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21/02/2025
Transformación Digital y Conectividad 5G en la Industria
A medida que la digitalización avanza, las redes 5G se posicionan como una tecnología clave para la transformación industrial. La evolución de la automatización, la inteligencia artificial y la conectividad de dispositivos depende de la implementación de infraestructuras de comunicación eficientes, capaces de garantizar baja latencia, alta confiabilidad y seguridad en la transmisión de datos (5G-ACIA, 2019). En este contexto, la adopción de las redes 5G en la industria no solo mejora los procesos productivos, sino que también permite el desarrollo de nuevas aplicaciones tecnológicas que impulsan la eficiencia y la innovación en los entornos industriales.
Se hace evidente, que la creciente interconexión de dispositivos y máquinas en entornos industriales ha generado la necesidad de redes de comunicación avanzadas que permitan gestionar grandes volúmenes de datos en tiempo real. La capacidad de las redes 5G para integrar soluciones como la computación en el borde de acceso múltiple (MEC, Multi-Access Edge Computing) y las redes sensibles al tiempo (TSN, Time-Sensitive Networking) representa una ventaja clave en la optimización de los procesos industriales (Mahmood et al., 2022). Estas tecnologías no solo mejoran la capacidad de respuesta de los sistemas, sino que también permiten una mayor flexibilidad en la producción y en la toma de decisiones estratégicas dentro de la industria.
De este modo, la implementación de redes privadas no públicas (PNI-NPN, Public Network Integrated – Non-Public Network) ha surgido como una solución viable para garantizar la seguridad y la disponibilidad de la conectividad en entornos industriales. Por un lado, una implementación aislada de redes 5G ofrece un mayor control y privacidad sobre la infraestructura. Por otro lado, una red integrada con infraestructura pública puede reducir costos y facilitar la escalabilidad de los servicios, lo que representa una ventaja significativa en términos de eficiencia operativa (Aijaz, 2020). En este sentido, la elección del modelo de implementación dependerá de factores clave que ejercen una influencia decisiva, entre ellos la necesidad de comunicación en tiempo real, la criticidad de los procesos industriales y los requerimientos de seguridad en la transmisión de datos. (Ordonez-Lucena et al., 2019).
El Futuro Industrial con Redes 5G
La tecnología 5G está revolucionando la conectividad en los entornos industriales, proporcionando comunicación ultra confiable y de baja latencia para habilitar la digitalización y la automatización en la industria. La evolución de los sistemas ciberfísicos industriales depende en gran medida de la implementación de redes 5G eficientes y seguras, las cuales permiten mejorar la interoperabilidad, la escalabilidad y la capacidad de adaptación de los procesos productivos.
La implementación de redes privadas no públicas (PNI-NPN, Public Network Integrated – Non-Public Network) y su integración con infraestructura de red pública plantea una disyuntiva clave para la industria: ¿optar por redes completamente aisladas o aprovechar la infraestructura existente de los operadores móviles? Este artículo describe algunas opciones disponibles, los costos y los desafíos técnicos que conlleva cada modelo de implementación, proporcionando una visión estratégica para la toma de decisiones en la adopción de redes 5G industriales.
Opciones de Implementación de Redes 5G en Entornos Industriales
Es importante destacar, que la implementación de redes privadas no públicas con infraestructura de red pública (PNI-NPN, Public Network Integrated Non-Public Network) puede ser una opción preferida para muchas empresas industriales, ya que el despliegue y operación de una red aislada requiere recursos y esfuerzos adicionales para la gestión de la red (GSMA, 2020). Además, una implementación aislada implica costos de instalación elevados, mientras que una PNI-NPN, alojada por un operador de red pública, puede requerir menores costos operativos y de capital (Aijaz, 2020). Los costos de la infraestructura necesaria, como el control de la red central, los dispositivos de computación en el borde de acceso múltiple (MEC, Multi-Access Edge Computing), la red de acceso por radio frecuencia (RAN, Radio Access Network) con su unidad de banda base y cabezales de radio frecuencia, y los equipos de usuario (UE, User Equipment), deben considerarse. En el caso de una implementación aislada, la empresa asume el costo de la infraestructura, mientras que, en una configuración alojada por un operador de red pública, la infraestructura es proporcionada por el operador de red móvil (MNO, Mobile Network Operator), lo que implica costos por el arrendamiento o uso de los servicios del MNO (Ordonez-Lucena et al., 2019). Por lo tanto, los costos asociados a los servicios gestionados por los MNO en una PNI-NPN, así como las actualizaciones y licencias (software, frecuencia, etc.) en implementaciones aisladas, deben ser considerados al seleccionar una opción de implementación (5G-ACIA, 2019). Aunque el costo puede ser un factor decisivo en la implementación de redes 5G en entornos industriales, una implementación aislada permite un control total sobre el diseño y la configuración de la red. Esto no solo habilita la propiedad exclusiva de los datos, sino que también proporciona el más alto nivel de confiabilidad, disponibilidad, privacidad y seguridad de los datos (Sisinni et al., 2018). Las características de los diferentes escenarios de implementación de redes 5G se resumen en la Tabla III.
