Industrie 4.0 : pourquoi la 5G va révolutionner le pilotage des robots en usine ?

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La 5G, avec les nombreux services qu’elle apportera, servira d’accélérateur pour la transformation digitale des industriels. Les nouvelles techniques radios 5G qui vont considérablement améliorer la latence et la fiabilité des communications sont en effet clefs pour répondre aux exigences du monde industriel. Explications.

1. Comprendre les exigences du domaine robotique dans l’industrie

Le service que nous présentons aujourd’hui se concentre sur le pilotage de robots en environnement industriel grâce à la 5G. Les comités de standardisation et les verticaux (comme l’industrie) ont défini un certain nombre d’exigences pour assurer le bon fonctionnement de robots contrôlés via des communications sans fil. Le temps de transmission d’un paquet d’un robot à une station de base doit être inférieur à 1 milliseconde. La probabilité de perdre un paquet doit être de l’ordre de 1 pour cent mille. Ces chiffres peuvent aujourd’hui être obtenus via une communication filaire (Ethernet) mais l’objectif de l’industrie du futur est de se passer de ces câbles afin de permettre la reconfiguration flexible des machines et de faciliter leur maintenance prévisionnelle. Le Wi-Fi ne permet pas de répondre à ces exigences car les transmissions sont généralement soumises à des interférences dans les usines.La 5G semble donc être la solution sans fil idéal pour répondre aux besoins de de la robotique industrielle…en particulier si on la couple à des solutions d’edge computing.

2. Un démonstrateur pour visualiser l’impact de la 5G sur le pilotage des robots

Ce démonstrateur présente un environnement industriel dont les robots peuvent être connectés en 4G ou en 5G afin de pouvoir comparer les performances de ces deux réseaux. Pour ce démonstrateur, nous avons implémenté un simulateur système dédié aux communications faibles latences. Les valeurs de latences calculées par ce simulateur ont été injectées dans un outil de visualisation 3D afin de comprendre leur impact sur une chaine de production robotisée. Ces deux outils ont été développés dans les laboratoires de R&D d’Orange.

On peut ainsi constater que les robots pilotés via la 4G fonctionnent très lentement. Il leur est ainsi impossible de réaliser des tâches complexes et leur productivité est réduite. A l’inverse, grâce à la 5G on peut voir que les robots ont un comportement fluide, rapide et des comportements parfaitement synchronisés ce qui leur permet de réaliser des tâches plus complexes. Ceci est possible grâce à l’utilisation de la technologie URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communication) que nous détaillons par la suite.

Quelles sont les techniques faibles latences introduites par la 5G ?

La nouvelle génération mobile introduit des nouvelles fonctionnalités qui permettent d’atteindre des valeurs de latences inférieures à la milliseconde.

  • Un espace plus large entre les porteuses (High Sub-Carrier Spacing -SCS)

La 5G utilise la structure de la trame radio de la 4G comme référence qui a une durée de 10 millisecondes et qui contient 10 slots de 1 milliseconde chacun. En 4G l’ordonnancement est effectué sur la base d’un slot, ce qui veut dire que ce slot est la granularité minimale avec laquelle on peut donner accès au canal à un utilisateur. Augmenter l’espace entre les porteuses signifie qu’il sera possible qu’une seule milliseconde accueille plusieurs slots. Par exemple, pour une période d’une milliseconde, un seul slot peut être transmis en 15KHz SCS, tandis que 2 slots peuvent être transmis en 30KHz SCS, 4 slots en 60KHz SCS, et même 8 slots en 120KHz SCS. L’avantage principal d’avoir plusieurs slots par sous trame est d’obtenir plus d’opportunités d’accès au canal et donc plus de possibilités de retransmission, ce qui est crucial pour améliorer la fiabilité

  • Une taille de slot plus petite (avec 7, 4 ou 2 symboles)

En 4G la durée d’un slot est fixée à 14 symboles, et dans le cas du 5G, le nombre de symboles par slot peut être configuré soit de manière « standards » avec 14 symboles comme en 4G, ou avec des slots petits de 2, 4 ou 7 symboles, c’est le concept de « mini-slot ». Un mini-slot peut commencer à n’importe quel symbole sans attendre le début de la frontière d’un autre slot. Ainsi cette fonctionnalité permet des transmissions plus courtes que la durée classique d’un slot et permet également aux transmissions de démarrer instantanément. Un mini-slot est défini par :

  • K ➔ identifie le slot.
  • S ➔ identifie le symbole de départ relatif au début du slot.
  • L ➔ identifie le nombre de symboles consécutifs à partir de S.

  • Un duplexage plus flexible en FDD et en TDD

Dans le domaine des communications radio, lorsqu’un paquet est transmis, un accusé de réception est exigé. En 5G, la relation temporelle entre la réception des données et la transmission de l’accusé de réception a été optimisé par rapport à la 4G. En 4G, quand une information est transmisse dans un slot n, l’accusé de réception pour cette information est seulement envoyé dans la sous trame n+4. En 5G, cet accusé de réception peut être transmis dans la sous trame n+1, 2, 3 ou 4. Ce paramètre sera choisi en fonction des capacités de calcul du dispositif mobil et de la charge du réseau.

Ces trois techniques font parties des fonctionnalités les plus importantes intégrées au sein du standard 5G puisqu’elles permettent de réduire significativement la latence …et donc de répondre aux exigences de l’industrie 4.0.

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Ana Galindo-Serrano

J’ai obtenu mon diplôme d'ingénieur en télécommunications et électronique de l'Institut supérieur politique José Antonio Echeverria, La Havane, Cuba, en 2007 et mon doctorat au département de théorie des signaux et communications (TSC) de l'Université technique de Catalogne (UPC) en 2012. En 2012, j’ai rejoint Orange Labs en tant qu'ingénieur de recherche. Mes recherches portent sur la conception de systèmes de communication mobile, plus spécifiquement pour les communications critiques. Je m’intéresse aussi à l’économie d’énergie et le développement durable.