ローカル5Gとは

ローカル5G (Local 5G、Private 5G、プライベート5G) とは、通信事業者 (キャリア) に頼らず、企業や自治体などが「自己の建物内」、「自己の土地内」など限られた範囲で利用可能な独自の5Gネットワークを構築する自営無線です。5Gの特徴である「超高速」「多数同時接続」「超低遅延・高信頼」をキャリアに依存することなく局所的に実現します。近年のIoTの普及により、様々なモノ・ヒトがネットワークに接続されるようになっています。目的や接続対象となる機械アプリケーションごとにネットワークに求められる機能やプライオリティは異なりますが、ローカル5Gを導入することにより、使用用途に合わせたネットワークの構築が可能です。ローカル5Gのネットワークを構築するには、ライセンスが必要で総合通信局への免許申請が必要となります。また、呼び方や割り当てられる周波数は異なるものの、海外でも同様の概念があり、アメリカ、ドイツ、フランス、イギリスなどでもローカル5Gの活用が進んでおり、いくつか事例が報告されています。

ローカル5Gにより実現される世界

ローカル5G利用のメリット

コスト削減

公共ネットワークへの接続固定費や、有線ネットワークの物理的なケーブルなどのメンテナンス費用、ローカル5Gに機械を接続することによる業務の自動化からコスト削減に繋がる場合があります。

セキュリティの担保

ローカル5Gは自エリア内でネットワークを構築できるため、外部ネットワークと切り離して運用することが可能です。また、SIM認証を行ったり、周波数によってはサービスエリア外への電波の漏洩が少ないため、高度なセキュリティの実現が可能です。更に、ローカル5Gは免許が必要な周波数を使用することもあり、通信品質が安定しています。

このため、自社内の情報が外部に漏洩するリスクを抑えることができ、セキュリティの強化につながります。特に、研究所や工場といった施設内に機密情報が多く存在する企業においては、ローカル5Gによるセキュリティ対策は有効です。これらの企業では、研究内容、生産計画、製造方法、検査内容、出荷までの施設内の設備からノウハウに至るまでが機密事項であるため、守秘義務の順守が徹底されています。そのため、クラウドシステムといった外部ネットワークとの接続に懸念を示す企業もまだ多く、情報漏洩には細心の注意を払っています。現場では情報漏洩リスクの軽減のため、業務プロセスが増え、企業活動が停滞してしまうケースも少なくありません。こういった企業において、外部ネットワークと分離して構築できるローカル5Gネットワークは魅力的です。

Wi-Fiよりも広範囲をカバーできる

施設内のネットワークとして、従来はWi-Fiの利用が一般的でした。しかし、Wi-Fiの通信範囲は限られた狭い領域であるため、大規模な工場やスタジアムなどの広い場所や、農地や建設現場といった屋外の通信までをカバーすることは困難でした。ローカル5Gであれば、もともと携帯電話で使われることを想定した通信規格であるため、広範囲の通信がカバーできます。そのため大規模な工場や建設現場などの産業用途としてローカル5Gを活用する動きが広がりつつあり、事例も散見されています。

安定性があり通信障害の影響を受けにくい

ローカル5Gでは、WiFiや公衆回線などと比較して、低遅延や高速伝送が担保されます。また、帯域を占有できるため、輻輳や干渉の心配がありません。災害時や大規模なイベントの発生時に、多くのユーザーがキャリアの5G回線を利用すると、ネットワークの輻輳が発生して接続困難になる可能性がありますが、ローカル5Gのように独立したネットワークであればそのような心配はありません。

また、キャリアの5G回線を利用すると、他のエリアの障害の影響を受ける可能性があります。しかし、ローカル5Gは周囲の環境の影響を受けづらく、仮に不具合が出たとしても自前で修理を行なうことですぐにネットワークを復旧できるメンテナンス性があります。

適用エリア・システムを柔軟に構築可能

ローカル5Gのメリットとして、キャリアの都合に左右されず、希望するエリアに柔軟に展開できるカスタマイズ性があり、それぞれのニーズ (希望するエリア、低遅延、広帯域、多接続、低消費電力、etc.) に合わせて、システムを構築できます。さらに、状況によってアンテナの配置換えなど自身でメンテナンスを行うことが可能です。キャリアによる5Gは商用サービスがスタートしたばかりであり、整備が十分に進んでおらず利用できるエリアは限定的です。特に山間部など人口の少ない地域では、今後も5Gがサポートされない可能性もあります。一般的に、キャリアによる5Gのネットワークは全国に整備されるには1年半から2年以上かかるとも言われています。一方、ローカル5Gであれば、展開するエリアや導入時期を各社、各自治体にて決めることができます。

