Aplicaciones industriales de 5G

Las tecnologías 5G se presentan como un factor clave para hacer realidad el concepto de Industria 4.0: un paradigma basado en escenarios industriales completamente interconectados, con objeto de mejorar la eficiencia, calidad y rendimiento de los procesos industriales. Las tecnologías 5G de Virtualización de Funciones de Red (NFV) y las Redes Definidas por Software (SDN) proporcionan un entorno flexible y eficaz para el despliegue de servicios virtuales y para su interconexión a través de elementos de red, respectivamente. Gracias a estas tecnologías, el ciclo de diseño, prueba y despliegue de servicios que incluyen recursos de procesamiento, almacenamiento y comunicaciones puede reducirse y simplificarse drásticamente, facilitando la innovación y optimizando la utilización de los recursos hardware y de red.

El CFAA aloja uno de los nodos de la plataforma Smart Networks for Industry (SN4I), una red de comunicaciones NFV y SDN que interconecta dos localizaciones de la Universidad del País Vasco, Bilbao y Leioa, con el CFAA. Como resultado, SN4I proporciona un slicing de recursos de red, cómputo y almacenamiento para el despliegue de servicios simultáneos aislados y para experimentación. El despliegue de SN4I también ofrece la posibilidad de integrar tecnologías NFV con los protocolos de Internet Industrial y la cohexistencia con redes industriales como Time Sensitive Networks (TSN). Por tanto, SN4I complementa la actividad de investigación del CFAA en el campo de la fabricación avanzada con las tecnologías de red más recientes que proporcionan alto ancho de banda, baja latencia, creación de servicios bajo demanda, seguridad basada en SDN, etc.

La infraestructura SN4I posee una red troncal de 10 Gbps (con posibilidad de ascender a 40 Gbps) conformada por switches OpenFlow bajo el control del servicio DynPaC (Servicio de ancho de banda bajo demanda para redes SDN). Los tres nodos (separados por una distancia de alrededor de 15 km) están interconectados a través de esta red de nivel 2 utilizando encapsulado VLAN permitiendo así el aislamiento entre diferentes servicios. De forma aproximada, la configuración completa de SN4I incluye alrededor de una docena de switches y más de 20 servidores que en total suponen más de 1TB de RAM y unos 230 cores. También se dispone de varios switches P4 de alto rendimiento con interfaces de hasta 100 Gbps que permiten descargar funciones de red al plano de control para servicios con requerimientos críticos en cuanto a latencia, además de equipamiento para generar tráfico y medir el estado de la red (ancho de banda, latencia, BER, throughput, etc.)  hasta 100 Gbps.

La infraestructura completa está gestionada por Open Source MANO (OSM), una plataforma de Management and Orchestration (MANO) de NFV. En cada localización, se ha desplegado un nodo OpenStack como Gestor de Infraestructura Virtualizada (VIM), que consiste en varios servidores físicos. Uno de ellos actúa como controlador, y todos los servidores en conjunto proporcionan capacidades de cómputo y almacenamiento. Los nodos OpenStack están gestionados por OSM, que permite la instanciación de servicios de red que, por su parte, despliegan máquinas virtuales y enlaces virtuales. Además, cada nodo OpenStack está interconectado a través de un switch OpenFlow bajo el control de un controlador SDN ONOS local, que, en cooperación con OSM, gestiona la conectividad entre servicios virtuales del nodo OpenStack y hacia fuera del nodo. Más recientemente, SN4I se ha actualizado para acomodar VIMs basados en Kubernetes, que permiten el despliegue de aplicaciones contenerizadas más apropiadas para satisfacer los requerimientos de baja latencia del paradigma edge computing (computación en el borde) y de microservicios.

Por el momento, toda la planta del CFAA dispone de cobertura 5G proporcionada dentro del proyecto 5G-Euskadi. Se dispone de un servicio 5G Enhanced Mobile Broadband (eMBB) sobre una arquitectura Non Stand-alone (NSA), y se espera (para finales de este año) disponer de un servicio 5G Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) completamente operativo sobre una arquitectura  Stand-alone (SA). Este nuevo servicio será la base para cumplir los requerimientos de baja latencia y de comunicaciones  críticas característicos de los escenarios IoT Industriales (IIoT). Asimismo, se proporciona un servicio 5G NPN  mediante un gNodeB experimental que da cobertura a áreas específicas de la planta del CFAA. Este montaje permite la integración de sensores 5G y routers 5G junto con las máquinas, lo que aporta cierto valor añadido a los procesos de fabricación. Por otro lado, existe un eNodeB que provee cobertura NB-IoT y LTE-M a sensores con recursos limitados. Además, se ha integrado una Red de Sensores Inalámbrica (WSN) en la arquitectura de SN4I, permitiendo el despliegue de sensores con recursos limitados en el CFAA para monitorizar diferentes parámetros ambientales como temperatura, humedad, y luminosidad.

En definitiva, SN4I proporciona una flexibilidad que permite hacer slicing de los recursos disponibles en la infraestructura y asignarlos bajo demanda  a los diferentes servicios virtuales. Esta flexibilidad también se extiende a los recursos de red, garantizando un completo aislamiento, tanto a nivel de privacidad como de rendimiento, entre los servicios virtuales de los diferentes procesos de fabricación. Estos servicios mejoran drásticamente gracias a la implantación de redes 5G y LTE para la integración de sensores, lo que proporciona valor añadido a los procesos de fabricación. De esta forma, se consiguen comunicaciones inalámbricas de baja latencia entre las máquinas, los sensores y las infraestructuras de cómputo, que sientan las bases para una nueva generación de aplicaciones industriales.