公衆網とローカル5Gのハイブリッドなネットワークを活用し、無線通信の安定化を実現
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT(エヌアイシーティー)、理事長: 徳田 英幸）、日本電気株式会社（NEC、取締役 代表執行役社長 兼 CEO: 森田 隆之）、国立大学法人東北大学（東北大学、総長: 冨永 悌二）及びトヨタ自動車東日本株式会社（トヨタ自動車東日本、取締役社長: 石川 洋之）は、公衆網とローカル5Gのハイブリッドなネットワークを活用して移動体との無線通信を安定化するSmart Resource Flow（SRF）無線プラットフォーム*1の実験に世界で初めて成功しました。
NICT、NEC及び東北大学は、製造分野における5G高度化技術の研究開発を推進しており、その中でSRF無線プラットフォーム技術仕様書Ver. 2に対応した無線通信システムを開発しました。本システムの有効性を稼働中の製造現場で確認するために、トヨタ自動車東日本の宮城大衡工場にて、公衆網（5G/LTE）とローカル5Gを切り替えて移動体との間の無線通信品質を評価する実験を実施しました。その結果、本システムにより、サービスエリアの広さ等の特性が異なる公衆網とローカル5Gによるハイブリッドなネットワークを活用し、通信が途切れることのない安定化が実現できることを確認しました。
【背景】
製造現場では、生産効率を向上するため無線通信を用いた製造向けアプリケーションの導入が年々進んでおり、今後も更に増加するものと予想されます。例としては、自動搬送車による部品搬送の自動化やトルクレンチ等の工具情報の収集・管理などがあります。導入が増加すると、無線通信は干渉や遮蔽の影響により通信品質が不安定になり、遅延やスループットが悪化することがあります。その結果、自動搬送車が安全のために停止したり、工具情報が取れず製造ラインが停止するなど、かえって生産効率が下がってしまいます。
このような事態を避けるため、NICT及びNECは、2015年から、製造現場の無線化を推進するフレキシブル・ファクトリー・プロジェクト（Flexible Factory Project）*2の活動を実施しており、本活動を通して得られた知見をいかし、異種無線通信の協調制御により無線通信を安定して動作させるSRF無線プラットフォームの技術開発を推進してきました。また、2017年7月に、SRF無線プラットフォームに高い関心を持つ企業と共にフレキシブルファクトリパートナーアライアンス（FFPA）*3を設立し、技術仕様の標準化を推進してきました。そして、2023年1月に、SRF無線プラットフォームの技術仕様書Ver. 2を策定し、公開*4しました。
SRF無線プラットフォーム技術仕様書Ver. 2においては、Ver. 1が対象としていた無線LANに加えて、キャリア5G、ローカル5G、LTEも用いたハイブリッドなネットワークの利用が可能になりました。これにより、広いエリアに無線通信を提供できる公衆網（キャリア5GやLTE）と、工場の建屋のように金属で囲われて外部からの電波が届きにくいところに局所的に無線通信を提供できるローカル5Gを組み合わせることで、無線通信品質をより安定にさせることが可能となりました。NICT及びNECは、このSRF無線プラットフォーム技術仕様書Ver. 2に対応した無線通信システムを開発しました。
【稼働中の製造現場における実証実験】
本無線通信システムの有効性を稼働中の製造現場で確認するために、トヨタ自動車東日本の宮城大衡工場にて、図1のような環境で、公衆網とローカル5Gの切替えによる移動体との間の無線通信品質を評価する実験を実施しました。実験では、図2のように製造現場で稼働している移動体（自動搬送車）にSRF Deviceを搭載し、約163 m離れた工場A、Bの間を往復させました*5。ローカル5Gの周波数帯は4.8GHz～4.9GHzの電波を使用しました。
