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為實現IIoT而生
5G在工業應用前景與現況
[作者 盧傑瑞]   2023年04月25日 星期二 瀏覽人次: [2123]

2020年6月,第5代行動通訊系統(5G)在台灣開始商用。許多人也已經在使用5G相容的智慧型手機,但直至2022年年底,用戶滲透率才突破25%,但5G區域覆蓋卻達到94%左右。雖然一般手機用戶並不了解,但5G可以實現的功能和性能,是在假設與4G之前的手機服務不同的背景下被期待的。


在3G之前,個人用戶手機的應用是以無線通訊目標,而制定了技術規範,以及大量增設基地站等通訊基礎設施。而由於技術的進步,也提高了通訊速度和傳輸量,新一代的通訊標準,也從以提供語音通訊和文字訊息為主的2G發展到3G,達到可以瀏覽網路和交換照片。


發展到4G之後,影片的觀看和高階網路服務應用更是如雨後春筍。不過,從這一系列的演進來看,沒有變化的一點是,無線通訊還只是一種通訊基礎設施,主要設定在個人使用的終端間交換資訊。而今天5G通訊,卻已經提升到是以在城鎮、工廠、辦公室和家庭中使用、讓設備和設施之間交換訊息為目標而開發的通訊基礎設施,而目標則在實現IIoT。


當然,5G通訊也具有提高智慧手機的效能,因此技術規格中還包含許多功能,這些功能對於構建出能準確掌握事物、環境狀態,和變化的先進IIoT建設非常有用。例如,峰值速率為20 Gbps的高速、大容量通訊,對於資訊設備之間密集交換數據是非常重要的。


就如同,5G通訊能在1毫秒或更短的低延遲的能力,這是組合了多個設備,並能提供像單系統一樣運行所需的性能。使得5G通訊擁有在1平方公里的區域內,可同時連接多達100萬個終端的能力,這對於需要同步存取大量分佈式物聯網設備更是至關重要。


雖然目前的5G基礎設施服務區域,已經超過90%的人口覆蓋率。但期望著因此可增加IIoT的應用,來執行通訊目標的系統已經通過轉移現有設施來實現,並不意味可以馬上被實現。不過,隨著持續的基礎設施和IIoT系統建設,以及運營的加速,可以預見的到我們的生活方式、商業和社會活動將發生巨大變化。


配置Local 5G網路的能力

而目前應用在工業或基礎建設領域的5G通訊技術為Local 5G。但是Local 5G與區域性無線網路不同,並非可自由的建設相關應用網路或設置設備。


以日本為例,如果電信或相關業者計畫進行Local 5G建設前,需要取得區域頻率許可,作為自營5G網路建設和運營,這會與電信業者運營的公共5G(Public 5G)分開。但透過手機系統所使用的5G技術,卻可實現比目前專網主流的Wi-Fi更安全、更穩定的通信品質。


日本和德國是世界上第一個採用為其自己的5G網路授予頻譜許可機制的國家。而這種Local 5G 5G系統的考慮背後,其實是和復甦當地區域經濟規劃有相當大的關連度。


但是毫米波頻段(28GHz頻段)受限於自身的條件,只能進行區域部署,難以覆蓋到全國。這是因為毫米波波段具有「難達遠」的電波特性,需要極其龐大數量的天線設施才能覆蓋廣闊的區域。


然而,隨著許多5G解決方案的示範實驗已經進行,並且其特點也逐漸確立,因此無論在哪個地區,比起公共5G來說,Local 5G對於產業的應用是更加適當。


5G網路設備由四大設備所組成,包括:5G核心網路(5GC)、CU(中央單元)、DU(分散式單元)、RU(射頻單元)等(圖一)。



圖一 : 5G網路設備由四大設備單元所組成。(source:情報通信總合研究所)
圖一 : 5G網路設備由四大設備單元所組成。(source:情報通信總合研究所)