Tabla III. Evaluación de las opciones de implementación de redes 5G.
Implementación Aislada de Redes 5G: Factores Clave para Aplicaciones de Baja Latencia
Otro factor a considerar en la implementación de redes 5G puede ser la necesidad de aplicaciones que requieran baja latencia o comunicación determinista en tiempo real. Dichas aplicaciones pueden beneficiarse más de una implementación aislada, específicamente a través de un despliegue integrado de redes 5G con redes sensibles al tiempo (TSN, Time-Sensitive Networking) (5G-ACIA, 2020). En consecuencia, un factor determinante es la ubicación del plano de usuario (UPF, User Plane Function), el cual habilita el funcionamiento local de aplicaciones críticas en tiempo real, junto con la disponibilidad de recursos de computación en el borde de acceso múltiple, algo usualmente requerido en aplicaciones industriales (Mahmood et al., 2022). Además, la posibilidad de gestionar localmente la señalización de control de comunicación y ajustar los parámetros de calidad del servicio (QoS, Quality of Service), mediante una implementación aislada o una implementación compartida de RAN, es una ventaja adicional en términos de disponibilidad y robustez. La señalización de control de comunicación implica el intercambio de información que permite el acceso del equipo de usuario a la red, como autenticación, asignación de recursos, movilidad, etc. (Rostami, 2019). La personalización de QoS se refiere a la flexibilidad para configurar los parámetros de la red de manera que se cumplan los requisitos del caso de uso específico. Estos requisitos pueden identificarse a través de parámetros como el rendimiento, la latencia, la fluctuación de la latencia y la confiabilidad (Zhang et al., 2023). No obstante, además de estos parámetros de rendimiento, también deben considerarse la disponibilidad del servicio, la escalabilidad de la red, la privacidad y la seguridad de los datos en escenarios industriales. Por lo tanto, con un mayor grado de aislamiento de la red, se puede lograr un mejor rendimiento y una mayor flexibilidad en la red (Aijaz, 2020).
Implementación de Redes 5G: Comparación entre Modelos Integrados y Aislados
A la luz de lo anterior, la elección entre una implementación de red 5G aislada o una integrada a una red pública dependerá de múltiples factores, que considera costos, control sobre la infraestructura, requisitos de baja latencia y flexibilidad de la red. Mientras que una red PNI-NPN puede reducir los costos operativos al aprovechar la infraestructura existente de los operadores de red móvil, una implementación aislada ofrece ventajas en términos de seguridad, privacidad y control total sobre la red. Además, en aplicaciones industriales que requieren comunicación en tiempo real y determinismo en la transmisión de datos, la ubicación del plano de usuario y la capacidad de personalizar parámetros de calidad de servicio, cumplen una función determinante. A medida que la tecnología 5G evoluciona y se adapta a los requisitos industriales, las organizaciones deben evaluar cuidadosamente sus necesidades específicas para incorporar la opción de implementación más adecuada (Aijaz, 2020; GSMA, 2020).
Opciones de Despliegue para Redes Industriales en la Era de la Automatización
Claramente, la evolución de la automatización industrial ha impulsado la necesidad de redes inalámbricas confiables, seguras y eficientes. Además, las redes privadas no públicas (PNI-NPN) han surgido como una solución viable para cumplir con los exigentes requisitos de calidad de servicio (QoS) y seguridad en entornos industriales. En este contexto, es fundamental evaluar las diferentes opciones de despliegue y su impacto en la conectividad industrial, considerando aspectos como el aislamiento, la interoperabilidad y la escalabilidad de las redes inalámbricas.
