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机器才是5G时代的主角
 

【作者: 盧傑瑞】2021年03月29日 星期一

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到目前为止,智慧手机用户似??对5G并不十分感兴趣。但另一方面,一些工厂、办公大楼、远端办公室等,却高度关注该技术的现况与应用发展。


第五代移动通信系统,也就是通常所说的5G。日本市场从2020年3月开始,由软银、NTT DoCoMo、KDDI等电信运营商,在全国范围内提供服务和基础建设。 5G的主要特点是,可高速传送和接收大量资料,例如实现高解析视讯直播和线上医疗领域。


此外,由於通信延迟可以减少到4G的1/10左右,因此,也预计会被应用在农业机械和工业机器人等,需要即时通信的远距控制应用。再加上基地台到终端设备的通信机制比4G简单,更允许同时连接大量终端的特性,相信可以物联网上被大量导入。


到目前为止,智慧手机用户似??对5G并不十分感兴趣。但另一方面,一些工厂、办公大楼、远端办公室等,却高度关注该技术的现况与应用发展。


在德国巴伐利亚的Bosch Rexroth工厂中,被设计有轮子的机器人,不断地在制造设备和机器人手臂之间来回移动,而这些新一代的具有移动能力的机器人,都内建了5G数据机(MODEM)。在这先进的制造设备部门,已经将5G视为未来的主要趋势,根据Bosch的资料显示,在工厂内的数据传输量,与传输速度已经超越了普通应用时游戏和电影的下载量。因此Bosch Rexroth开发了一条基於5G的通讯网路的模组化生产线,将工厂内制造设备的所有零件、和其他高精度电动工具、机器人等连接起来(图1)。



图1 : Bosch Rexroth的机器人,都内建了5G数据机。(Source:Bosch)
图1 : Bosch Rexroth的机器人,都内建了5G数据机。(Source:Bosch)

延伸到工业应用的Private 5G与Local 5G

这样的变化是有充分的背景演变。首先,5G的下载速度高达10 Gbps,这比目前的网路快上20倍,虽然号称可在智慧电话等的行动设备上,实现虚拟实境(VR)等等的巨量数据传输,但是5G的超高速传输能力,仅能在某些特殊规格的基地台上运转,这使得全球各大电信运营商,需要花费相当长的一段时间来建立网路。


换句话说,在基地台建设这个阶段内,虽然众多的消费者都使用相同5G智慧手机,但是会因为所在的区域差异而出现速率有所不同的现象。


5G通讯的应用与普及在面对这样瓶颈下,就有研发人员设想,小区域范围的工厂或仓库中,如果可以使用5G通讯技术,建立起专用无线网路,提高接收和传输能力,将通讯的延迟时间从目前50毫秒,获得大幅度的改善,最短可达到的1毫秒,此外,因为高度的可靠性,能够同时连接成千上万的设备,维持设备的正常运转。藉此不仅成为智慧工厂推动的最大助力,更有机会让5G通讯应用普及,不必受到因为基础建设因素而推迟。在这样背景之下,Private 5G与Local 5G的技术观念就被提出。


目前大多的企业都是透过Wi-Fi技术在有限的区域内建设通讯网路,但是在速度与安全性上都有相当大的瓶颈与漏洞。


而Private 5G与Local 5G则是采用了一种名为讯息交递(Handover)的技术,在大范围的区域内,达到可以比Wi-Fi更快速、强大、高安全性与稳定的通讯能力。


日前日本各大通讯业者正积极开发「私有5G(Private 5G)」,基本上这是一种5G技术的应用,私有5G是透过网路切片(Network Slicing)技术,为每个公司和地方政府分别构建独立性的私人网路系统。


网路切片是一种用於虚拟分割(Slice)网路,以提供更有效满足用户要求的网路环境的技术。例如,具有更高的通信速度和容量的超高速、大容量切片,和具有通信延迟到极限的「超低延迟切片」等。


