Coiffé de son casque de réalité augmentée, le technicien de maintenance attend. Le robot de soudure par points va bientôt s’arrêter. Il va falloir le réviser. L’homme sait qu’il n’a qu’une journée pour réaliser sa tâche car, ce soir, cette station d’assemblage reprendra du service, reconfigurée pour fabriquer une autre pièce.
Avec un robot en pleine forme. Qui ne risque pas de tomber en panne. En effet, un analyste des données a pu jauger l’état de santé de la machine et préconisé une intervention lors du changement de production. Le tout sur la base des données envoyées en temps réel par le robot dans le cloud local via un réseau cellulaire privé.
Le technicien n’est pas familier de ce modèle. Il a prévu de faire appel aux experts du fabricant japonais de robots à travers ses lunettes de réalité augmentée connectées. Devant leurs ordinateurs, à l’autre bout du globe, ils pourront voir l’état du module qui pose problème et lui indiquer la procédure à suivre. S’il a un doute, ils lui enverront des vidéos en haute définition grâce au haut débit qui inonde l’usine. Pour s’assurer de la bonne marche de l’opération, les Japonais auront accès, en temps réel, aux modifications effectuées par le technicien. L’un des multiples petits robots mobiles intelligents, héritiers des AGV, circulant dans l’usine lui fournira les outils dont il aura besoin en un rien de temps.
Une architecture télécoms pour l'usine du futur
Cette usine du futur, c’est la promesse de la 5G. Bien loin des usages grand public auxquels elle est le plus souvent associée, cette technologie apparaît comme un formidable accélérateur de l’industrie 4.0. Maintenance prédictive, usine reconfigurable, réalité augmentée, big data industriel, connectivité généralisée, flottes d’AGV intelligents… Grâce à la 5G, ces nouveaux outils pourraient se généraliser dans les usines avec une efficacité, une facilité d’usage et une sécurité démultipliées.
Une rupture annoncée. Et pour cause : « La 5G, baptisée aussi nouvelle radio (NR), est un véritable bouleversement car elle introduit une toute nouvelle architecture de télécommunications, inédite dans l’ensemble des précédents réseaux cellulaires (4G, 3G et 2G) », assure Jean-Jacques Quisquater, cryptologue, professeur à l’université catholique de Louvain, en Belgique.
La 5G apportera aux industriels trois ruptures clés. D’abord un ultra-haut débit – jusqu’à 10 gigabits par seconde – sur une multitude d’appareils simultanément. Des performances comparables à celles du futur Wi-Fi 6, sans ses inconvénients. « En Wi-Fi, dès que la quantité de terminaux augmente, la qualité de service se détériore et le débit s’écroule », pointe Mathieu Lagrange, chercheur à l’Institut de recherche technologique B-com. Derrière cet exploit, la technologie du « massive multiple-input – multiple-output » (multiples entrées –multiples sorties), ou Mimo massif [voir infographie ci-dessous].
Deuxième rupture : la latence, soit le délai de la communication. Elle descendra avec la 5G au niveau des communications filaires. Jusqu’à passer sous la milliseconde selon les plus optimistes, « alors que l’on tournait plutôt entre 20, 50, voire 100 millisecondes en 4G », précise Jean-Baptiste Doré, chercheur au CEA-Leti. Une bascule liée à la technologie de transmission des informations.
« Une trame LTE (4G), soit l’unité temporelle dans laquelle on émet des messages, dure dix millisecondes et est subdivisée en sous-trames d’une milliseconde chacune, elles-mêmes partagées en deux slots de 500 microsecondes, détaille Mathieu Lagrange. En 5G, on peut diviser la sous-trame en beaucoup plus d’éléments temporels, jusqu’à huit slots de 125 microsecondes par sous-trame. À terminaux récepteurs équivalents, la 5G offre des opportunités d’émission plus nombreuses, et donc une latence plus faible. »
La fourniture de services réseaux garantis et adaptés à l’industrie constitue la troisième rupture, rendue possible par la virtualisation du réseau 5G (cœur de réseau et edge) qui permettra le découpage du réseau en tranches (« network slicing ») offrant des fonctionnalités et une qualité de services spécifiques.
