5GがIoTとIIoTに革命をもたらす仕組み

5GモバイルブロードバンドサービスがIoT/IIoTに与える影響を探るため、オラクルのIoTおよびブロックチェーンアプリケーション開発担当バイスプレジデント、ジャイ・スリ氏と、航空宇宙業界のコンサルタントでもある組み込みシステムアーキテクト、マイク・アンダーソン氏にインタビューを行いました。5Gが産業界に導入されるのは目前なのか、それとも他のアプリケーションが先行するのか尋ねたところ、両者とも「複雑だ」と答えました。

「5GはIoTユースケースを核に設計されたのに対し、4G以前の規格は主に音声とデータ転向けに設計されました。4G/LTEでは高速データダウンロードがストリーミングコンテンツを可能にしましたが、5Gでは超高速・低遅延通信と、平方キロメートルあたり数百万デバイスの処理能力がもたらされます」とスリ氏。

5Gの基本理解：周波数帯と特性

まずいくつかの点を明確にしておく必要があります。5Gという用語は周波数を指すものではなく、単に第5世代ワイヤレスモバイルブロードバンド通信を意味します（「5Gセルラーの意味を理解する」、センサーテクノロジー、2020年3月参照）。また、単一周波数ではなく3つのバンドをカバーします：

• 低周波帯：600〜850MHz。現在の4Gと大差ありません。
• 中周波帯：2.5〜3.7GHzの範囲をカバー。
• 高周波帯（ミリ波）：25〜39GHzで動作。この周波数範囲の信号は一般的にミリ波と呼ばれ、多くの人が5Gと聞いて想像する極限の性能を提供します。

IIoTにおける5G：Release 16で産業向け標準化が進行

第3世代パートナーシッププロジェクト（3GPP）は、モバイルテレフォニーのプロトコルを開発する国際標準化団体です。Release 15は消費者向け5Gに焦点を当てていましたが、現在のRelease 16では焦点が消費者からIIoTとその他の産業市場へシフトしています。時間をかけて、5Gアプリケーションの開発・実装のための標準を拡充していく意向です。

ミリ波5Gの顕著なメリットは、高速、低遅延、多数同時接続、高信頼性です。5Gミリ波ワイヤレス接続では、有線リンクから期待されるレベルの性能が得られます。また、高周波帯域であるため、近くの機器からの電気的干渉を受けにくい特性があります。

しかし大きな課題は、ミリ波5Gが窓ガラスで遮断され、到達距離が短いことです。そのため、多くの5Gセルが必要になります。アンダーソン氏によると、適度な広さの工場床でも、主要作業セルの天井に20〜30台の無線機が必要になるとのことです。

産業用途に求められる「シックスナイン」信頼性

産業アプリケーションでは通常高い信頼性が要求され、5Gはそれを確実に提供できます。アンダーソン氏はこう説明します。「現在の4Gネットワーク信頼性は99.8%。通話切断率0.2%は超信頼性のキャリアグレードモバイル電話ネットワークと見なされます。しかし産業アプリケーションで要求される信頼性は典型的にシックスナイン（99.9999%）です。5Gネットワークは、セル重複、無線スペクトルの巧妙な活用、大規模MIMO（多入力多出力）アンテナにより、このレベルの信頼性を提供できます」

工場に通信事業者の5G信号を導入するには、ミニチュア基地局のようなアンテナを建物内に設置する必要があります。産業用途で使用するには、建物内により大規模なインフラが必要です。建物を貫通させれば終わりというわけではなく、はるかに複雑です。周波数帯域によっては、建物の反対側で信号を受信できないことさえあります。鉄骨などあらゆるものが信号を吸収します。そのため複数のアンテナが必要で、工場を設置する側はそれらのアンテナが建物内で適切なカバレッジを持ち、デッドスポットがないことを保証しなければなりません。

5Gの主要候補ユースケース

デジタルツイン

デジタルツインは物理システムのリアルタイム動的表現です。例えば航空宇宙業界ではデジタルツインをほぼ定期的に活用しています。大量の技術を搭載した衛星を低軌道に打ち上げる場合、メンテナンスが必要になるでしょう。ソフトウェアアップデートがあれば、まず地球上のデジタルツイン（衛星のリアルタイムデジタルカウンターパート）でテストしてからアップロードできます。デジタルツインを実物と同期させるには大量のデータを高速で伝送する必要があり、これは5Gに最適です。

仮想現実（VR）と拡張現実（AR）

VRでは検知可能な遅延は許容されません。したがって、5Gの高帯域幅、高スループット、低遅延は完璧な適合です。単なる娯楽ではなく実用的なVRアプリケーションの一つは、何か問題が起これば致命的となり得るシステムのオペレーター訓練用シミュレーターです。航空機、鉄道、船舶、そして間違いなく原子炉のオペレーターなどです。

「船舶の訓練室にいたことがあります。そこでは真っ白な壁しか見えませんが、VRゴーグルを装着すると、船舶で通常期待されるすべてのコントロールが見えます。シミュレーターがデジタルツインでもあれば、これらの仮想コントロールは実際の船舶で行うのと同じ動作をします」とアンダーソン氏。

