帳號:
密碼:
智動化 / 文章 /

機器才是5G時代的主角
[作者 盧傑瑞]   2021年03月29日 星期一 瀏覽人次: [3595]

到目前為止,智慧手機用戶似乎對5G並不十分感興趣。但另一方面,一些工廠、辦公大樓、遠端辦公室等,卻高度關注該技術的現況與應用發展。


第五代移動通信系統,也就是通常所說的5G。日本市場從2020年3月開始,由軟銀、NTT DoCoMo、KDDI等電信運營商,在全國範圍內提供服務和基礎建設。 5G的主要特點是,可高速傳送和接收大量資料,例如實現高解析視訊直播和線上醫療領域。


此外,由於通信延遲可以減少到4G的1/10左右,因此,也預計會被應用在農業機械和工業機器人等,需要即時通信的遠距控制應用。再加上基地台到終端設備的通信機制比4G簡單,更允許同時連接大量終端的特性,相信可以物聯網上被大量導入。


到目前為止,智慧手機用戶似乎對5G並不十分感興趣。但另一方面,一些工廠、辦公大樓、遠端辦公室等,卻高度關注該技術的現況與應用發展。


在德國巴伐利亞的Bosch Rexroth工廠中,被設計有輪子的機器人,不斷地在製造設備和機器人手臂之間來回移動,而這些新一代的具有移動能力的機器人,都內建了5G數據機(MODEM)。在這先進的製造設備部門,已經將5G視為未來的主要趨勢,根據Bosch的資料顯示,在工廠內的數據傳輸量,與傳輸速度已經超越了普通應用時遊戲和電影的下載量。因此Bosch Rexroth開發了一條基於5G的通訊網路的模組化生產線,將工廠內製造設備的所有零件、和其他高精度電動工具、機器人等連接起來(圖1)。



圖1 : Bosch Rexroth的機器人,都內建了5G數據機。(Source:Bosch)
圖1 : Bosch Rexroth的機器人,都內建了5G數據機。(Source:Bosch)

延伸到工業應用的Private 5G與Local 5G

這樣的變化是有充分的背景演變。首先,5G的下載速度高達10 Gbps,這比目前的網路快上20倍,雖然號稱可在智慧電話等的行動設備上,實現虛擬實境(VR)等等的巨量數據傳輸,但是5G的超高速傳輸能力,僅能在某些特殊規格的基地台上運轉,這使得全球各大電信運營商,需要花費相當長的一段時間來建立網路。


換句話說,在基地台建設這個階段內,雖然眾多的消費者都使用相同5G智慧手機,但是會因為所在的區域差異而出現速率有所不同的現象。


5G通訊的應用與普及在面對這樣瓶頸下,就有研發人員設想,小區域範圍的工廠或倉庫中,如果可以使用5G通訊技術,建立起專用無線網路,提高接收和傳輸能力,將通訊的延遲時間從目前50毫秒,獲得大幅度的改善,最短可達到的1毫秒,此外,因為高度的可靠性,能夠同時連接成千上萬的設備,維持設備的正常運轉。藉此不僅成為智慧工廠推動的最大助力,更有機會讓5G通訊應用普及,不必受到因為基礎建設因素而推遲。在這樣背景之下,Private 5G與Local 5G的技術觀念就被提出。


目前大多的企業都是透過Wi-Fi技術在有限的區域內建設通訊網路,但是在速度與安全性上都有相當大的瓶頸與漏洞。


而Private 5G與Local 5G則是採用了一種名為訊息交遞(Handover)的技術,在大範圍的區域內,達到可以比Wi-Fi更快速、強大、高安全性與穩定的通訊能力。


日前日本各大通訊業者正積極開發「私有5G(Private 5G)」,基本上這是一種5G技術的應用,私有5G是透過網路切片(Network Slicing)技術,為每個公司和地方政府分別構建獨立性的私人網路系統。


網路切片是一種用於虛擬分割(Slice)網路,以提供更有效滿足用戶要求的網路環境的技術。例如,具有更高的通信速度和容量的超高速、大容量切片,和具有通信延遲到極限的「超低延遲切片」等。


私有5G與Local 5G一樣,都是在企業在廠區內建設符合需求的私人5G網路。但不同的是私有5G不需要取得無線電台許可。


Local 5G的技術優勢與頻段使用權

Local 5G是透過企業內專網中使用高品質的5G,目前已經開始陸續被導入企業和地方政府。除了能將工廠具備高速無線通訊能力外,並通過網路連結機器人和生產設備、中央控制系統,使傳統生產線提升成更加高效率的智慧工廠。不僅製造業,Local 5G的應用也可延伸到體育場館的視訊傳送、建築工地的遠距施工等。