Passage à la pratique
Reste à mettre ces performances en pratique dans les usines. Aujourd’hui, hormis quelques pionniers, les industriels, en particulier français, sont assez frileux. À leur décharge, les cadres régulatoires nationaux sont encore bien flous, notamment dans l’Hexagone. « Nous attendons les attributions de fréquences ! », clame Vincent Masztalerz, le directeur des systèmes automatisés chez Siemens France.
Pour ne rien arranger, les pays de l’Union européenne avancent en ordre dispersé. L’Allemagne et le Royaume-Uni réfléchissent à la possibilité de réserver une partie du spectre de la première bande directement à des verticaux – tout acteur qui n’est pas un opérateur télécoms, donc potentiellement des industriels –, alors que d’autres pays, comme la Finlande, devraient plutôt inciter les opérateurs propriétaires d’une bande de fréquences à en louer une partie aux industriels.
La France ne s’est pas encore décidée [lire l'encadré ci-dessous]. L’industrie devra peut-être se mobiliser pour capter les deux bandes les plus prometteuses pour elle : celle des 3,4-3,8 GHz – « où vous pouvez atteindre un débit d’un gigabit par seconde », indique Jose Costa Requena, chercheur en télécommunications à l’université Aalto, en Finlande – et celle des 26 GHz – « où l’on peut véritablement tabler sur 10 gigabits par seconde » et une latence ultra-faible.
Nouveaux standards au printemps
Autre frein, les standards d’une 5G optimisée pour l’industrie ne sont pas prêts, empêchant les fournisseurs d’offrir des équipements industriels certifiés. « La version 15 du standard 5G, publiée en 2018 par le 3GPP, qui regroupe les organismes de standardisation des télécoms, s’est focalisée sur l’ultra-haut débit (eMBB), avec les terminaux mobiles en tête, commence Édouard Castellant, directeur entreprises chez Nokia France.
Il faudra attendre la version 16 [prévue entre avril et juin, ndlr] pour les fonctions de haute fiabilité et de faible latence (uRLLC) et la 17 pour connecter des millions d’objets (mMTC). » Et encore « près d’un an » de plus pour que des composants (microprocesseurs, modems, routeurs…) adaptés soient commercialisés, ajoute Mathieu Lagrange.
Dans un tel contexte, Andreas Müller, le patron de la 5G-Acia, semble bien optimiste lorsqu’il estime voir des premiers cas d’usage de la 5G dans l’industrie, hors projets pilotes, dès le second semestre de cette année et une « adoption massive en 2021-2022 ». Antoine Garibal, directeur de la stratégie et du développement chez Siemens France, est plus prudent : « Nous devrons probablement attendre deux à trois ans avant de sortir de la phase expérimentale. Ce n’est pas la disponibilité d’une technologie qui crée la révolution, ce sont les cas d’usage. C’est cela qu’il faut mettre en évidence pour qu’il y ait un marché et les grands industriels doivent ouvrir la voie aux plus petits. »
Des réseaux privés pour les industriels
Avec une poignée de fabricants industriels allemands (Bosch, Siemens…) et suisse (ABB), les opérateurs et équipementiers télécoms ont entrepris de valider ces cas d’usage sur des pilotes. Ainsi, Nokia teste la 5G en parallèle de ses lignes de production connectées en LTE à Oulu, en Finlande, et « espère passer complètement en 5G dans les prochains mois », selon Édouard Castellant.
Le géant finlandais s’est aussi associé à Siemens depuis 2018 pour expérimenter le network slicing dans le port de Hambourg. Bosch Rexroth, de son côté, décline les cas d’usage de la 5G dans son usine de semiconducteurs à Reutlingen et, depuis février 2019, à Worcester, en Angleterre, avec un grand projet impliquant une dizaine de partenaires industriels et territoriaux. ABB utilise un réseau 5G pour faire tourner des algorithmes d’intelligence artificielle dans son usine d’Helsinki, en Finlande.
