産業用 5G の概要、アプリケーション、およびテストベッドの構築

1. 5G ホワイトペーパーと基盤

1. 産業用アプリケーションシナリオにおける通信技術の性能要件

表 1 一般的なアプリケーションシナリオにおける情報通信技術のパフォーマンス要件
制作シーン		信頼性	レイテンシ(ミリ秒)	パケットサイズ (バイト)	設備数量	ワークスペース (m)
スポーツコントロール	印刷装置	>99.9999%	<2	20	>100	100X100X30
	ツール	>99.9999%	<0.5	50	約20	15X15X3
	ベーラー	>99.9999%	<1	40	約50	10X5X3
ロボットを動かす	協調モーション制御	>99.9999%	1	40~250	100	<1km^2
ロボットを動かす	ビデオ操作リモコン	>99.9999%	10~100	15~150	100	<1km^2
モバイルコントロールパネル	組立ロボットまたはフライス盤	>99.9999%	4~8	40~250	4	10X10
モバイルコントロールパネル	移動式クレーン	>99.9999%	12	40~250	2	40X60
プロセス自動化（生産監視）		>99.99%	>50	違う	10000単位/km^2

2. 5G無線規格策定プロセス

ITU：2017年後半に5Gの技術提案募集を開始し、2020年に5G規格の策定が完了する。

R15 は主に eMBB シナリオ、R16 は主に URLCC、D2D などのシナリオ、R17 は主に mMTC シナリオを対象としています。

3. 5G NR 規格とスペクトル

3.1 5G スペクトラム

FR1: サブ 6G 周波数帯域、3 GHz 未満のサブ 3G、および 3 ～ 6 GHz の c バンド。

FR2: リソースが豊富なミリ波。

表 2 5G スペクトルの長所と短所の比較
バンドタイプ	バンドアドバンテージ	バンドの不利	展開戦略
サブ3G	低周波数帯域、優れたカバレッジ性能	利用可能な周波数リソースは限られており、そのほとんどは現在のシステムによって占められています	初期段階での展開は推奨されませんが、5G の幅広いカバレッジレイヤーとしてリファーミングとクラウドエアテクノロジーを使用して後で展開できます。
cバンド	NR は、新しい周波数帯域、豊富なスペクトルリソース、広い帯域幅を追加します	アップリンクのカバレッジが悪く、アップリンクとダウンリンクの不均衡の問題が明らかです	5Gの主な周波数帯域は、最大帯域幅100 MHzで展開できます。アップリンクとダウンリンクのアンバランスの問題は、アップリンクとダウンリンクのデカップリング機能によって解決できます
ミリ波	NR 新しい周波数帯域、最大のセル帯域幅	不十分なカバレッジ、RF デバイスの高いパフォーマンス要件	初期展開は主な選択肢ではありませんが、主にホットスポット eMBB 容量の追加、D2D、およびその他の特別なシナリオとして使用されます

3.2 中国の 5G の中低周波スペクトル割り当て

表 3 中国における 5G スペクトルの割り当て
チャイナモバイル	2.515～2.675GHz、4.8～4.9GHz
中国聯通	3.5～3.6GHz
中国電信	3.4～3.5GHz
中国のラジオとテレビ	700MHz、4.9～4.96GHz

表 4 5G NR の周波数範囲
NR周波数帯域番号	アップリンク周波数帯域基地局受信/端末送信	ダウンリンク周波数帯域基地局送信/UE受信	二重モード
n41	2496～2690MHz	2496～2690MHz	TDD
n77	3300～4200MHz	3300～4200MHz	TDD
n78	3300～3800MHz	3300～3800MHz	TDD
n79	4400～5000MHz	4400～5000MHz	TDD

4. 5G ネットワークの展開方法

5G ネットワークの展開には、主に無線アクセスネットワーク RANとコアネットワーク 5GCが含まれます。ワイヤレスアクセスネットワークは主に基地局で構成され、ユーザーにワイヤレスアクセス機能を提供し、コアネットワークは主にユーザーにインターネットアクセスサービスとそれに対応する管理機能を提供します。

5G コントロールプレーンのさまざまなアンカーポイントに応じて、3GPP は 2 つの展開方法に分けられます。独立展開 ( SA ) と非独立展開 ( NSA ) です。SA とは、新しい基地局、バックホールリンク、およびコアネットワークを含む新しいネットワークを構築し、 5G NR をコントロールプレーンのアンカーポイントとして5GC にアクセスすることを指します。NSA は、既存の 4G ネットワーク基盤を使用した 5G ネットワークの展開を指します。