● 最靠近外部網路的一側則是為5GC,而通訊的主要控制也是在這裡。


● 在5G中,通常稱為基站或RAN(無線存取網)的內容分為三個部分:CU、DU和RU。透過為每個分配功能,可以更輕鬆、更靈活地配置網路。


● 離終端最近的一側是RU,發射和接收無線電波的天線是RU的一部分。


對於小規模的本地5G網路,上述四種設備中的每一種都可以配置一個系統,但需要多個RU來構建一個覆蓋廣域的系統。此外,如果在多個站點引入本地 5G 並統一管理它們的系統,則將需要多個DU。


而根據Nikkei Crosstech Active的資訊蒐集,目前在日本提供Local 5G相關設備的業者已經愈來愈多,包括了:


● NEC 的Smart Connectivity's Local 5G Service Menu, Sub6 Starter Pack等:NEC


● FUJITSU的Network PW300、專用無線託管服務等


● Apresia的AERO系列


● Cisco的Private 5G


● ABIT(日本)的AU-650系列


● NTT東日本的Giga-raku 5G


● NTT Communications的Local 5G服務


● Ranger Systems的Local 5G建設/導入支援服務


● OKI的Local 5G支援服務


● MIRAIT的Local 5G無線區域建設方案


● Kyocera Mirai Envision的Local 5G導入支援服務


● NTT DATA Business Solutions的Local 5G解決方案


讓5G+實現智慧的未來

製造業和建築業是最先使用數位分身(Digital Twin)的產業之一。在設計汽車或飛機零件時,數位分身可用於減少原型製作所需的時間。在使用實際設備進行原型設計時,有必要考慮到用於原型設計的現有設備的可用性,以及材料、工具的採購期,但使用數位分身,在原型設計時就可以開始進行(圖二)。



圖二 : 數位分身技術使整個製造過程自動化。(source:DIC)
圖二 : 數位分身技術使整個製造過程自動化。(source:DIC)

所以能夠即時交換大量資料的通訊基礎設施,對於在製造業中使用數位孿生和人工智慧就變得至關重要。隨著5G的全面部署,製造業的數位化可獲得進一步的進展。除了數位分身和人工智慧利用外,5G的高速通訊也是將作業人員的老年性,和隱性知識技能得以視覺化、數位化,進而把經驗保存下來。


例如,NEC的人力資源開發和技術,就可以將轉換為視訊的內容,上傳到雲端的工作手冊,隨後可以在任何地方,透過平板電腦終端或其他設備上輕鬆觀看。並且還能透過語音進行操作,即使雙手因為滿滿的工具而無暇操控,人員也可以有效地學習技能而不必停止工作。因此可穿戴設備和XR技術與5G的結合,可改變紙質手冊難以分享和傳遞的專業知識。


為了實現這一願景,分散式邊緣雲端、企業專用網路、人工智慧(AI)和機器人技術等網路和運算能力必須以安全的方式結合在一起,我們稱之為5G+的平台提供。


這個想法將融合企業運營技術,和工業資訊和通訊技術(ICT),並以「作為一種服務」被消費,讓用戶可以隨時隨地存取工具和技術。5G已經成為這一未來現實的推動者,不僅帶來了連接性的提升,還帶來了架構轉變,透過這種轉變,雲端運算可以整合到網路中並移動到邊緣。


例如,5G+是一種分層架構,可實現蓬勃發展的企業應用平台市場,使公司能夠利用開放性的應用程式介面(API)充分利用5G+網路的潛力。而更將會有新的商業模式來促進5G的跨產業採用,實現高級服務的無摩擦消費,並在整個價值鏈中帶來可衡量的收益(圖三)。



圖三 : 雲端綜合網路(5G+)分層架構。(source:EY Consulting)
圖三 : 雲端綜合網路(5G+)分層架構。(source:EY Consulting)