ローカル5Gの適用事例

建設機械・農業機械の遠隔操作

建機

公道の自動運転等と比較し、建機の遠隔操作は実現のハードルが低いため、比較的簡単に実現できる可能性があります。災害が発生したような危険な場所での作業や時分割でオペレータが異なる機器を操縦することによる建設の効率化といった用途が考えられ、オペレータ不足の低減にもつながります。

一方で、遠隔操作による作業の完成度は低く、人が操縦した場合の60%程度と言われています。その原因の1つが通信性能にあります。従来から使用されていたWi-Fiでは、遅延が大きく操作が難しい、長距離を対応していない、帯域制限があり多数の機械を同時に動かせないといった難点がありました。

さらに、工事現場である山奥やトンネル、地下の通信は不安定であり、キャリアのサポートも十分ではありません。例えば、北海道における道路の延伸では、3,4Gすら届いていない場所もあります。建設工期は通常年間スパンであるため、通信環境の整備は非常に重要な役割を占めます。

こういった課題への対処法として、ローカル5Gによる低遅延、広い範囲をカバーできること、同時に多数接続できる通信環境の整備は効果的です。

農機

近年「スマート農業」が囁かれているように、農業・畜産業従事者の減少の対策として、作業の効率化はますます重要になっています。その一環として、無人状態での自律農作業や、ロボット農機の遠隔操作の取り組みが広がっています。その他にも、農業従事者への配慮として猛暑日などでも温度管理された室内から操縦できるため遠隔操縦のニーズは高まっています。

建機と同様に、農作業の遠隔操作や自動操縦システムの構築のために安定・低遅延の通信環境の整備が求めらており、ローカル5Gはその一助となります。

監視システム

スマートファクトリー:工場内機器の自動制御、自動運転、故障予知など

工場でも、人手不足が問題となっています。そのため、生産ラインの自動化等による生産性の向上が課題となっています。さらに、近年はニーズの多様化に伴う少量多品種生産が主流となってきており、センサーやロボットなど管理する機械の数が増え、ラインの変更は頻繁に発生します。こういった機器の保守点検や、変更のたびにケーブルの配線を変えることは大きな負荷となってきました。この背景から、大量の機械の情報をリアルタイムに収集し予知保全につなげることや、即時にラインの変更を行うことでダウンタイムの削減につなげることが結果として工場内の歩留まり改善に寄与します。そのため、施設内の無線通信のニーズが高まっています。

一方で、既存のWi-Fi等の無線ネットワークは、工場全体をカバーできるほどの広いネットワーク展開や、高いリアルタイム性と安定性、セキュリティの担保について十分とは言えない状態でした。セキュリティを担保し、安定的、高速かつ広い範囲でのネットワークを構築できるローカル5Gはその解決策として注目されています。

さらに、ローカル5Gによって、工場内の機械から取得される大量のデータをリアルタイムに収集・活用できるようになれば、「デジタルツイン」の実現も容易になります。デジタルツインとは、実際の設備のデジタル上の“双子”であり、機械の最新の状態を表現したものです。デジタルツインによって機械が故障するまでの時間を予測することや、ライン変更の予測シミュレーションをより正確に行うことが可能となり、異常検知、予知保全によるコスト削減に大きく寄与します。

農業・畜産業:農作物や牛の生育状況の確認、収穫時期の見極めなど

農業では、農場を⾃動⾛⾏するロボットや、ドローンからの映像をリアルタイム伝送し、5G基地局内でAIによる分析を⾏うことで、⽣産者や営農指導員がリアルタイムで⽣育状況を把握することが可能となります。

酪農や畜産業においても、ローカル5Gと4Kカメラを活用した牛の健康管理の効率化の取り組みが行われています。従来、牛の健康状態の管理は酪農家が一つ一つ牛舎内を回り、目視で確認していました。4Kカメラを設置し、遠隔で牛の健康状態を管理することで、確認作業の効率化に繋がります。このためには、動く牛を識別するため低圧縮かつ⾼画質の4K動画を送信する必要があり、Wi-Fiで4K動画を複数送信することは困難でした。5G環境の整備により、この動画送信が可能となります。

防災・減災:土砂崩れや川の増水、決壊などリアルタイム監視など

日本では大規模な災害が多く発生しており、災害時に、複数の拠点を同時に、正確に、かつリアルタイムに状況把握することで早期に発見・救助を行うことが可能です。複数拠点の映像・画像をリアルタイムに共有することが求められますが、4GやLTEでは十分な通信速度が得られません。5G技術の導入により、複数設置された高精細な映像センサーや、ドローン、救助隊員のウェアラブルカメラ等からの情報をリアルタイムに把握することが可能です。