傳統上公用5G是電信業者所提供給法人或個人用戶所使用的開放性通信系統,需要在城市等地區分階段進行通訊設備的建設,所以在使用的區域上還是有限制性的。而Local 5G並非是電信業者在某一區域所建設5G私人網路,而是一般企業就可以自行規劃建設,所以即使在沒有公共5G的地區,也可以也可以透過這個技術達到5G通信的速度與傳輸能力(圖2)。



圖2 : Local 5G並非是電信業者在某一區域所建設5G私人網路,而是一般企業就可以自行規劃建設。(source:NEC;智動化整理)
圖2 : Local 5G並非是電信業者在某一區域所建設5G私人網路,而是一般企業就可以自行規劃建設。(source:NEC;智動化整理)

另外,與公共區域所使用公共5G系統不同的是,Local 5G不太會受到其他區域通信問題或網路擁堵的影響,更進一步的,由於資料可以與外部網路隔絕,因此在資料的發送和接收安全性相當高。因此Local 5G已經是被認為是智慧工廠的理想選擇通訊技術,企業在廠區內建設私人網路絡,實現機器人的自動操作和遠距操控。


就技術規格來看,5G比起現有的無線解決方案更為可靠。例如,在發送和接收數據時,可以快速尋找遺失的封包;或避免網路瓶頸和發送數據的方法。目前的市場上有一些針對工廠應用,所開發的無線通訊解決方案,但是大多數都是透過Wi-Fi進行連接,這在可靠度方面還是不足夠。在辦公室或家庭的應用,丟失某些數據封包可能不是太大問題,但是對於機器人或生長設備來說,可能會丟失操作指令,甚至突然停止,在最壞的情況下,甚至可能導致生產暫停的損失。


所以日本針對工廠和小區域工業應用的Local 5G概念(特定區域的第五代移動通信系統)和法規就被提出來討論。


頻段被定義在28.2-28.3GHz的Local 5G,提供通訊設備製造商、通訊業者、機關單位、大學等單位申請許可,並於2020年2月發出了第一張Local 5G執照。雖然這個頻段的傳輸速度較快,但穿透障礙物能力較低,因此在傳輸距離方面也相對較短。對於這個問題,日本總務省計畫新增28.3GHz-29.1GHz、4.6GHz-4.8GHz(室內)、4.8-4.9GHz(室內/室外)的頻段。


此外,Local 5G具有強大的安全性,不必共用頻寬,以及進行加密,來對發送和接收的數據進行嚴格的控制,所以製造業者可以透過購買頻率使用權的方式,建設獨立於無線通訊業者之外的工廠內部自有網路。


全球各大企業陸續展開Local 5G先導性實驗

富士通利用Local 5G開發私有無線雲端服務

富士通發表了連接到4.7GHz頻段獨立5G基站的Local 5G計畫。這個計畫,將服務將分為兩類:一類是「私有無線託管服務」,提供概念驗證(PoC)和無線電牌照申請、無線電波測量、設計、建設、運維等服務;另一類是「私有無線雲端服務」,提供自管無線系統(基站、核心網、SIM)的通信功能及其管理,服務費為每月40萬日元起(需要100萬日元的初始費用)。並透過IA伺服器來降低成本,讓使用戶可以較低的成本享受到5G通信大容量、高密度和低延遲的優點(圖3)。



圖3 : 富士通對客戶的數位化轉換提供私有無線通訊服務。(source:富士通;智動化整理)
圖3 : 富士通對客戶的數位化轉換提供私有無線通訊服務。(source:富士通;智動化整理)

同時,富士通已在其COLMINA平台上,利用Azure IoT Edge進行了整合視覺化的驗證,並確認了其有效性。計畫內容是利用Azure IoT Edge分析人的運動資料、無人車的高解析影像,以及實驗室中攝影鏡頭、行動終端和伺服器的資料,在富士通的上集中視覺化。未來還將在大山工廠進行驗證,並推進到商業化。包括日本微軟在內的10多家公司已經簽署了富士通的Local 5G合作計畫(圖4)。



圖4 : 對客戶的數位化轉換提供私有無線通訊服務。(source:富士通;智動化整理)
圖4 : 對客戶的數位化轉換提供私有無線通訊服務。(source:富士通;智動化整理)

新日鐵開始驗證Local 5G的應用

另一家日本大型製造業者「新日鐵」也計畫導入Local 5G。新日鐵是透過旗下的日鐵Solutions,來為新日鐵的室蘭工廠布建Local 5G/私有LTE的自營無線網路服務,並取得自營及其他BWA(Broadband Wireless Access)相關許可證。