正在進行的三個Local 5G驗證例

一家國際知名的R公司,在辦公室安裝了SA(獨立)型Local5G作為製造現場DX(數位轉型)的一部分。因此針對生產數位彩色多功能事務機的量產組裝製程,透過所安裝的Local5G中管理雲端SIM卡的5G Core,在工廠的基地台設置了CU/DU(Central Unit/Distributed Unit),並且在生產線上裝設Sub6頻段(4.9GHz)5G無線電波的系統,透過這個機制而開發了出簡化製造過程的技術,達到多設備同時存取和低延遲。


利用360°相機和串流技術

透過獨家專有的串流媒體技術,將360°的相機懸掛在生產現場的天花板上,作為高速、高容量5G影像通訊設備,通過它們的結合,構建了一個可以實時獲取4K、360度高解析度的直播視訊系統。懸掛式的360°攝影機架受在軌道上,達到可移動攝影的目的。因此,遠端觀看者可以在設備上自由操作視點和放大縮小,如臨其境般四處走動,實時掌握整條生產線的狀態(圖四)。



圖四 : 在生產線架構高解析度的直播視訊系統。(source:Digital Shift)
圖四 : 在生產線架構高解析度的直播視訊系統。(source:Digital Shift)

利用網路技術獲取生產設備資訊

利用多個5G網路的同時連接,在生產線上中佈建大量模組後,將各種感測器、攝影機等連接到Raspberry Pi的平板電腦,來收集即時所生產的數據,推動生產現場的數位分身機制。


近年來,隨著這種DM(數位製造)的推廣下,生產過程中的因為無線設備數量不斷增加下,常常因RFID、Bluetooth、Wi-Fi等現有無線頻道重疊導致的通訊失敗,也成了實際導入時的一大問題。除了將頻段進行整合外,建立一個穩定的通訊環境,同時利用5G 增加未來的設備數量,也是未來通訊技術應用在生產線上的一個大挑戰。


使用AR技術來支援現場

透過5G的低延遲特色,在採用微軟的HoloLens2和Dynamics 365 Remote Assist,可以將工廠的生產線和辦公室的即時影像連接起來,達到共享現場影像來提供技術上的支援,即時觀察實際生產的產品,並且透過疊加在影像上的箭頭指示和低延遲通信,更可以感受到支援者就在身邊,來可克服所有突發或各種問題(圖五)。



圖五 : 透過疊加在影像上的箭頭指示和低延遲通信,可以感受到支援者就在身邊。(source:Digital Shift)
圖五 : 透過疊加在影像上的箭頭指示和低延遲通信,可以感受到支援者就在身邊。(source:Digital Shift)

五角大廈支持開發和測試6G技術中心

不只產業,連美國國防部也不得不認真考慮與面對5G和6G時代的到來。


美國五角大樓廈近年來在軍事基地啟動了多個5G試驗項目和實驗,希望該技術能夠提高軍事能力,例如用於任務規劃和訓練的AR/VR、用於物流的「智慧倉庫」以及分散式命令和控制。但該部門也在進行有針對性的投資,試圖協助為下一代系統奠定基礎。該專案被稱為Open 6G,是五角大廈創新的Beyond 5G(IB5G)計劃一部分,該計劃目的在促進下一代網路技術的發展。


IB5G項目主管 Sumit Roy表示,「國防部對推進5G到NextG的無線技術和概念非常感興趣,這些努力代表了我們透過公共和私營部門合作,來針對關鍵的Beyond5G技術進行研發的持續投資,這些技術是為未來戰士實現高性能、安全和有彈性的網路操作所必需的。」


美國國防部強調其他近期的IB5G計劃,包括了與Zylinium Research合作的新頻譜交換安全性,和可擴展性專案,重點是利用先進的動態頻譜分配技術;以及與Nokia Bell Labs合作開展的「從MHz到GHz的大規模多輸入/多輸出(MIMO)」等專案,希望探索出能夠跨不同頻段,和頻寬擴展MIMO的技術,進而提高無線戰術的彈性和傳輸量。


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