Wireless Deployment Challenges in Construction: A 5G Strategy 

Wireless Deployment Challenges in Construction: A 5G Strategy

La implementación de redes inalámbricas 5G en entornos de construcción presenta numerosos desafíos debido a la naturaleza dinámica de estos sitios, que requieren una coordinación eficiente, monitoreo constante y medidas de seguridad robustas. Los futuros sitios de construcción incorporarán tecnologías avanzadas como vehículos automatizados, maquinaria controlada a distancia, sensores y sistemas de vigilancia. En este contexto, la comunicación inalámbrica, particularmente el 5G, está emergiendo como el modo principal de comunicación debido a su flexibilidad y aparente facilidad de despliegue en comparación con las alternativas cableadas. A pesar de que los sitios de construcción comparten características comunes, pueden variar significativamente según el tipo y la fase del proyecto. Este documento propone un enfoque comparativo para evaluar la dificultad de despliegue en diferentes etapas del proyecto y sugiere un banco de pruebas especializado para evaluar el desempeño de la red 5G en condiciones de construcción realistas. La investigación busca proporcionar una visión profunda de los desafíos únicos de implementar 5G en la construcción y resaltar oportunidades de investigación inexploradas, enfatizando la importancia de una comunicación confiable y rápida para lograr objetivos de coordinación y seguridad. Asimismo, el documento aborda la adaptación de las redes de comunicación inalámbrica en proyectos de construcción desde su inicio hasta su finalización, categorizando los proyectos en tres tipos principales: Industrial, Comercial y Público. Los proyectos industriales, que incluyen instalaciones de manufactura, refinerías y plantas de tratamiento, generalmente presentan terrenos abiertos con grandes estructuras de acero y láminas metálicas, permitiendo una propagación abierta de señales de radio. Los proyectos comerciales, como almacenes, espacios residenciales y oficinas, y aeropuertos, presentan desafíos para la propagación de señales de radio debido a su diseño arquitectónico y el uso de diversos materiales como concreto, acero, plásticos y madera. Los proyectos públicos, que incluyen carreteras, puentes, ferrocarriles y obras públicas, pueden variar en sus características, a veces asemejándose a proyectos comerciales o industriales. Tres factores clave afectan la viabilidad de las redes de construcción: la geometría de la zona de trabajo, la cantidad de materiales utilizados para las paredes y los tipos de materiales empleados. Estos factores determinan cómo las señales de radio se propagan dentro del entorno de construcción y, por lo tanto, cómo deben diseñarse e implementarse las redes inalámbricas para apoyar eficazmente las actividades de construcción. 

La propagación de radiofrecuencia (RF) en entornos de construcción se ve afectada por diversos factores, especialmente por la presencia de paredes, pisos y techos. Tres factores principales determinan la influencia de las paredes: transparencia, reflectividad y número. La transparencia de una pared se clasifica como alta (<5 dB de pérdida de potencia), media o baja (>22 dB de pérdida de potencia). La reflectividad puede ser baja (<20%), media o alta (>50%), y puede tanto mejorar como dificultar el desempeño de la red inalámbrica. El número de paredes se considera en términos de ninguna pared, una pared o dos o más paredes, con una atenuación de señal creciente. Los pisos y techos se analizan utilizando los mismos factores que las paredes. Además, se destaca que diferentes materiales de construcción, como madera, concreto y diversos tipos de acero, afectan de manera distinta la propagación de la señal. Por ejemplo, el suelo de acero perforado, común en espacios industriales, tiene características de propagación que dependen de la longitud de onda de la señal. La importancia de comprender estos factores es clave para la comunicación inalámbrica efectiva en entornos de construcción. El impacto de las etapas de construcción en las comunicaciones inalámbricas varía según el tipo de proyecto. En las primeras etapas de construcción, la mayoría de los escenarios tienen un impacto inalámbrico relativamente bajo, excepto en sitios grandes como carreteras, vías ferroviarias, áreas de ensamblaje y refinerías de petróleo, que requieren tecnologías inalámbricas de banda licenciada debido a las mayores distancias de transmisión y requisitos de potencia. A medida que avanza la construcción, la zona de trabajo se vuelve más compleja y el impacto en los canales inalámbricos aumenta, como se ilustra en un gráfico radar que muestra cómo diferentes proyectos de construcción afectan la comunicación inalámbrica a medida que progresan. Las tecnologías de banda no licenciada pueden funcionar a mayores distancias, pero con un desempeño reducido. Si bien estas tecnologías son adecuadas para el IIoT dentro de la zona de construcción, no pueden soportar las altas tasas de datos necesarias para video, realidad aumentada y operación remota de maquinaria pesada. La importancia de factores como la geometría del sitio, las paredes, los pisos y los techos, y sus propiedades (penetrabilidad, transparencia, reflectividad y número) se destaca en una tabla, categorizando estos impactos como bajos, moderados o altos para cada etapa de construcción. La progresión de la construcción hace que el entorno inalámbrico sea cada vez más desafiante, siendo la penetrabilidad exterior particularmente significativa en proyectos como estadios. 