アミューズメント

スタジアム/コンサート会場/遊園地:自由視点映像配信など

コンサート会場、スタジアムや遊園地、博物館などに高臨場・高精細の映像コンテンツを超高速で伝送し、新たなエンターテインメント体験を提供可能にします。

たとえばVR/AR等と5Gを組み合わせたスポーツ観戦では、スタジアムの観客席の臨場感を味わいながら、リアルタイムに競技情報を表示させることができます。こういった新しいスポーツ観戦体験が注目されてきています。

このように、ローカル5Gを利用したアプリケーションは、人手不足な領域の業務プロセス刷新、効率化や、災害現場のような危険な地域での遠隔作業、状態監視など、現在日本が抱える大きな課題解決にもつながります。

ローカル5Gの活用:隊列走行による特殊技能を持ったオペレータの人手不足解消

ローカル5Gの活用:刈り取った作物を正確に収容することで生産性向上

ローカル5Gの規格・導入方法

ローカル5Gでは、4.6[GHz] -4.8[GHz]と28.2[GHz]-29.1[GHz]が割り当てられます。ローカル5Gを導入する場合、無線局の免許の申請が必要です。2019年12月の電波法関連法令の制度改正により、28GHz帯の一部の帯域(28.2-28.3GHz)においてローカル5Gの利用が可能です。また、2020年8月17日時点では屋外で利用できる4.8-4.9GHzが新たに追加されました。その他の帯域については、2020年末に制度化される予定です。

ローカル5Gの周波数割り当て

ローカル5Gの利用には免許資格が必要であり、キャリアは無線従事者の資格を取得できず、キャリア以外の企業や自治体などが取得できます。これによりローカル5Gは、大企業だけでなく比較的小規模な自治体や団体でも参入がしやすくなります。また、ローカル5Gの無線局への申請は「建物や土地の所有者」だけでなく「建物や土地の所有者から依頼を受けた者」も申請が可能です。

ローカル5Gにおけるシミュレーションの重要性

ローカル5Gでは、より高周波を利用するため、直進性が強くなり、今までの経験をもとにアンテナの設置したりカバレッジを予測することは大変難しくなっています。また、4Gまではキャリアが品質を保ち、メンテナンスを行ってきましたが、ローカル5Gでは、ユーザー主導でシステムへの投資、他の通信システムに影響を与えない事、敷地外に放射していない事、もちろん必要なところに必要な電波が供給されることなどを確認する必要があります。全ての場所や様々な環境下での計測は現実的ではないため、設置時やメンテナンス時にシミュレーションを活用することはシステムの品質向上やコストダウンという点でも重要です。

また、コロナ禍では、現地へ出向いての計測が難しくなっているため、よりシミュレーションの重要性が高まっています。

MATLAB/Simulinkを使ったローカル5G

MathWorksは無線通信設計のためのソリューションを提供しています。5G Toolbox™は、5Gの規格に準拠した信号生成、解析を行うことができます。5G Toolboxは、提供される全ての関数がホワイトボックス化されており、Cコード生成にも対応しています。ローカル5Gは、それぞれのニーズに合ったシステムを作りこめるため、低遅延を優先するのか、広帯域を優先するのかなど、その時々のアプリケーションにより異なりますが、5G Toolboxから提供された関数や、その関数をカスタマイズすることで、シミュレーションモデルの構築を行うことができます。

PDSCH, PDCCH, CORESETのロケーション表示

また、Antenna Toolbox™Communications Toolbox™を使用することで、あらかじめ標高や建物を考慮した電波伝搬のシミュレーションが行えるため、事前にアンテナ配置の最適化も検討することができます。

建物を考慮したレイトレーシング

送信機と受信機間のLoS (Line-of-Sight) プロット

さらに、Phased Array System Toolbox™を使用することで、ビームフォーミングによるアンテナの指向性の制御なども検討できるため、より低消費電力で、効果的なシステムの構築が可能です。

アンテナアレイによるビームフォーミング

ローカル5Gを設置する独自の環境を模擬してレイトレーシング解析を行いたい場合には、CADデータのフォーマットのひとつであるstlファイルで実現して頂けます。CADツールを使用して作成された工場内やオフィスなどのお手元のデータを活用したり、RoadRunnerで構築した自動運転のシナリオをCADファイルとして出力後、stlファイルに変換できれば、Communications Toolboxを使用することで、電波伝搬の環境として利用して頂けます。

RoadRunnerで作成したシナリオ

STLファイルを環境として使用したレイトレーシング解析の例

参考: wireless transceiver, OFDM, 5G

5G テクノロジーの開発