Se a robótica e as comunicações celulares parecem companheiros estranhos, é porque a quinta geração sem fio, 5G, é a primeira a atender sem fio à necessidade de tais aplicativos, em vez de apenas aumentar as taxas de dados e expandir a cobertura como as gerações anteriores fizeram. Este ambicioso padrão, denominado IMT-2020 pela International Telecommunications Union (ITU) que os regula globalmente, irá realizar isso revolucionando completamente a forma como as redes celulares são construídas, os dispositivos com os quais podem se conectar, as frequências nas quais operam e o aplicativos que eles atendem.
Por Barry Manz
(Para a Mouser Electronics publicado com permissão da Mouser Electronics)
A quinta geração de tecnologia sem fio abrirá o caminho para uma nova geração de robôs, alguns livres para fazer roaming controlado por links de comunicação sem fio em vez de com fio e explorando os vastos recursos de computação e armazenamento de dados da nuvem. Armados com esses recursos, os robôs podem ser controlados dinamicamente com precisão, quase em tempo real, e conectados a pessoas e máquinas local e globalmente. Em suma, o 5G habilitará totalmente aplicativos como a “fábrica do futuro” e muitos, muitos outros que estavam além das capacidades das tecnologias celulares e robóticas.
Mas, eles ainda precisarão de nós?
Há muita controvérsia hoje em dia em torno da robótica e como, junto com a inteligência artificial (IA), elas virão a dominar o mundo, incluindo alguns contendo perspectivas bastante draconianas para o destino da humanidade. Muitos acreditam que os robôs irão complementar as pessoas em vez de substituí-las e realizar algumas funções nas quais os humanos não são muito bons. Do outro lado, estão alguns que acreditam que os robôs podem tomar o lugar dos humanos na manufatura e em outras indústrias, eliminando milhões de empregos. Resta saber se os robôs irão ou não olhar pelos humanos, mas o 5G é quase certo que os deixará funcionar com mais eficiência e servir a mais aplicações do que nunca.
Os robôs já são onipresentes na fabricação, da qual a indústria automobilística é talvez o exemplo mais óbvio. Outros exemplos de aplicações importantes incluem a industrial e médica. As inovações dentro do 5G irão expandir suas capacidades muito mais longe que será necessário expandir a definição do que um robô realmente é. Portanto, quando os veículos autônomos finalmente chegarem às ruas, eles também serão robôs, executando instruções de uma vasta gama de sensores para tomar decisões e executar funções, presumivelmente com muito mais precisão, confiabilidade e rapidez do que os humanos. Os girocópteros e outros veículos não tripulados também se enquadram nessa categoria.
Para entender a sinergia entre 5G e robótica, não há melhor exemplo do que a área de saúde, onde a robótica tem um potencial imenso. Os robôs não apenas realizarão funções mundanas, como transferir coisas de um lugar para outro em um hospital, com o auxílio de comunicações 5G e da nuvem, mas também permitirão a telecirurgia em que as operações são orquestradas remotamente por médicos e realizadas localmente por robôs. Isso foi demonstrado pela primeira vez em 2001, quando o cirurgião endócrino Jacques Marescaux (1948–) removeu a vesícula biliar de um paciente em Estrasburgo, França, enquanto estava sentado em um console na cidade de Nova York - a uma distância de aproximadamente 6.200 km - durante um evento apropriadamente chamada Operação Lindbergh.
Avance para perto de 2025 e imagine salas de operação em um hospital habitado por robôs e humanos conectados por 5G através da nuvem para cirurgiões em qualquer lugar da Terra que orquestram os procedimentos cirúrgicos. Eles podem ser auxiliados por especialistas em um ou mais locais que podem oferecer seus conhecimentos, tudo em tempo real. Por mais fantástico que possa parecer, é apenas o começo: usando a realidade virtual (VR) - e a nuvem sempre presente - deve ser possível converter uma varredura de imagem em uma representação virtual tridimensional (3D) de um paciente.
Usando esse “clone digital”, o cirurgião então orquestraria remotamente a operação em uma virtualização do paciente enquanto um ou mais robôs realizam a cirurgia real. O médico teria uma “experiência” tátil, mas virtual, já que ossos, tecidos e órgãos “sentiriam” de maneira diferente. A medida completa da telecirurgia não será possível por talvez uma década, mas continuará avançando em estágios conforme o 5G e a robótica amadurecerem.
Então, por que não agora?
Além do fato de que os robôs e todo o “ecossistema” necessário para permitir a telecirurgia e outras aplicações robóticas de próxima geração ainda estão em sua infância, as redes 4G atuais simplesmente não possuem as características necessárias para torná-las possíveis. Ou seja, como exigem tempos de resposta virtualmente instantâneos, será essencial reduzir uma métrica chamada latência a níveis sem precedentes. Latência é basicamente o intervalo de tempo entre o momento em que a entrada ocorre em um ponto em um link de comunicação e quando ela retorna com uma entrada livre de erros de outro ponto. A baixa latência é vital para a comunicação centrada na máquina de alta confiabilidade para a robótica de amanhã.
