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趨勢觀點

5G應用發展趨勢

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 張俊貴

全球已有144家運營商在61個國家和地區提供5G服務,未來將更完整支援如自動駕駛、工業網路、智慧物流和遠距醫療等行業應用。

5G商用時代來臨 

全球5G網路布建速度遠比4G時代快速,根據GSA報告顯示,截至2021年01月,全球已有144家運營商在61個國家和地區提供5G服務。5G商用時代來臨,雖然殺手級應用仍處於探索階段,但伴隨著3GPP標準Rel-16版本釋出,將更完整支援如自動駕駛、工業網路、智慧物流和遠距醫療等行業應用,垂直市場應用的新商機可望帶來全新局面。

觀察韓、美、中、日、德等全球5G發展領先國家,政府與營運商將拓展5G應用視為重要發展目標,積極規劃相關監管措施與發展策略,加速5G應用落地。根據日本電子資訊技術產業協會(JEITA)預估,全球5G專網市場規模在2030年達991億美元,而全球製造業利用5G進行數位化腳步相較於其他行業更顯積極,除參與行業應用5G標準制定外,已於多個工廠建置5G專網進行智慧工廠應用驗證。然而,5G專網垂直應用發展前景看似一片美好,但仍有許多挑戰尚待克服。

 

全球加速5G建設 積極拓展5G應用 

2020年突如其來的新冠肺炎(COVID-19)疫情打亂了全球5G發展的節奏,造成全球性的經濟衝擊,導致產業、供應鏈與終端市場的不確定性。可是也因此帶動無接觸經濟、遠距辦公(Remote Working)等新型態應用發展,及加速產業數位化的腳步。韓國、美國、中國大陸、歐洲、日本等國家和區域仍積極推動5G建設,鼓勵開展5G融合應用。

1. 韓國:優先發展多樣5G個人應用,同步探索企業應用
韓國三大運營商結合本國在文化、娛樂和體育上的優勢,針對VR/AR、視頻直播、雲遊戲、串流媒體推出豐富的5G內容和應用服務,比如VR/AR電競直播、虛擬社交、串流媒體和雲遊戲等服務。並積極探索工業互聯網、醫療健康、智慧交通、城市公共安全等領域的5G應用,例如SK電訊與韓國水電和核電公司合作建設5G智慧發電廠,KT和現代重工集團合作開發基於5G網路的智慧工廠服務,實現遠端監控和故障檢測等融合應用。

2. 日本:營運商重視垂直應用布局早,政府鼓勵本地5G專網應用
日本營運商NTT DoCoMo於2018年便進行開放合作夥伴計畫(5G Open Partner Program),與產業合作探索5G垂直應用,於2020年開台隨即提供面部識別、遠程醫療、智慧農業等超過20項5G企業應用。另外,日本政府釋出專網頻譜,大力鼓勵運營商以外的企業等實體建設本地5G專網,發展特色5G應用。 目前,富士通、三菱電機等公司相繼部署本地5G專網,驗證5G智慧安防、遠程操作和維護支持等應用。

3. 中國:加速5G網路建設,中央到地方政策推動應用落地
中國政策性推動5G發展,加快5G網路建設與推動5G與垂直行業融合應用。至2020年底已建置超過70萬個5G基站,在地方政策的大力支持下,聚焦工業互聯網、智慧製造、超高清視頻、智慧醫療等領域試點示範應用,各地5G與垂直行業的融合應用已經逐步由探索階段進入落地實施階段。營運商則大力拓展企業端垂直應用業務,與垂直領域相關企業展開合作,推動5G融合應用示範,全國已有超過1,100個5G+工業互聯網項目。

4. 德國:率先開放5G專頻支持垂直應用,鞏固工業領域優勢
回應企業探索5G新應用發展專頻專網需求,2019年11月,德國聯邦網絡管理局(BNetzA)全球率先啟動本地5G頻率(3700-3800 MHz頻段)的申請,截至2020年12月,德國聯邦網路管理局已發放了70多份專網頻譜許可證,其中包括奧迪、賓士、寶馬、博世、大眾、巴斯夫和德國漢莎航空等大型公司。同時,為進一步引導中小企業發展本地5G網路,德德國聯邦經濟事務和能源部(BMWi)2020年4月底針對中小型企業發布了「5G園區網路指南」,提供工廠、交通、物流、醫療、校園、港口等案例,描述了​​應用場景與5G效能的需求。

5. 美國:5G個人服務發展慢,CBRS加速行業應用
相較全球主要以中頻3.5GHz建設5G網路,美國受限於毫米波5G網路布署成本高、建設緩慢及終端選擇少,5G個人服務拓展緩慢。在行業應用方面,2020年1月美國聯邦通信委員會FCC開放3.5GHz CBRS共享頻段全面商用,及CBRS Alliance大力推廣OnGo 技術規範、應用與商業機會,也促進了行業應用的發展。因此,也看到各領域如購物中心、農場、校園、地區已使用CBRS頻段布署專用網路,進行5G應用場景驗證。 

 

5G垂直應用新經濟 製造業先行 

在3GPP R16版本開始制定垂直行業相關技術規範,滿足了關鍵MTC案例的基本要求,即低延遲高可靠(URLLC)的用例,並且通過TSN(時效性網路)的方式對實時應用的功能進行了標準化。還描述了非公共5G網路(NPN)的端到端解決方案。未來在R17、R18版本將進一步擴展並增強用於5G工業物聯網、TSN、車聯網應用的網路功能。