La implementación de comunicaciones inalámbricas en entornos de construcción presenta tanto desafíos como oportunidades, especialmente con el uso de la tecnología 5G. Uno de los retos principales es la variabilidad de los escenarios de construcción, lo cual requiere una evaluación rigurosa de las condiciones de propagación de la señal. Para abordar este desafío, se ha introducido un «puntaje de impacto de canal inalámbrico» que permite evaluar la severidad de los problemas de propagación en diferentes escenarios de construcción. Este puntaje, basado en diversos atributos de la zona de trabajo, facilita la evaluación del desempeño de la red inalámbrica en proyectos de construcción. La tecnología 5G se considera adecuada para estos entornos debido a su versatilidad, determinismo integrado, soporte de calidad de servicio (QoS) y flexibilidad en las opciones de despliegue. Las tres categorías principales de servicio 5G son: Enhanced Mobile Broadband (eMBB), que ofrece altas tasas de datos de hasta 10 Gbit/s, útil para aplicaciones como realidad aumentada y retroalimentación de video para operaciones remotas; Massive Machine Type Communication (mMTC), que soporta una alta densidad de nodos, ideal para redes de sensores inalámbricos y gestión de activos; y Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC), que proporciona latencias de 1 ms y una fiabilidad superior al 99,999%, clave para vehículos automatizados, robots móviles y equipos de seguridad. Además, se menciona una nueva clase de servicio, Reduced Capability (RedCap), como una alternativa más económica y eficiente en términos de energía para ciertas aplicaciones. En el contexto de la construcción, 5G puede revolucionar las comunicaciones y operaciones gracias a sus características avanzadas y opciones de despliegue flexibles. La tecnología de 5G incluye capacidades como network slicing, soporte de QoS, redes definidas por software (SDN) y virtualización de funciones de red (NFV), que permiten una asignación dinámica de recursos y la separación de las funciones de usuario y control. Además, el soporte de Multi-Access Edge Computing (MEC) es clave para aplicaciones de baja latencia dentro de los sitios de construcción. Dos enfoques principales de despliegue 5G son el despliegue aislado (SA) y las redes 5G integradas en redes públicas (PNI). Los despliegues aislados ofrecen mayor control, propiedad de datos, fiabilidad, privacidad y seguridad, aunque conllevan costos iniciales más altos. En contraste, los despliegues PNI son más adecuados para casos de uso que requieren cobertura de área amplia e interconexión con redes públicas. Los casos de uso de 5G en la construcción incluyen la transmisión de video, fundamental para la conciencia situacional, monitoreo de seguridad, teleoperación de maquinaria e inspección con drones. Estos casos de uso requieren garantizar la latencia y fiabilidad, lo cual destaca la necesidad de seleccionar cuidadosamente la arquitectura de despliegue, el proveedor de servicios y las bandas de RF para cumplir con los requisitos del proyecto. De igual forma, se subraya la falta de un banco de pruebas de 5G específicamente diseñado para entornos de construcción. Se sugiere desarrollar un banco de pruebas dedicado para investigar las preocupaciones específicas de la construcción, ofreciendo una mayor flexibilidad para la validación y prueba de sistemas en comparación con la realización de pruebas en entornos de construcción reales. 

 

La implementación de un banco de pruebas de 5G para escenarios de construcción representa una iniciativa para avanzar en la investigación y desarrollo de comunicaciones inalámbricas en la industria de la construcción. Este banco de pruebas incluye hardware de sistemas 5G, diversos equipos de usuario, PCs, robots industriales y dispositivos de red, y se centra en el control remoto de operaciones con tráfico de IIoT y la interferencia. La arquitectura del banco de pruebas consta de un PC de baja latencia con funciones de red central 5G, una estación base gNB virtualizada basada en software y un periférico de radio universal para la red de acceso. Además, utiliza funciones de red OpenAirInterface basadas en contenedores, e incluye routers 5G, adaptadores USB y dispositivos para simular escenarios del mundo real. Las oportunidades de investigación identificadas abarcan desde la comprensión de los requisitos de comunicaciones inalámbricas en diversos escenarios de construcción hasta el desarrollo de técnicas de mitigación para el entorno cambiante de comunicaciones inalámbricas en los sitios de construcción. Otras áreas de investigación incluyen la estandarización de metodologías de prueba y especificaciones de agresores de RF, la mejora de algoritmos de programación de transmisión 5G, el soporte de QoS 5G para diferentes escenarios de construcción y la incorporación de estándares de seguridad funcional dentro de los casos de uso de la construcción. Estas oportunidades buscan avanzar en las comunicaciones inalámbricas en la industria de la construcción, adaptando soluciones a necesidades específicas, optimizando la utilización de recursos y garantizando la seguridad y fiabilidad en entornos de construcción dinámicos. El artículo también aborda los desafíos de la comunicación inalámbrica en la industria de la construcción y propone soluciones para abordar estos problemas. Entre los puntos clave se incluye la introducción de un sistema de puntuación sistemático para evaluar la dificultad de la conectividad inalámbrica a lo largo de diferentes fases de construcción, considerando varios atributos. Asimismo, se exploran las clases de servicio 5G adaptadas a las necesidades de la industria de la construcción, con el objetivo de mejorar las redes de comunicaciones inalámbricas de próxima generación. La presentación de un novedoso diseño de banco de pruebas para desplegar y probar estrategias en un entorno de construcción simulado contribuye tanto a la integración teórica del 5G como a ofrecer perspectivas prácticas para los profesionales de la industria. Este enfoque tiene como objetivo avanzar en las tecnologías de comunicación inalámbrica específicamente para la construcción, con la meta de mejorar la eficiencia y fomentar la innovación en proyectos futuros. El artículo reconoce la complejidad de los desafíos de comunicación inalámbrica en la construcción y propone un enfoque multifacético para abordarlos. La investigación incorpora conocimientos de profesionales de la industria y referencia diversos estudios sobre atenuación de señales electromagnéticas, modelado de canales e implementaciones de 5G en diferentes entornos. Se enfatiza la importancia de adaptar las soluciones inalámbricas a las demandas únicas de la industria de la construcción. Los autores sugieren que abordar estos desafíos puede llevar a una mayor adopción de soluciones inalámbricas en la construcción. El documento concluye destacando el potencial de esta investigación para contribuir tanto a la comprensión teórica como a las aplicaciones prácticas en las comunicaciones inalámbricas en la construcción.  

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