日鐵Solutions的計畫是,在第一階段是利用4G進行驗證。包括無線區域的設計、牌照申請的支援、系統建設、運營維護,並採用芬蘭的諾基亞作為無線設備。



圖5 : 新日鐵透過自建的Local 5G無線網路,來確保廠區列車的遠端駕駛與安全機制。(source:新日鐵;智動化整理)
圖5 : 新日鐵透過自建的Local 5G無線網路,來確保廠區列車的遠端駕駛與安全機制。(source:新日鐵;智動化整理)

透過自建的無線網路,能夠在規範的區域達到高速無線通訊,實現無限的資料量傳輸,並且獨立於外部通信網路,來確保安全。


這個應用驗證計畫被稱為「安全守護者」平台,日鐵Solutions在村蘭工廠中的柴油電車上安裝了高解析4K攝影機,並設置以4G技術為基礎的自控BWA基地台,將4K攝影機所拍攝到的高解析影像進行無線傳輸和分析。以此作業來確認遠端操作的技術要求,和4G的應用技術。此外,也將高精度定位(RTK定位)應用於柴油電車來完成位置視覺化系統,進一步的提高車輛顯示位置的準確性,達到確保區域內工作人員的安全。


未來,將更進一步的建立各種資訊綜合平台,並加強對接近工人的報警等附加功能。同時對整個區域進行無線電波傳播分析,來解無線電波的傳播方式,和鋼鐵工廠特有的傳送速率,做為未來應用於多個無線網路在生產現場應用的準備。


第二階段,就正式利用Local 5G建立遠距操作的傳輸技術,推動工廠的數位化雙胞胎和智慧工廠,達到在生產現場利用5G網路實現數位化轉型。


最後將室蘭事業所取得成果的基礎上,推廣到其他鋼鐵廠和新日鐵集團各公司的生產基地。


KONICA MINOLTA將開發影像物聯網和5G整合應用

KONICA MINOLTA與KDDI、NEC在位大阪高槻的KONICA MINOLTA 「創新園OSAKA中心」建立了「Hybrid的5G」基地台實驗室,來進行Local 5G的相關服務開發。


這座實驗室將配備日本少見的5G和Local 5G的混合開發環境,並模擬一般辦公環境、工廠等製造現場、室內外支援作業等,來開發5G服務相關的技術和應用,並將研究結果提供業界企業、大學和其他研究機構。


KONICA MINOLTA將透過這座實驗室開發「高解析影像的高速AI處理」,來結合影像物聯網和5G,在辦公、製造現場、醫養、農業、娛樂等多個領域提供高價值性服務。而NEC則將建立一個可以實際體驗和驗證Local 5G的環境,更進一步的支援KONICA MINOLTA及其客戶業務的DX(數位化轉型)。


日本以外,如德國的BMW、VolksWagen和Lufthansa等現階段已經開始進行Local 5G的測試。以及瑞典的Sandvik 集團也積極佈建利用5G技術來進行遠端設備的控制


結語

但並非所有的產業都對Local 5G技術有高度的興趣。最大的考量點是,是否值得需要支出額外的費用來使用Local 5G通訊,無論是在頻譜可用性,還是在服務成本方面。例如DHL正展開可行性的研究,來瞭解5G在其設備中的好處,不僅要確定5G技術與4G和LTE相比的優勢性,還要確定建設成本,及採用該技術所需的費用。


數位化轉型(DX)是企業在數位時代生存的必要條件,而5G在促進DX方面發揮了重要作用。預計5G將大量擴及應用在遠程生產,使企業運營更順暢、效率更高,加速在次世代的工業領用,使得遠距操控、自動化等技術的需求會越來越大,而工作人員在現場作業的需要性也愈來愈少。


相關文章
使用航位推測法來解決導航的挑戰
使用航位推測法來解決導航的挑戰
全球大型製造工廠正快速導入5G物聯網
次世代工具機的發展動向與市場趨勢
運用工業乙太網路加速轉移至工業4.0
comments powered by Disqus
  相關新聞
» 浩亭躋身德國最具創新力公司 獲兩評選機構肯定
» 非接觸式開關實現最高衛生標準
» The Imaging Source板級相機使自助結帳更快速、便捷
» 盛達工業級無線寬頻路由器經TAICS認證 取得物聯網資安標章
» THE IMAGING SOURCE兆鎂新 推出「IP67等級 FPD-Link III 嵌入式視覺相機」
  相關產品
» igus FastConnect電纜可減少46%組裝時間
» 以滑塊和橫杆雙重鎖定 igus開發E4Q拖鏈減少裝配時間
» 嵌入式視覺發展強勁成長 兆鎂新開發技術前導
» 施耐德電機Galaxy VL三相UPS可大減占地面積
» Microchip推出首款用於加強FPGA設計的防護工具


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2021 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@hope.com.tw