las tecnologías de las comunicaciones de celulares anteriores, incluso hasta redes 4G, no eran lo suficientemente bajas para cumplir con los requerimientos de control en tiempo real. Esto ya no es cierto para redes 5G, las cuales tienen latencias de pocos milisegundos.

La latencia viene en dos formas: ida y vuelta y unidireccional (fig. 1). Los casos de uso de realidad virtual o aumentada necesitan de latencia de ida y vuelta baja para actualizar rápidamente el contenido de las imágenes para mantener los datos fusionados consistentes con la imagen en vivo cuando las personas que están utilizando lentes AR/VR muevan sus cabezas. En cambio, el control en tiempo real de una máquina conectada requiere de una latencia unidireccional baja. Los comandos de control, por ejemplo, un comando de parada para un robot, debe conducir a una acción inmediata.

Las cinco fases de las mediciones de redes

Cuando se planifica una fábrica en su conjunto, las redes inalámbricas se implementan en fases basadas en un plan de mediciones de cinco fases. La figura 2 muestra las cuatro primeras fases para verificar que las redes cumplan con estrictos requerimientos de confiabilidad y rendimiento.

Fase 1: preparación del despliegue

En Alemania y en algunos otros países, las frecuencias 5G se reservan para redes en instalaciones privadas o redes privadas y los operadores pueden solicitar utilizar estas frecuencias. La instalación y operación de estas redes pueden organizarse de manera interna, pero normalmente otros proveedores de servicios los realizan. En países que no disponen de frecuencias exclusivas en sus instalaciones privadas, la conectividad de la fábrica supone reservar recursos de un operador de redes principal, quien a su vez consolida sus redes por toda la fábrica o instala estaciones base adicionales en la misma para cumplir con los requerimientos.

Si las redes utilizan bandas de frecuencia de instalaciones privadas, el espectro necesita una verificación inicial para ver si existen interferencias. La experiencia muestra que esto no puede darse por sentado con un espectro recién asignado y no utilizado con anterioridad. Los escáneres de redes R&S®TSMx6, los analizadores de espectro portátiles R&S®FPH/R&S®FSH y los receptores para ensayos portátiles R&S®MNT100/R&S®PR200 realizan las mediciones necesarias.

Fase 2: ensayos de aceptación in situ

La segunda fase consiste en probar y validar las estaciones base recién desplegadas. Esto incluye ensayos funcionales simples tales como ensayos de descarga/carga, mediciones de latencia de ida y vuelta, análisis de espectro de RF over-the-air (OTA) y decodificación de señales para la verificación de datos PCI, SSB y SIB para señales de anclaje 5G y LTE.

La decodificación de señales también ayuda a la localización de averías en parámetros específicos en el caso de que haya problemas o resultados inesperados. La gama de productos de Rohde & Schwarz tiene los instrumentos perfectos para estas tareas. QualiPoc Android, software de medición basado en un smartphone, evalúa el servicio de redes de telefonía celular desde la perspectiva del usuario mediante ensayos funcionales (DL, UL, ping/TWAMP). El analizador de espectro portátil R&S®Spectrum Rider FPH es la herramienta ideal para mediciones del espectro OTA, mientras que el R&S®5G STS brinda un panorama general de la situación de redes de telefonía celular lo que permite la rápida identificación de cualquier debilidad o área problemática.

Fase 3: mediciones de cobertura y rendimiento

Ahora viene el ensayo real. El objetivo es asegurarse de que las redes proporcionan el rendimiento requerido por toda la fábrica. El escáner de redes R&S®TSMx6 realiza mediciones por toda fábrica para ver cuántos puntos de acceso de redes diferentes poseen una buena potencia de recepción (RSRP) y buena calidad como relación señal a interferencia más ruido (SINR) en cada ubicación. Como se mencionó anteriormente, al menos se desea una cuádruple redundancia. QualiPoc Android puede comprobar la capacidad en tiempo real de la conexión mediante la combinación del perfil de tráfico emulado, la medición de latencia y la calidad de transmisión en una sola prueba de interactividad (ver fig. 4 y 5). El software de optimización en tiempo real R&S®SmartONE permite la inmediata visualización de resultados de medición y la mejora específica de áreas problemáticas.

Fase 4: monitoreo de la calidad de servicio

Las mediciones de la fase 4 son necesarias en fábricas donde redes inalámbricas son la infraestructura crítica y un mal funcionamiento provocaría grandes pérdidas de rentabilidad y productividad. Esto significa que el propietario de la fábrica necesita un contrato de nivel de servicio (SLA) claramente definido con su operador de red y la capacidad de verificar continuamente el cumplimiento del SLA. Se distribuyen sensores de RF a medida por toda la fábrica y en los vehículos de guiado automático (AGV) y en los robots móviles autónomos (AMR). Estos sensores miden periódicamente la calidad de la conexión, incluida la latencia, en cada ubicación y reportan los resultados al centro de monitoreo (SmartMonitor), en donde se visualizan en un panel de control en tiempo real. Herramientas como SmartAnalytics ofrecen un análisis de datos fuera de línea más detallado. El software utiliza aprendizaje automático para identificar tendencias y anomalías identificándolas rápidamente para que puedan tomarse medidas preventivas antes de que realmente se produzca el caso de fallo.

Fase 5: verificación de la compatibilidad prescrita con el mundo exterior

El término de la fase 4 marca el final del proceso de configuración y las redes ya se encuentran operativas. La tarea final es asegurar el cumplimiento de las condiciones de la licencia para redes privadas que especifican que las señales de fuga fuera del área de cobertura previstas deben permanecer por debajo de los límites definidos. Esto ayuda a prevenir interferencias con cualquier vecino que utilice la misma banda de frecuencias o una banda de frecuencias adyacente. Se recomienda a los propietarios de fábricas verificar el cumplimiento y se lo puede hacer con una solución «walk test» como el R&S®Freerider4 o un escáner de redes montado en un dron (fig. 3).

Resumen

Muchas industrias necesitan convertir sus fábricas en fábricas inteligentes. Las operaciones organizadas de manera convencional tendrán dificultades para competir con los mejores costos y la mayor flexibilidad de la nueva generación de fábricas. Una característica es la completa conectividad de los equipos con comunicaciones inalámbricas (5G) de baja latencia. Las soluciones de prueba y medición correctas facilitan la configuración y el funcionamiento de estas redes. La gama de productos de Rohde & Schwarz ofrece a los operadores de redes y a los propietarios de fábricas todo lo que necesitan.