現在、3GPP には8 つの 5G アーキテクチャオプションがリストされており、その展開方法は次のとおりです。

表 5 5G ネットワーク導入ソリューションの比較
		アドバンテージ	不利益
スタンドアロン NR 展開	オプション 2	既存の 2G/3G/4G ネットワークへの影響はなく、既存のネットワークユーザーへの影響もありません。既存のネットワークを変更する必要なく、迅速に展開でき、新しい 5G ネットワーク要素を直接導入できます。 5GC を導入し、5G の新しい機能とサービスを提供します。	5G NR が継続的なカバレッジを持たない場合、音声の継続性はシステム間の切り替えに依存し、QoS は保証されません。 NRと5GCを同時に展開する必要があり、コストが高い。
非スタンドアロン NR 展開	オプション3シリーズ	NR カバレッジの要件はありません。マイナーな変更、少ない投資、迅速なネットワーク構築。音声サービスの継続性が保証されます。初期段階で導入するNR端末の割合が少ない状況に適しています。	5GC によって導入された新しいサービスをサポートできない
	オプション7シリーズ	データサービスには NR カバレッジの要件はありません。 5GC によって導入された新しいサービスをサポートし、完全な 5G 機能を実現し、後続のワイヤレスネットワークの複数のアップグレードを効果的に回避します。音声サービスの継続性は VoLTE によって保証されており、継続的な VoLTE カバレッジが必要です。 5GC業界が成熟した時期の導入に適しています。	新しい 5GC を構築する必要があり、ネットワーク構築の進捗は 5GC 業界の成熟度に左右されます。 CSFB の音声フォールバックプロセスを 5G から 2G/3G ネットワークに促進する必要があります。 LTE を eLTE に変換してアップグレードする必要があり、これには大きな変更が必要です。
	オプション4シリーズ	5G基地局が親局、4G基地局が子局となり、親局と子局は5Gコアネットワークを共有します。

2.産業用5Gテストベッド

5G-ACIA (Alliance for 5G Connected Industry and Automation) は、産業分野における 5G 関連の技術、規制、およびビジネス上の問題を解決、議論、評価するためのセンターです。5G-ACIA (Alliance for 5G Connected Industry and Automation) のハブです。 5G に関連する技術、規制、ビジネスの問題。

表 6 産業用 5G テストベッド
テストベッド名	序章
ABB の 5G ベースの産業用ロボットテストプラットフォーム	ABB与爱立信合作，作为欧盟5G-SMART项目的一部分，在瑞典Kista的爱立信智能工厂建立了5G测试平台，以探讨5G如何改善制造业生产，该平台重点关注机器人技术。瑞典Kista测试平台的主要目的是研究和验证生产用例，其中用于控制工业机器人的软件已从机器人本身重新定位到边缘云平台，并通过5G连接到机器人。其他需要验证的功能是边缘云中用于对象识别和定位的机器图像处理，边缘云中机器人状态的存储以及基于增强现实的车间操作员的支持。
博世半导体工厂的5G-SMART测试平台	通过在罗伊特林根的博世半导体生产工厂建立和运营5G测试平台，共同验证5G技术及其在工业自动化中的用例。该测试平台包括一个独立的，非公共的5G室内网络实施方案，覆盖了8000平方米的工业生产车间。测试台的目的是演示5G如何在实际生产环境中支持工厂自动化和内部物流。这可以通过在工厂车间中开发和测试用例（例如启用5G的云控制自动导引车（AGV）和基于5G的工业以太网）来实现。
华为慕尼黑基于测试平台的5G智能制造和工业AI服务	华为针对基于5G的智能制造和工业AI服务的测试环境旨在加快5G单机版、5G移动专用网的提供。测试平台的目的是在考虑到5G标准的下一个版本的情况下，在未来三年内为联网的智能工厂和可扩展的AI服务开发和验证新颖的解决方案。该环境包括以下用例的验证和性能度量活动：1. 带有AI Machine Vision云处理功能的联网AGV（无人驾驶运输系统）；2. 用于质量控制通过无线监控进行预测性维护；3. 机器检查无线自动化模块的安全性。
亚琛欧洲5G工业园区测试平台	测试平台包括5G室内和室外解决方案，该解决方案延伸到亚琛Fraunhofer IPT工业生产车间。测试平台合作伙伴Fraunhofer IPT，爱立信，u-blox和Marposs正在开发和验证用于工件和机器监控的多传感器平台以及用于监控切削刀具状况的声发射传感器系统。另外，各种数据源通过新型同步设备进行同步，以将数据合并为数字孪生。该试验台是欧盟项目5G-SMART的一部分。