As atuais redes celulares 4G Long-Term Evolution (LTE) têm latência de ida e volta de cerca de 50 ms, mas para habilitar aplicativos como a robótica, o padrão 5G reconhece que será necessário
Para entender isso, considere que a velocidade da radiação eletromagnética no vácuo é 3 x 108 m/s. Como a atmosfera da Terra não é um vácuo, essa velocidade máxima é reduzida ligeiramente. No entanto, sua velocidade de propagação é drasticamente reduzida por outras considerações, incluindo as fibras ópticas, os links de comunicação terrestre e via satélite e os eletrônicos e interconexões através dos quais um sinal deve passar. O resultado é que quanto menor a distância física entre o Ponto A e o Ponto B, menor pode ser o tempo de latência. É assim que o 5G pretende cumprir seu objetivo de reduzir essa métrica para
O 5G exigirá que o número de data centers que formam coletivamente a nuvem seja dramaticamente expandido geograficamente, já que um data center em um local provavelmente estará muito longe da maioria dos outros locais para reduzir o tempo de latência a níveis aceitáveis. Essa expansão, combinada com taxas de dados superiores a 1 Gb - se o uso de novas frequências celulares - uma ordem de magnitude maior do que as atualmente empregadas - serão ingredientes essenciais que permitirão que distâncias variando de 1 a 100 km sejam cobertas com latência
A fábrica, reimaginada
O 5G terá um papel crucial na criação da fábrica do futuro, outro aplicativo em que a latência
À medida que os robôs se tornam móveis e capazes de interagir com as pessoas, aumentos significativos no rendimento da produção devem ser alcançados, juntamente com maior qualidade do produto e segurança do operador. Para manter uma latência muito baixa em toda esta fábrica reinventada, será necessário contar muito com a computação de ponta dentro da rede. A computação de borda traz inteligência e funcionalidade para as “bordas” de uma rede onde residem os aplicativos reais, semelhante ao que a computação distribuída alcançou décadas atrás.
Robôs em campo
O “desvinculamento” de robôs via 5G e geolocalização baseada em GPS permitirá que eles desempenhem funções impossíveis hoje. Por exemplo, na agricultura, os robôs podem vagar pelos campos monitorando as condições de cultivo e enviando vídeo e outras informações do sensor para um computador localizado virtualmente em qualquer lugar, ou até mesmo realizar atividades como pulverização, poda e colheita. Uma empresa chamada FFRobotics desenvolveu o que chama de colhedora robótica de frutas frescas que combina controles robóticos com algoritmos de software de processamento de imagem que permitem encontrar e distinguir entre produtos comercializáveis ??e danificados, bem como entre frutas que ainda não estão maduras ou mortas.
Uma tecnologia chamada High-throughput Plant Phenotyping (HTPP) combina genética, sensores e robôs que podem ser usados ??para desenvolver novas variedades de culturas, bem como melhor conteúdo de nutrientes e tolerância às condições ambientais. Isso seria realizado usando sensores em robôs para medir várias características e enviar suas descobertas para análise de cientistas que poderiam estar localizados virtualmente em qualquer lugar. Outros robôs estão sendo desenvolvidos para plantar e rastrear sementes para melhorar a eficiência da agricultura e muitos outros aspectos da agricultura que as pessoas agora realizam. No futuro, muitos provavelmente serão executados por máquinas controladas remotamente.
Qorvo: Habilitando a infraestrutura 5G
Qorvo é um fornecedor líder global de soluções de RF com um portfólio diversificado de soluções que "conectam e protegem", aplicativos de comunicação, como radar, equipamento nas instalações do cliente Wi-Fi para casa e trabalho, conectividade de alta velocidade em LTE e estações base 5G, nuvem conectividade por meio de comunicações de data center e transporte de telecomunicações, conectividade automotiva e outras IoT, incluindo soluções de casa inteligente. Os produtos de ponta da Qorvo incluem arsenieto de gálio (GaAs) e nitreto de gálio (GaN) amplificadores de potência (PAs), amplificadores de baixo ruído (LNAs), switches, soluções de sistema em chip de óxido metálico complementar (CMOS), Soluções de filtro premium de onda acústica em massa (BAW) e onda acústica de superfície (SAW) e vários conjuntos de múltiplos chips e híbridos.
A Qorvo está alavancando os recursos de seus produtos em baixas frequências até ondas milimétricas para atender às demandas de produtos das redes 5G de próxima geração para soluções de ondas milimétricas e sub-6GHz. Uma grande variedade de produtos é incorporada em testes de campo 5G em andamento, Qorvo tem vários contratos de desenvolvimento de produtos com os principais OEMs para cruzar os cronogramas das operadoras de rede para implantação de redes 5G Vamos dar uma olhada em algumas das tecnologias e produtos específicos que estão trazendo o 5G e o futuro da robótica à realidade.