Redes Centrales Livianas y Aislamiento para Seguridad
Desde la perspectiva de la calidad de servicio QoS, un operador de red puede desplegar una red central liviana personalizada con funciones centrales y un plano de usuario (UPF) dentro de las instalaciones industriales para cumplir con los requisitos de una aplicación específica (Prados-Garzon et al., 2021). Sin embargo, en términos de seguridad operativa (OT), el aislamiento de la infraestructura de la planta es una estrategia clave para evitar accesos no autorizados y garantizar el cumplimiento de normativas de privacidad y seguridad (Rostami, 2019; Ordonez-Lucena et al., 2019). De esta forma, las medidas de seguridad implementadas por los operadores en la red de acceso de radio (RAN) y en la red central pueden ser suficientes para satisfacer las necesidades de ciertos casos de uso. Así, el nivel de aislamiento adecuado debe determinarse en función del escenario de aplicación y las garantías proporcionadas por el operador de red al considerar la opción de despliegue PNI-NPN.
Redes Centrales Livianas y Aislamiento para Seguridad
En el ámbito de la automatización industrial, la digitalización, la robustez y la sostenibilidad han impulsado la adopción de plataformas robóticas, diseños de manufactura flexibles y la personalización de productos. Por esta razón, las unidades de la línea de producción pueden requerir reemplazo para adaptarse a las especificaciones de los productos. Además, las plataformas robóticas pueden aumentar la productividad al proporcionar movilidad y asistencia a los operarios en la fabricación. Estas innovaciones han transformado los procesos de automatización, pero dependen de sistemas de comunicación inalámbrica confiables y de alto rendimiento (Mahmood et al., 2022). En algunos casos, es necesario descargar grandes volúmenes de datos y procesarlos rápidamente, lo que hace que el despliegue aislado sea una solución ideal, ya que permite personalizar y configurar la calidad de servicio QoS de la red, los recursos computacionales y la infraestructura según los requisitos de cada aplicación. Aunque la tecnología 5G no reemplaza todas las tecnologías de comunicación industrial, sí ofrece conectividad móvil e inalámbrica para la digitalización y automatización de la manufactura. Por lo tanto, la elección de un despliegue adecuado depende de los requisitos específicos de cada caso de uso industrial.
Casos de Uso y Opciones de Despliegue de Redes
Al considerar los requisitos de diversas aplicaciones industriales (Gangakhedkar et al., 2018; 5G-ACIA, 2020; Vannithamby & Soong, 2020), se han identificado los casos de uso más adecuados para cada opción de despliegue, los cuales se resumen en la Tabla III. Por un lado, el control de movimiento y la realidad aumentada (RA, Augmented Reality) requieren un despliegue aislado, ya que el control de movimiento exige una programación con conocimiento del tiempo y una comunicación cíclica determinista estricta de menos de 0.5 ms, mientras que la RA necesita una retroalimentación rápida tras el procesamiento de tareas complejas en el borde. Por otro lado, el despliegue en red de acceso compartido es adecuado para la comunicación entre controladores y el control en lazo cerrado, donde los requisitos de fiabilidad, latencia y determinismo son menos estrictos en comparación con el control de movimiento y generalmente no requieren interacción con la red pública. En este contexto, la comunicación cíclica en la comunicación entre controladores es de 4 a 10 ms, mientras que en el control en lazo cerrado varía entre 10 y 100 ms (Gangakhedkar et al., 2018). Asimismo, el despliegue en red de acceso compartido con plano de control es más adecuado para robots móviles, de unos100 ms de tiempo de ciclo, y la monitorización de procesos de cerca 50 ms de tiempo de ciclo, ya que puede necesitar una amplia cobertura de servicio y conexión con la red pública. Del mismo modo, la opción de red pública gestionada por un operador es óptima para redes masivas de sensores inalámbricos y la gestión de activos en plantas, dado que estos casos de uso tienen requisitos menos exigentes y pueden requerir interconexión con la red pública.
Por ende, aunque el despliegue aislado ofrece múltiples ventajas sobre otras opciones, la decisión final debe basarse en los requisitos funcionales, de rendimiento y operativos de cada caso de uso industrial. Además, el costo del despliegue es un factor fundamental a considerar en la planificación de la infraestructura de redes industriales.
Transformación Digital con Redes 5G Industriales
El despliegue de redes 5G en la industria abre nuevas oportunidades para la automatización, la eficiencia operativa y la optimización de la comunicación en entornos de producción avanzados. Casos de uso como la manufactura flexible, la robótica colaborativa y la realidad aumentada en fábricas demuestran el impacto de esta tecnología en la evolución hacia la Industria 4.0.
Es necesario mencionar, que el reto no solo radica en la adopción de la tecnología, sino en la selección del modelo de implementación más adecuado para cada escenario industrial. Mientras que una implementación aislada ofrece control total sobre la red y mayor seguridad, una integración con infraestructura de red pública reduce costos y permite mayor escalabilidad. La clave del éxito en la adopción de redes 5G en la industria dependerá de un análisis profundo de las necesidades específicas de cada aplicación, priorizando la confiabilidad, la seguridad y la capacidad de personalización de los servicios.