自動搬送車は、図1の青線のようにローカル5Gでデータを送信しながら、ローカル5Gの基地局が設置してある工場Aからスタートして工場Bに向かいます。工場Aから離れるにつれてローカル5Gの通信品質が悪化していきますが、SRF無線プラットフォームでは図1の青点線のように公衆網側にもバックアップ経路を用意しておき、SRF Deviceが無線の品質情報（受信信号強度など）を基にローカル5Gよりも公衆網の方が送信に適していると判断した場合に、図1の緑線のようにデータ送信経路を公衆網側に切り替えることで、通信品質を維持します。
本実験では、このSRF無線プラットフォームにより、ローカル5Gと公衆網をシームレスに切り替えて安定して通信を継続することができるかを検証しました。
図1 SRF無線プラットフォームを用いた実験システム
図2 SRF Deviceを搭載した移動体（自動搬送車）
実験結果を図3に示します。図3(a)のようにSRF無線プラットフォームを使用していない場合、工場Bに入った直後辺りでローカル5Gの圏外になり通信が遮断し、アプリケーションの通信が途絶しました。その後、通信可能な経路をサーチして公衆網に切り替えて通信を再開しましたが、約9.75秒の間、通信が遮断しました。また、ローカル5Gの通信遮断の直前には往復遅延も大幅に悪化し、最大で約1.01秒になりました（拡大図は図3(c)左 参照）。
これに対し、図3(b)のようにSRF無線プラットフォームを使用した場合、工場Bに入る少し前からデータ送信経路を公衆網に切り替えることで、経路切替時の通信遮断時間を約0.14秒に短縮し、アプリケーションの通信が途絶することなく安定して通信を継続できることを確認しました（拡大図は図3(c)右 参照）。また、自動搬送車が工場Bを出て工場Aに近付き、ローカル5Gの受信信号強度が良くなってくると、SRF Deviceは再びローカル5Gに切り替えて通信を継続できました。
この結果により、サービスエリアの広さ等の特性が異なる公衆網とローカル5Gによるハイブリッドなネットワークを活用し、通信が途切れることのない安定化を実現できるSRF無線プラットフォームの効果を実証することに世界で初めて成功しました。
(a) SRF無線プラットフォームを使用していない場合
(b) SRF無線プラットフォームを使用した場合
(c) 切替付近の拡大図（左：SRFを使用していない場合、右：SRFを使用した場合）
青線：ローカル5G経由の往復遅延、緑線：公衆網経由の往復遅延
赤線：ローカル5G経由の受信信号強度、オレンジ線：公衆網経由の受信信号強度
図3 実験結果
【今後の展望】
今後、NICT、NEC、東北大学及びトヨタ自動車東日本は、本実証実験の結果をいかし、SRF無線プラットフォームを工場における安定した無線通信を利活用できるプラットフォームとして実用化を目指し、技術開発及び標準仕様の策定と認証制度の整備を推進していきます。
＜各機関の役割分担＞
・情報通信研究機構：実験計画立案、実験実施、データ分析
・NEC：ローカル5Gの実験試験局の免許取得※、実験システム構築、実験実施
・東北大学：実験における無線通信関連の技術支援
・トヨタ自動車東日本：実験環境整備及び実験実施支援
※ローカル5G用実験試験局（基地局相当2局、陸上移動局相当9局）の免許を東北総合通信局から受けました。
なお、本研究開発の一部は、総務省SCOPE（国際標準獲得型）JPJ000595の委託により実施しています。
以上
*1 Smart Resource Flow（SRF）無線プラットフォーム
多種多様な無線機器や設備を繋ぎ、安定に動作させるためのシステム構成のこと。Smart Resource Flowは、マルチレイヤシステム分析を用い、製造に関わる資源（人、設備、機器、材料、エネルギー、通信など）がスムーズに流れるよう管理するシステム工学戦略である。同一空間内に共存する他のアプリケーションの通信状況を監視して通信に使用するチャネルや通信速度を適応的に制御することで、無線区間での干渉を回避して通信遅延を抑制する。SRF無線プラットフォームの技術仕様はFFPAにより策定された。
https://www.ffp-a.org/news/jp-index.html#20190924b