A integração torna tudo mais fácil: Módulos de front-end QPF
Qorvo é líder em módulos front-end de infraestrutura 5G (FEMs). Os FEMs são módulos integrados de radiofrequência (RF) que contêm amplificadores, filtros, interruptores e outros componentes. O Qorvo QPF4001 GaN Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC) FEM é um módulo de dispositivo multifuncional direcionado para estações base e terminais 5G phased array de 28 GHz (26–30 GHz). Ele combina um LNA de alta linearidade e baixo ruído, um switch de transmissão / recepção (TR) de baixa perda de inserção e alto isolamento e um PA multiestágio de alta eficiência e alto ganho. Operando em uma frequência mais alta, o Qorvo oferece o QPF4005 Dual Channel FEM, que é um módulo GaN MMIC multifuncional direcionado para estações base e terminais 5G phased array de 39 GHz (37–40,5 GHz). Ele também combina um LNA, um switch TR de baixa perda de inserção e alto isolamento e um PA multiestágio de alta eficiência e alto ganho. Além disso, o Módulo de Transmissão / Recepção GaN Qorvo QPF4006 39GHz (37–40,5 GHz) é direcionado para estações base e terminais 5G phased array de 39GHz. Como os outros, ele combina um LNA de alta linearidade e baixo ruído, um switch TR de baixa perda de inserção e alto isolamento e um PA multiestágio de alta eficiência e alto ganho.
Aumento de sinal: amplificadores de ganho plano QPL
Os amplificadores de ganho linear Qorvo QPL9057 são projetados para fornecer ganho linear de 2,4 dB em uma ampla largura de banda de 1,5 a 3,8 GHz. Esses amplificadores de ganho fornecem ganho de 22,8dB, + 32dBm OIP3 em uma configuração de polarização de 50mA e figura de ruído de 0,54dB. Os amplificadores de ganho QPL9057 requerem cinco componentes externos para operar a partir de uma única fonte positiva, pois eles são combinados internamente usando um processo E-pHEMT de alto desempenho. As aplicações típicas incluem infraestrutura móvel, repetidores, sistemas Time Division Duplex (TDD) ou Frequency Division Duplex (FDD), LTE / WCDMA / CDMA / GSM e sem fio de uso geral.
Canais duplos, frequências diferentes: Amplificadores de baixo ruído de switch QPB
Os módulos LNA de switch de canal duplo Qorvo QPB9329 de 4,4–5,0 GHz são FEMs altamente integrados direcionados para estações base Time Division Duplex (TDD). Esses módulos de switch integram um LNA de dois estágios e um switch de alta potência em uma configuração de canal duplo. Da mesma forma, os módulos LNA de switch de canal duplo de 2,3–3,8 GHz Qorvo QPB9337 são módulos front-end altamente integrados voltados para estações base TDD. Como o QPB9329, esses módulos LNA integram um LNA de dois estágios e um switch de alta potência em uma configuração de canal duplo. Os módulos QPB9337 LNA podem controlar os recursos de desligamento e desvio com os pinos de controle no módulo. Esses módulos são projetados para aplicativos de infraestrutura sem fio configurados para arquiteturas de múltiplas entradas e saídas (MIMO) baseadas em TDD.
Toque rapidamente no botão: Comutadores SOI de alto isolamento absorventes QPC
Qorvo QPC silicon-on-insulator (SOI) chaves de RF como o QPC6054 são projetados especificamente para celulares, 3G, LTE e outras comunicações de alto desempenho. Os dispositivos têm um design de montagem em superfície para facilidade de montagem e operam de 5 MHz a 6 GHz. Desenvolvido usando uma topologia simétrica de alto isolamento, os switches QPC SOI RF oferecem excelente linearidade e capacidade de manuseio de energia. O QPC6054 é uma chave de um polo e uma posição (SPST). A chave Qorvo QPC6324 de alto isolamento de alto isolamento e duas posições (SPDT) absorvente oferece alto isolamento com excelente linearidade e capacidade de manuseio de energia. O switch QPC6324 encontra seus aplicativos em uma ampla variedade de aplicativos de infraestrutura sem fio 4G / 5G.
Conclusão
É importante ter em mente que o 5G não vai simplesmente transformar a robótica da noite para o dia, já que muitos dos aplicativos e tecnologias para alcançá-lo estão hoje embrionários, em desenvolvimento ou apenas na prancheta. Em vez disso, o 5G deve ser visto como o início de uma nova era nas telecomunicações que habilita totalmente a robótica e muitos outros aplicativos pela primeira vez. Além disso, os robôs móveis também estão longe de ser uma tecnologia madura e provavelmente levará anos antes que eles sejam amplamente implantados em aplicações que vão desde a manufatura e produção à agricultura, operações de busca e resgate, ampla pesquisa e operações de resgate, e muitos outros.
5G exigirá enormes níveis de inovação em todos os aspectos da rede, desde o desenvolvimento de sistemas de comunicação de ondas milimétricas até arquiteturas de rede virtual e definidas por software, e novos métodos de acesso sem fio que possibilitam que muitos robôs operem em uma pequena área sem interferir um com o outro. Acima de tudo está a latência, que os pesquisadores devem encontrar uma maneira de reduzir à insignificância virtual.