Adaptación Tecnológica y la Evolución de la Conectividad Industrial
En vista de los avances tecnológicos, la adopción de redes 5G en la industria será un factor determinante en la evolución de los procesos productivos y de la automatización. La capacidad de estas redes para proporcionar conectividad confiable y segura permitirá la integración de nuevas tecnologías como la robótica avanzada, la inteligencia artificial y la realidad aumentada en los entornos de manufactura (Gangakhedkar et al., 2018). Estas innovaciones facilitarán la optimización de la producción, la reducción de costos operativos y la mejora en la eficiencia de los sistemas industriales.
Es oportuno subrayar, que el impacto de las redes 5G en la industria trasciende la simple conectividad, ya que habilita el desarrollo de modelos de producción más flexibles y eficientes. La implementación de infraestructuras de comunicación avanzadas permitirá la personalización de los procesos productivos y la adaptación a las demandas del mercado en tiempo real. Además, la integración de tecnologías como el aprendizaje automático y la computación en el borde fortalecerá la capacidad de análisis de datos y la toma de decisiones basada en información precisa y en tiempo real (Mahmood et al., 2022).
Como se ha reiterado, es fundamental que las empresas y los profesionales de la industria se mantengan actualizados sobre los avances en tecnologías de comunicación, ya que la transformación digital está redefiniendo los paradigmas de la producción industrial. La investigación y el desarrollo en este campo permitirán la creación de soluciones innovadoras que optimicen el rendimiento de las redes y garanticen altos niveles de seguridad y confiabilidad en la transmisión de datos (Zhang et al., 2023). La evolución de las redes 5G representa una oportunidad para las nuevas generaciones de profesionales y empresas, quienes deberán adaptarse a un entorno tecnológico en constante cambio para aprovechar al máximo el potencial de estas tecnologías en la industria del futuro.
El Avance de la Conectividad Industrial con 5G
Es fundamental destacar, que el presente artículo ha sido orientado por la publicación “5G Deployment Models and Configuration Choices for Industrial Cyber-Physical Systems – A State of Art Overview”, de los autores Raheeb Muzaffar, Mahin Ahmed, Emiliano Sisinni, Thilo Sauter y Hans-Peter Bernhard. Esta investigación, publicada en IEEE Transactions on Industrial Cyber-Physical Systems (2023), ofrece un análisis detallado sobre las opciones de despliegue y configuración de redes 5G en entornos industriales, proporcionando información valiosa para la evolución de la automatización y la digitalización en la industria.
En consecuencia, es importante resaltar que este trabajo se encuentra bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0), lo que permite su libre distribución y reutilización siempre que se otorgue el debido crédito a los autores originales. Así, este tipo de licencia fomenta el acceso abierto al conocimiento científico, facilitando que investigadores, profesionales de la industria y académicos puedan aprovechar y expandir los hallazgos en beneficio del desarrollo tecnológico. Además, el acceso a publicaciones con licencias abiertas acelera la innovación, promoviendo el intercambio de ideas y el avance de soluciones aplicadas a entornos industriales cada vez más complejos.
Asimismo, es relevante señalar la trayectoria de los autores de esta publicación, quienes cuentan con una sólida experiencia en el ámbito de las telecomunicaciones, la automatización industrial y las redes de comunicación inalámbrica. Raheeb Muzaffar y Mahin Ahmed se han especializado en redes 5G/6G para el Industrial Internet of Things (IIoT) y la interoperabilidad de sistemas ciberfísicos. Por su parte, Emiliano Sisinni ha desarrollado investigaciones en sensores inteligentes y comunicaciones industriales, mientras que Thilo Sauter ha contribuido significativamente en la estandarización de redes para la automatización y la integración de sistemas inteligentes. Finalmente, Hans-Peter Bernhard ha liderado estudios sobre infraestructura de redes inalámbricas y seguridad en la conectividad industrial.
En definitiva, el conocimiento generado por expertos en el área, respaldado por publicaciones de acceso abierto, desempeña un papel clave en la evolución de la conectividad industrial. A medida que las redes 5G continúan transformando los procesos productivos, la colaboración entre investigadores, empresas y profesionales del sector será determinante para optimizar el despliegue y la aplicación de estas tecnologías en la industria del futuro.
Recomendaciones Bibliográficas
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