三、5G + 智慧工厂应用示范

表7 5G+智能工厂应用示范项目
项目名称	项目背景	解决方案
宏电5G+WiFi Mesh组网方案成功应用在5G智慧工厂示范项目中	当前主要面临以下难题：（1）有线部署困难：由于厂区大，环境复杂，光纤网线会存在设备老化和故障情况，影响使用效率；（2）WiFi组网不稳定：现有WiFi组网一个工厂需要安装多个路由器，两台路由器切换区域容易发生信号不稳现象，且WiFi组网无法满足生产对时延上及可靠性的需求。（3）联网设备多、数据量大，网络不稳定造成影响大：工厂联网设备和联网终端的增加，每秒钟的计算量、交互量随之增加，网络基础设施不足等网络问题造成数据采集中断。如算力问题导致出现排队、经常停机等事件。（4）工厂数据处理量大、云端数据管理任务重：对设备状态远程控制，包括设备运行和产能，以及潜在故障分析等，尤其是潜在故障分析，需要建立庞大的数据库，配合边缘计算才能完成。	通过5G AIoT新型技术融合应用，实现公司精益化、智能化管理，降低生产运营成本，提高生产效益，其工厂数字化改造、设备物联化需求迫切。因此提出了5G智慧工厂Mesh无线自组网方案。（1）定制开发了5G无线Mesh组网和强AP，实现对存量终端的接入和无缝漫游服务；摆脱有线困境，实现对“有线﹢WiFi”网络的整体替代和低成本改造。（2）部署5G SA + MEC边缘计算，建立设备到工厂云平台的私有网络通道，实现流量本地卸载，有效保障工厂数据安全性。支持本地数据处理和分析，扩展部署5G边缘计算和网络切片，实现设备预测性维护、智能巡检等5G智造场景的应用。
……

四、5G与工业应用的融合

1、5G网络在工业企业的部署模式

（a）虚拟专网：又称公网共用，网络切片虚拟专网；

（b）混合虚拟专网：又称公网专用，边缘UPF混合专网；

（c）独立专网：又称专网专用，智能定制专网。

表8 工业5G网络的部署模式
部署方式		简单描述
混合5G专网：部署独立于移动运营商的5G公共网络，物理隔离的专用5G网络（5G孤岛），企业或移动运营商可建立专用的5G网络。	公网共用	利用5G切片等技术在面向公众服务的网络中，为企业用户提供QoS定制化的专用通道服务（时延、带宽等），实现不同用户不同业务间的逻辑隔离。
	公网专用	原有在运营商核心网侧部署的UPF等下沉部署在企业内或附近，保障企业业务数据本地存储，具有较高的安全性和实时性。
独立5G专网：通过共享移动运营商的5G公共网络资源池来构建私有5G网络，运营商将为企业建立专用的5G网络。	专网专用	工业企业专用的5G网络，只承载企业自有业务，与公网隔离。

2、工业5G融合终端

5G 商用チップを提供できる現在市場に出ている企業には、Huawei HiSilicon、Ziguang Zhanrui、MediaTek、Qualcomm、Samsung などがあります。Huawei Hisilicon と Qualcomm は 5G 商用チップとモジュールソリューションを提供することができ、これら 2 つのソリューションに基づいて、Changhong、Quectel、Sunsea Intelligent、Fibocom などの企業が対応する 5G モジュール製品を発売しました。

現在、産業シナリオにおける 5G コンバージド端末は、主にゲートウェイなどのデータ端末の形で現れており、5G と産業アプリケーションを統合する方法には、次のようなものがあります。

1）5Gモジュール（5G通信モジュールが組み込まれた産業機器）は、5Gと産業通信アプリケーションの深い統合を実現するために機器に統合されています。
2) 統合ゲートウェイ、CPEなどを使用して、5G と既存の産業用システムの間のシームレスな接続と相互運用性を実現します (一般的に、この段階では産業企業によって採用されています)。たとえば、生産ラインでは、5G モジュールと統合された MES 産業用ゲートウェイを使用して、

リモートコントロール、インテリジェントロジスティクス、および高いネットワーク速度を必要とし、遅延に敏感なその他の産業用インターネットシナリオの幅広いアプリケーションにより、統合された 5G 産業用端末の形態は、ゲートウェイなどの既存のデータ端末からさまざまな 5G 産業用端末に徐々に拡大します。プライベートネットワークは、5G フュージョン端末の成熟と多様化を加速する必要があります。