Un atout majeur de la 5G pourrait accélérer le mouvement : les industriels devraient bientôt être autorisés à déployer des réseaux privés locaux, au sein de l’usine. Une telle infrastructure leur garantirait non seulement l’autonomie technologique qu’ils pourraient craindre de perdre en connectant leurs machines via un réseau cellulaire, mais aussi une sécurité renforcée de leurs données grâce à un stockage local. Le tout avec des performances de réseau accrues (haut débit, faible latence, communications temps-réel datées).
Techniquement, cette fonction est déjà possible en 4G. « Le marché des réseaux privés LTE est déjà en plein boom aux États-Unis », souligne Mathieu Lagrange. Mais pas en Europe, où les opérateurs ont le monopole des fréquences. Cette situation évolue. Deutsche Telekom a proposé à Osram de tester un réseau privé 4G dans son usine de Schwabmünchen, en Bavière, en attendant la 5G. Siemens a annoncé, en novembre 2019, lors du salon Smart production solutions, à Nuremberg, avoir lancé avec Qualcomm le tout premier réseau privé intégralement en 5G.
De nouvelles relations à inventer
Déployer plus largement des réseaux privés de ce type impliquera de redéfinir les relations entre le fournisseur des équipements, l’opérateur du réseau et le client industriel. Édouard Castellant imagine un modèle « build operate transfer » (BOT), où son entreprise, Nokia, fournirait l’infrastructure 5G et pourrait, dans un premier temps, opérer le réseau lui-même ou via un intégrateur, puis confier cette tâche à l’opérateur.
Sur ce sujet, Antoine Garibal botte en touche : « Siemens produit des équipements de communication industriels et pourrait fournir, à une entreprise qui a demandé sa propre fréquence, les équipements adaptés. Mais nous avons vocation à servir des clients industriels pour des usages bien définis, pas à remplacer Orange ou Nokia. » Pour sa part, Mathieu Lagrange pense que de nouveaux acteurs pourraient investir ces micro-réseaux. « Je pense notamment à Atos, qui a racheté Air-Lynx, l’une des rares entreprises à opérer ce genre de petits réseaux en France. »
Malgré les incertitudes, l’horizon pourrait s’éclaircir rapidement. Les différents acteurs – 3GPP, fabricants de composants, équipementiers – accélèrent le mouvement afin de bientôt mettre des équipements 5G à disposition de l’industrie. Le potentiel de cette technologie pour l’industrie 4.0 est immense. Et l’enjeu suffisamment important pour ne pas laisser les Chinois, les Coréens et les Américains prendre une avance difficile à rattraper.
Le Grand Port du Havre sert de pilote à la France
La France n’a pas encore statué sur la bande des 3,4-3,8 GHz. Elle a préféré lancer, en octobre 2019, avec l’Autorité de régulation des communications électroniques et des postes (Arcep), une attribution expérimentale de la bande des 26 GHz pour tester 11 projets. L’allemand Siemens est partie prenante de l’un d’eux, au Grand Port maritime du Havre, avec Nokia, EDF et l’autorité du port. « Nous avons une usine, au Havre, qui fabrique des compresseurs pour le marché des hydrocarbures, indique Antoine Garibal, de Siemens France. Nous voulons tester des chaînes de communication 5G dans un environnement industriel et faire remonter des informations depuis les équipements Siemens déjà déployés sur le port. » Si le projet n’en est qu’à ses débuts, quelques cas d’usage ont déjà été identifiés : mesure de la consommation énergétique des équipements, réalité augmentée pour la maintenance et la maintenance prédictive… « Pour optimiser la couverture, nous avons demandé une portion de la bande de fréquences des 2,6 GHz également », précise Édouard Castellant, de Nokia. Plus adaptée pour couvrir un large territoire, celle-ci est, pour l’instant, réservée à la 4G. Mais, selon le chercheur Mathieu Lagrange, l’Arcep et le gouvernement voudraient « progressivement transférer son exploitation vers des réseaux 5G ».
