3GPP R16承先啟後　IIoT擁抱5G解封智慧製造力

根據資策會產業情報研究所(MIC)研究指出，2023年全球5G智慧製造的應用服務市場初步可達到2.52億美元，而隨著5G技術的成熟，預期在2026年全球5G智慧製造應用服務市場規模高達400億美元。針對工業物聯網應用，標準制定組織3GPP在R16版本推出完整的新無線電工業物聯網(NR-IIoT)標準，原訂2020年3月完成，因新冠肺炎(COVID-19)疫情，導致標準制定時間延後一~二季，但卻無損工業物聯網(Industrial Internet of Things, IIoT)的產業前景。

目前工廠採用之無線通訊以Wi-Fi為主，但因其傳輸品質不夠好、不夠穩定、傳輸距離短，所以通常只用於少數應用場景。隨著工業4.0發展，各式移動機具如移動機器人、無人搬運車(AGV)等，對於更進步的工業無線通訊需求非常殷切。5G IIoT的URLLC可以提供低延遲、可靠感測器資料回傳技術及穩固的資料安全性。另外，5G帶動企業專網需求，智慧製造可以為廠商大幅提升競爭力，導入5G IIoT，製造商未來可以蒐集、整合從設計到服務流程的各種數據，制定分析策略支援即時決策，達到Time to Market的目標。本專題將深入探討5G IIoT技術演進概況，並深入探討智慧製造產業前景。 

3GPP R16 7月初拍板定案

隨著世界各地5G服務陸續上路，5G鐵三角中的eMBB技術邁向成長階段，象徵5G第一階段(Phase 1)R15就位，接下來的重點就是5G第二階段(Phase 2)，以高可靠性與低延遲為重點的R16標準，將建構5G標準與應用的第二隻腳，URLLC的亮點就是5G的垂直產業應用，結合工業4.0的智慧製造就是R16標準中最受矚目的一環。

而新冠肺炎的疫情也打亂了標準制定的進程，原定在2020年第一季完成規格的制定，因為疫情影響2020年的多場標準討論會議無法舉行，都改以線上會議的方式進行，Nokia台灣客戶營運部技術總監陳銘邦(圖1)指出，R16標準最終在7月3日的線上TSG#88會議正式凍結，完成標準的制定(圖2)，不過因為是過去較少見的線上會議，特別保留更多的彈性討論空間，到2020年9月的TSG#89會議前都還可以在兩周一次的小組線上會議中提出漏洞修補或增加的技術建議。

未來，3GPP的R17版本還會持續針對IIoT的技術進行優化，並加入技術更彈性的NR-Light標準，滿足未來工業物聯網更多的應用需求。資策會智慧系統研究所副主任李永台(圖3)表示，在R16的技術中，3GPP定義了URLLC在RAN範圍的指標要求，基本的單連結應滿足：

・控制面時延10ms

・用戶面時延0.5ms

・移動性中斷時間0ms

・可靠性99.9999%

URLLC確保高可靠/低延遲/時間同步

另外，在URLLC的超高可靠性中，李永台提到，射頻訊號傳輸將透過許多機制確保傳輸的可靠性，若採用單發射，將使用較低的編碼率，保證較低誤碼；多數應用會使用重複發射，在時域或頻域重複進行較低可靠性的數據傳輸，透過重傳達到高可靠性，確保訊號不會漏接；另外，還有一種按要求重傳(HARQ-based)的機制，只在需要時進行重傳，可使用較高的編碼率，同時這種機制也有較高效率。