私有5G与Local 5G一样,都是在企业在厂区内建设符合需求的私人5G网路。但不同的是私有5G不需要取得无线电台许可。


Local 5G的技术优势与频段使用权

Local 5G是透过企业内专网中使用高品质的5G,目前已经开始陆续被导入企业和地方政府。除了能将工厂具备高速无线通讯能力外,并通过网路连结机器人和生产设备、中央控制系统,使传统生产线提升成更加高效率的智慧工厂。不仅制造业,Local 5G的应用也可延伸到体育场馆的视讯传送、建筑工地的远距施工等。


传统上公用5G是电信业者所提供给法人或个人用户所使用的开放性通信系统,需要在城市等地区分阶段进行通讯设备的建设,所以在使用的区域上还是有限制性的。而Local 5G并非是电信业者在某一区域所建设5G私人网路,而是一般企业就可以自行规划建设,所以即使在没有公共5G的地区,也可以也可以透过这个技术达到5G通信的速度与传输能力(图2)。



图2 : Local 5G并非是电信业者在某一区域所建设5G私人网路,而是一般企业就可以自行规划建设。(source:NEC;智动化整理)
图2 : Local 5G并非是电信业者在某一区域所建设5G私人网路,而是一般企业就可以自行规划建设。(source:NEC;智动化整理)

另外,与公共区域所使用公共5G系统不同的是,Local 5G不太会受到其他区域通信问题或网路拥堵的影响,更进一步的,由於资料可以与外部网路隔绝,因此在资料的发送和接收安全性相当高。因此Local 5G已经是被认为是智慧工厂的理想选择通讯技术,企业在厂区内建设私人网路络,实现机器人的自动操作和远距操控。


就技术规格来看,5G比起现有的无线解决方案更为可靠。例如,在发送和接收数据时,可以快速寻找遗失的封包;或避免网路瓶颈和发送数据的方法。目前的市场上有一些针对工厂应用,所开发的无线通讯解决方案,但是大多数都是透过Wi-Fi进行连接,这在可靠度方面还是不足够。在办公室或家庭的应用,丢失某些数据封包可能不是太大问题,但是对於机器人或生长设备来说,可能会丢失操作指令,甚至突然停止,在最坏的情况下,甚至可能导致生产暂停的损失。


所以日本针对工厂和小区域工业应用的Local 5G概念(特定区域的第五代移动通信系统)和法规就被提出来讨论。


频段被定义在28.2-28.3GHz的Local 5G,提供通讯设备制造商、通讯业者、机关单位、大学等单位申请许可,并於2020年2月发出了第一张Local 5G执照。虽然这个频段的传输速度较快,但穿透障碍物能力较低,因此在传输距离方面也相对较短。对於这个问题,日本总务省计画新增28.3GHz-29.1GHz、4.6GHz-4.8GHz(室内)、4.8-4.9GHz(室内/室外)的频段。


此外,Local 5G具有强大的安全性,不必共用频宽,以及进行加密,来对发送和接收的数据进行严格的控制,所以制造业者可以透过购买频率使用权的方式,建设独立於无线通讯业者之外的工厂内部自有网路。


全球各大企业陆续展开Local 5G先导性实验

富士通利用Local 5G开发私有无线云端服务

富士通发表了连接到4.7GHz频段独立5G基站的Local 5G计画。这个计画,将服务将分为两类:一类是「私有无线托管服务」,提供概念验证(PoC)和无线电牌照申请、无线电波测量、设计、建设、运维等服务;另一类是「私有无线云端服务」,提供自管无线系统(基站、核心网、SIM)的通信功能及其管理,服务费为每月40万日元起(需要100万日元的初始费用)。并透过IA伺服器来降低成本,让使用户可以较低的成本享受到5G通信大容量、高密度和低延迟的优点(图3)。



图3 : 富士通对客户的数位化转换提供私有无线通讯服务。(source:富士通;智动化整理)
图3 : 富士通对客户的数位化转换提供私有无线通讯服务。(source:富士通;智动化整理)

同时,富士通已在其COLMINA平台上,利用Azure IoT Edge进行了整合视觉化的验证,并确认了其有效性。计画内容是利用Azure IoT Edge分析人的运动资料、无人车的高解析影像,以及实验室中摄影镜头、行动终端和伺服器的资料,在富士通的上集中视觉化。未来还将在大山工厂进行验证,并推进到商业化。包括日本微软在内的10多家公司已经签署了富士通的Local 5G合作计画(图4)。