*2 フレキシブル・ファクトリー・プロジェクト（Flexible Factory Project）
工場での無線利活用促進を目的として2015年6月に設立した、NICT主導による多種無線通信実験プロジェクトのこと。現在、NICT、オムロン株式会社、株式会社国際電気通信基礎技術研究所、日本電気株式会社、富士通株式会社、サンリツオートメイション株式会社、村田機械株式会社、株式会社モバイルテクノ、株式会社パナソニック システムネットワークス開発研究所、株式会社インターネットイニシアティブ、株式会社構造計画研究所、サイレックス・テクノロジー株式会社、トヨタテクニカルディベロップメント株式会社、PwCコンサルティング合同会社、エヌ・ティ・ティ・コミュニケーションズ株式会社、株式会社 竹中工務店、京セラ株式会社、AK Radio Design株式会社、フクダ電子株式会社、マイクロウェーブ ファクトリー株式会社、アンリツ株式会社、積水化学工業株式会社、東日本電信電話株式会社の23社が参加している。新たな無線プラットフォームの開発や、無線通信規格の仕様策定、製造現場の通信セキュリティを含む各種ホワイトペーパーの発行などに取り組んでいる。
https://www2.nict.go.jp/wireless/i_ffpj.html
*3 フレキシブルファクトリパートナーアライアンス（FFPA）
フレキシブルファクトリパートナーアライアンスは、複数の無線システムが混在する環境下での安定した通信を実現する協調制御技術の規格策定と標準化、及び普及の促進を通じ、製造現場のIoT化を推進するために2017年7月に設立された非営利の任意団体である。メンバー企業は、2024年6月現在、オムロン株式会社、株式会社国際電気通信基礎技術研究所、サンリツオートメイション株式会社、国立研究開発法人情報通信研究機構、日本電気株式会社、富士通株式会社、村田機械株式会社、シーメンス株式会社、一般財団法人テレコムエンジニアリングセンター。会長は、アンドレアス・デンゲル （ドイツ人工知能研究センター）である。
FFPA公開サイト :
https://www.ffp-a.org/jp-index.html
*4 SRF無線プラットフォームの技術仕様書Ver. 2の公開
SRF無線プラットフォームの技術仕様書は、FFPAが策定した、製造現場の様々な用途として混在して利用される多様な無線システムの安定化を図るために必要な通信規格の技術仕様である。技術仕様書Ver. 2では、技術仕様書Ver. 1との後方互換性を保ちながら、新規に5G Control for Frequency Control、5G Control for Multi-radio Integration Control、Multi-hop Controlの機能等を追加している。
https://www.ffp-a.org/news/jp-index.html#20230118
*5 今回実験を行った工場の環境
今回、図4のような環境で実験を行った。工場Aの中にローカル5Gの基地局を設置し、SRF Deviceを搭載した自動搬送車は工場Aと工場Bの間を往復している。工場Aと工場Bのシャッター（自動搬送車の出入口）は約163m離れており、その間は屋外の通路となっている。自動搬送車は図4の矢印の方向に移動し、渋滞しないように通路の途中3か所にすれ違いの待機場所が存在している。すれ違いの待機場所では、双方向の自動搬送車が揃うまで、先に到着した自動搬送車は待機する。
図4 今回実験を行った工場の環境
＜本件のお問い合わせ先＞
NEC
Digital Twin Business Hub
E-mail: fr-contact@iot.jp.nec.com
国立研究開発法人情報通信研究機構
広報部 報道室
E-mail: publicity@nict.go.jp
東北大学
電気通信研究所
総務係
E-mail: riec-somu@grp.tohoku.ac.jp
トヨタ自動車東日本
広報部広報グループ
E-mail: ci_tmej_kouhou00@toyota-ej.co.jp