在多數的應用中，高可靠性與低延遲通常為二擇一，只有少部分應用同時要求低延遲與高可靠度，李永台強調，在實現低時間延遲的技術上，R16採用了幾個做法，包括靈活的NR時間槽(Slot)長度，4G LTE的調度單元是子幀，時長固定為1ms，NR的基本調度單元是Slot，其Slot長度越短，意味著調度單元越短，時延越小；其次是Mini-Slot(Non-Slot)，突發低延遲需求時，Mini-Slot迅速被插入eMBB的時間槽中，提升系統反應速度；另外，傳統的上傳傳輸總是要先請求調度資源，得到基地台許可然後傳輸，在R15導入Grant-free Access，即無需基地台許可的傳輸方式，而縮短了上傳的訊令時延。 而工業物聯網系統中，許多產線會要求時間同步，時效性網路(Time-sensitive Networking, TSN)是電機電子工程師協會(IEEE)發表的協定，透過802.1AS-rev，可在網路中針對分散時脈進行同步化，使用者和企業均使用以頻寬為導向的乙太網路和無線乙太網路通訊。

3GPP R16提供了整合5G-TSN的工具，陳銘邦舉例，像是5G需要支援TSN的控制器協作(802.1Qcc)、時間同步(Time Synchronization)(802.1AS)、TSN限制延遲(Bounded Latency)(如802.1Qbv)與TSN可靠性(802.1CB)要求等面向。在所有工業網路環境中，以TSN做為時間同步的協定基準，尤其是有線/無線混合環境，5G主要方向以優化TSN為首要，例如減少訊號跳動(Jitter)、延遲、增強同步性，以及擴展TSN應用場景等重點。

智慧製造結合5G為提升競爭力的新常態

R16標準制定在最後階段都是透過網路會議，因為少了充分討論與形成共識的過程，線上會議比較多各抒己見的情形，儘管標準內容順利於7月初拍板，不過相信需要修正與尚有爭議的細節不少，也將影響後續晶片、系統產品推出的時程，對5G工業物聯網的商業化進展也有實質影響，市場化的解決方案預計2022年以後才會陸續出籠。

然而智慧製造已經發展一段時間，5G R16 URLLC可以協助工業物聯網進入下一個階段，陳銘邦說，R16可以帶來6個9的網路服務水準、10ms的低延遲，但其實較成熟的R15已包含基本URLLC功能，網路服務水準可達到99.999%，許多敏感性較低的應用也游刃有餘，而R16更側重於提高可靠性、降低延遲以及優化定時，並透過改進協定和實體層來實現。

工業1.0就是早期的機械化階段，將生產活動由機械取代人力，工業2.0就是電子化，導入電子裝置以提升生產力，進入工業3.0階段則是數位化，將製造管理藉由數位工具進一步量化，工業4.0 AI與5G大顯身手，將智慧化與無線連結導入產線，開創智慧製造更多可能。根據產業研究機構IHS Markit發表的5G經濟(The 5G Economy)研究報告中提到，2035年5G帶動與工業物聯網相關的領域產值將超過5.2兆美元。

其中製造業為3兆3,640億美元、運輸業為6,590億美元、工業巡檢為7,420億美元、基礎建設為2,730億美元、礦業為2,490億美元，這些產業未來與5G的關係將更加密切，上述產值中與5G有關的部分將水漲船高，也吸引晶片、模組、電信設備、系統整合、電信服務等不同領域的廠商積極布局。遠傳企業網路規劃與維運協理汪以仁指出，智慧製造攸關產業核心競爭力，如果有需求就應該立即導入，可以透過有線與無線融合的架構或者4G LTE的企業網路技術，甚至是5G R15解決方案，未來等R16解決方案到位再透過升級的方式導入，就不會在競爭力上落後。

目前在製造現場的網路使用情況，以有線的乙太網路搭配無線的Wi-Fi為主，部分產業或廠商導入蜂巢式行動網路，但以對可靠性與即時性不敏感的應用為主，未來5G成熟之後，這種方式將會改觀。西門子製程監測系統資深產品經理林瑞媛認為，5G導入產線是長期趨勢，未來產線無線化的滲透率將隨著5G技術的成熟而逐漸提升，也不排除產線所有的網路連線都以5G行動網路為主，並且隨著產業轉型與競爭力提升的狀況而發展，在智慧製造更彈性、多樣、即時反應的特性下，與5G結合將是製造現場的新常態。