图4 : 对客户的数位化转换提供私有无线通讯服务。(source:富士通;智动化整理)
图4 : 对客户的数位化转换提供私有无线通讯服务。(source:富士通;智动化整理)

新日铁开始验证Local 5G的应用

另一家日本大型制造业者「新日铁」也计画导入Local 5G。新日铁是透过旗下的日铁Solutions,来为新日铁的室兰工厂布建Local 5G/私有LTE的自营无线网路服务,并取得自营及其他BWA(Broadband Wireless Access)相关许可证。


日铁Solutions的计画是,在第一阶段是利用4G进行验证。包括无线区域的设计、牌照申请的支援、系统建设、运营维护,并采用芬兰的诺基亚作为无线设备。



图5 : 新日铁透过自建的Local 5G无线网路,来确保厂区列车的远端驾驶与安全机制。(source:新日铁;智动化整理)
图5 : 新日铁透过自建的Local 5G无线网路,来确保厂区列车的远端驾驶与安全机制。(source:新日铁;智动化整理)

透过自建的无线网路,能够在规范的区域达到高速无线通讯,实现无限的资料量传输,并且独立於外部通信网路,来确保安全。


这个应用验证计画被称为「安全守护者」平台,日铁Solutions在村兰工厂中的柴油电车上安装了高解析4K摄影机,并设置以4G技术为基础的自控BWA基地台,将4K摄影机所拍摄到的高解析影像进行无线传输和分析。以此作业来确认远端操作的技术要求,和4G的应用技术。此外,也将高精度定位(RTK定位)应用於柴油电车来完成位置视觉化系统,进一步的提高车辆显示位置的准确性,达到确保区域内工作人员的安全。


未来,将更进一步的建立各种资讯综合平台,并加强对接近工人的报警等附加功能。同时对整个区域进行无线电波传播分析,来解无线电波的传播方式,和钢铁工厂特有的传送速率,做为未来应用於多个无线网路在生产现场应用的准备。


第二阶段,就正式利用Local 5G建立远距操作的传输技术,推动工厂的数位化双胞胎和智慧工厂,达到在生产现场利用5G网路实现数位化转型。


最後将室兰事业所取得成果的基础上,推广到其他钢铁厂和新日铁集团各公司的生产基地。


KONICA MINOLTA将开发影像物联网和5G整合应用

KONICA MINOLTA与KDDI、NEC在位大阪高??的KONICA MINOLTA 「创新园OSAKA中心」建立了「Hybrid的5G」基地台实验室,来进行Local 5G的相关服务开发。


这座实验室将配备日本少见的5G和Local 5G的混合开发环境,并模拟一般办公环境、工厂等制造现场、室内外支援作业等,来开发5G服务相关的技术和应用,并将研究结果提供业界企业、大学和其他研究机构。


KONICA MINOLTA将透过这座实验室开发「高解析影像的高速AI处理」,来结合影像物联网和5G,在办公、制造现场、医养、农业、娱乐等多个领域提供高价值性服务。而NEC则将建立一个可以实际体验和验证Local 5G的环境,更进一步的支援KONICA MINOLTA及其客户业务的DX(数位化转型)。


日本以外,如德国的BMW、VolksWagen和Lufthansa等现阶段已经开始进行Local 5G的测试。以及瑞典的Sandvik 集团也积极布建利用5G技术来进行远端设备的控制


结语

但并非所有的产业都对Local 5G技术有高度的兴趣。最大的考量点是,是否值得需要支出额外的费用来使用Local 5G通讯,无论是在频谱可用性,还是在服务成本方面。例如DHL正展开可行性的研究,来了解5G在其设备中的好处,不仅要确定5G技术与4G和LTE相比的优势性,还要确定建设成本,及采用该技术所需的费用。


数位化转型(DX)是企业在数位时代生存的必要条件,而5G在促进DX方面发挥了重要作用。预计5G将大量扩及应用在远程生产,使企业运营更顺畅、效率更高,加速在次世代的工业领用,使得远距操控、自动化等技术的需求会越来越大,而工作人员在现场作业的需要性也愈来愈少。


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