產業端也積極探索結合5G帶來的效益,5G工業聯網自動化聯盟(5G-ACIA)推動5G導入製造產業,從需求釐清、技術評估、場域實證逐步促使智慧工廠應用落地,除發布白皮書並參與3GPP 5G行業應用的技術標準制定,以協助釐清智慧製造場域之通訊需求,建立適合工業生態之5G標準,聯盟成員也已啟動多個智慧工廠應用試煉。在3GPP TS 22.104規範中,已定義工廠自動化(Factory Automation)、程序自動化(Process Automation)、人機與生產資訊化(HMI and Production IT)、物流與倉儲(Logistics and Warehousing)、監控與維護(Monitor and Maintenace)等未來工廠的5大應用領域,以及如擴增實境(Augmented Reality, AR)、移動機器人(Mobile Robot)、巨量無線感測網路(Massive Wireless Sensor Network)等可應用的10項使用情境。

IDC也預測2025年將有5成台灣企業建置5G專網,其中製造業最快採用。 2020年12月,日月光和中華電信、高通合作,啟用全世界首座5G超高頻毫米波(mmWave)企業專網的智慧工廠,未來將擴展至日月光其他25座智慧工廠。此波全球由製造業先行的5G垂直應用風潮,將開啟企業5G數位化轉型的新競賽。

1. 5G專網應用案例:漢莎技術公司飛機維修專網
2020年2月德國漢莎航空的漢莎技術公司(Lufthansa Technik)與Vodafone Business開啟3個月的聯合5G研究計畫,在漢堡機場占地8,500平方公尺的漢莎航空基地啟用5G專網,探討AR/VR等技術於發動機遠程監測以及3D機艙協同設計等應用。漢莎技術公司申請德國5G企業專頻,並由Vodafone和諾基亞分別在漢堡基地建立5G SA專用網路,分別覆蓋漢堡基地2個引擎工廠與整個飛機機庫,以測試不同的應用情境。


圖1 德國漢莎技術公司5G專用網路(資料來源:Vodafone Business,2020年12月)

 

應用情境一:3D機艙協同設計,使用增強現實(AR)來虛擬顯示機艙內部的3D設計,現場技術人員可以隨時檢查所有計劃組件當前位置,並透過同步影音傳送功能與開發人員協調任何必要的更改。

 


圖2 德國漢莎技術公司3D機艙協同設計(資料來源:漢莎技術公司,2020年12月)

 

應用情境二:發動機遠程監測,提供機械師和工程師即時的高解析度影像,對拆下的零件進行虛擬(VR)檢查,從而對故障零件做出適當的訂購決定。

 


圖3 德國漢莎技術公司發動機遠程監測(資料來源:漢莎技術公司,2020年12月)

 

2.5G專網應用案例:華晨BMW瀋陽5G智慧工廠
華晨BMW瀋陽生產基地是BMW全球規模最大的生產基地,正率先將5G技術應用於汽車生產與研發領域,建成全球首個5G汽車生產基地。由中國聯通和中國移動共同提供5G專網,進行5G智慧工廠應用試驗。

應用情境一:車輛數據的實時高速低時延回傳。利用5G提供車輛遠程數據更新以及遠程診斷等業務能更快速的處理,提升數據收集及分析的效率。

應用情境二:機器視覺檢測。通過工業攝影機和機器人之間的超低時延、高可靠性的無線數據傳輸,機器人可以在視覺功能的引導下,將工件自主、準確地放置到指定的位置,協助工人分擔生產線上日益繁重的工作。

根據試驗結果,車輛遠程數據更新利用5G節省了上傳時間達85%,並大幅縮短下載時間並可滿足未來10倍數據的增長,整體效率提升超過20%。無人搬運車(AGV)則擺脫了有線的束縛,移動更加靈活。相較於有線方式,在生產線網路部署方面,5G更具靈活性、大幅減少複雜性和部署時間,提升生產效率。

 


圖4 5G試驗結果(資料來源:Gartner,2021年1月)

5G專網發展的挑戰 

3G、4G時代應用市場主要是個人用戶,而5G結合AI、VR/AR、大數據等ICT技術,提供了更多創新的應用方式,賦予企業用戶進行數位轉型的能力。企業應用也被視為5G主要的應用市場,帶來的相關經濟產值龐大,包括企業建置5G專網帶動的供應鏈商機、企業數位轉型帶來的產業效益與社會經濟成長。因此,可看到全球企業與電信營運商積極投入發展5G企業專網,進行5G垂直應用試驗,其中尤以製造業最為積極。

然而5G專網發展仍有許多問題待解決,例如5G標準持續發展中,相關大規模機器型通訊(mMTC)規範的R17標準於2022年才會制定完成,設備終端上市至廣泛應用尚須一段時間; 另外導入5G到各個垂直行業,依據不同行業應用場景,需要網路服務供應商與行業客戶充分溝通共同探索。正如2020年11月舉行的5G World活動中,專網生態系針對5G專網市場所傳達出的看法 「5G專網的主要挑戰不是技術,而是關於應用情境、商業模式和預期的投資回報率等」,如何克服這些問題將是5G專網成功的關鍵。