「もう一つのARアプリケーションは、サービス技術者、特にサードパーティ技術者が高品質な修理を行えるようにすることです。ARは修理プロセス全体をガイドし、問題を特定する規範的メンテナンスモデルを提供し、ライブビデオフィードに3Dアニメーションを視覚的にオーバーレイして実行手順を示すことができます」とスリ氏。

予知保全

5Gは、追跡・分析したい大量のストリーミングデータを持つアプリケーションでの予知保全にも有用です。

重要なアプリケーションは、故障すれば重大な損害を引き起こす、または発電などの重要サービスを中断する超大型モーターや発電機です。石油・ガス業界のガス圧縮機など、リモート機器のリアルタイム監視もスリ氏によると重要なユースケースです。

別の例として、ルーフトップユニットを販売するHVAC会社の場合、メンテナンスだけでなく使用状況のデータも収集したいとします。「有用なデータを収集するための4Gネットワークコストは月額約3〜5ドルなので、10万台展開していれば費用は非常に大きくなります。そのすべてのデータを処理して有用な情報を得ることで、さらなる運用コスト増加を招きます」とスリ氏。「組織が顧客に消費電力と快適度の洞察を提供できれば、そのデータを用いてより効率的なユニットを販売したり、稼働時間に基づく従量課金制を提供したりできます」

エッジコンピューティング

5Gの低遅延、高速、高信頼性の約束は、エンジニアにネットワーク設計のための拡張されたツールボックスを提供する強化されたエッジコンピューティングを可能にします。

エッジコンピューティングには以下のメリットがあります：

• 5Gにより、エッジでより多くのコンピューティングが可能になります。エッジを「ローカルクラウド」を含むように再定義できるためです。以前は低遅延計算を各センサーノードで行い、時間に敏感でない計算をエンタープライズレベルのネットワークやパブリッククラウドに割り当てていました。しかし、センサーノードで可能な計算量は、物理的サイズと消費電力の実用的制約により極めて限られていました。
• 5G接続により、リモートセンサーからのデータを「ローカルクラウド」（市販コンピューターで構成）にワイヤレスで伝送できます。これらのクラウドは低遅延計算を実行でき、意思決定をデータソースに近づけられます。生データではなく意味のある情報パッケージを、エンタープライズクラウドとパブリッククラウドの両方に、時間に敏感でない処理と保存のために送信できます。
• さらに、組織は機密データを公開から保護したい場合があります。エッジシステムでデータをソースで処理し、匿名化・要約されたインサイトのみをクラウドに送信してさらなる処理を行えます。

自律走行車両

「5Gがキラーアプリになると思うのは自律走行車両です」とアンダーソン氏。「LiDAR、レーダー、カメラなど多数のセンサーを搭載し、大量のデータを生成し、極めて低遅延での超高速応答が必要です。自律走行車両は周囲の大量データをリアルタイムで取り込み、迅速に応答しなければなりません」

車両と周囲のあらゆるもの（歩行者、他車、信号機など）との通信はV2X（Vehicle-to-Everything）と呼ばれます。この技術により、車両同士が直接通信して衝突回避が可能になります。また、車両が交差点に近づき、信号機があり、両者が5Gで接続されていれば、車両は信号機と直接通信して現在のステータスを把握できます。

「自律走行車両向け5G実装では、州の高速道路局が通信事業者（テルコ）に契約を発注するでしょう。彼らの基地局とサポートインフラを活用したいためです」とアンダーソン氏。「高データレートと低遅延には最低1GHzの帯域幅が必要。真に低遅延を求めるなら25〜27GHz（ミリ波帯）の話になり、都市部では1ブロックごとに基地局が必要です。郊外なら基地局間で約5km可能でしょう」

現在のテルコ基地局は約20マイル間隔なので、多くの新設が必要です。5Gミリ波は通常周波数帯の約5倍のセル数を必要とします。救いは、25GHz基地局のサイズが既存テルコ基地局よりはるかに小さいことです。

「現実的には最初、ミリ波帯は個人の利用向けに整備されるでしょう。そのためインフラはともかく整備されます。その後、余剰容量が都市や州に自律走行車両用として売られることになるでしょう」とアンダーソン氏。

物流

物流は、大量の車両をリアルタイムで追跡・位置特定できることから恩恵を受けます。これはフリートマネージャーにとってボーナスとなります。これまでパッケージ追跡は、データロガーから事後的に情報を取得することに相当していました。しかし、リアルタイム車両追跡システムはGPSとセルラーデータを用いて、位置と移動方向の情報を管制局に伝送します。このデータはルートのトラブルシューティングや物流オペレーションの最適化に活用できます。車両追跡システムは、燃料残量、タイヤ空気圧、点火ステータス、エンジン温度などの車両運用情報も送信でき、メンテナンススケジューリングに活用可能です。この種のアプリケーションでの5G活用もキラーアプリになり得ます。

結論：5〜10年かけて段階的に統合

結論として、5GはIoTとIIoTの両方に大きな影響を与えますが、これはゆっくりと発展し、一部のセクターは早期に、一部は後から恩恵を受けます。全体として、5GがIoT/IIoTアプリケーションに大幅に統合されるタイムラインは、5〜10年オーダーです。

本記事は、センサーテクノロジー編集長エド・ブラウン氏によって執筆されました。詳細については、エドまでご連絡いただくか、こちら . をご覧ください。