從4G無縫接軌　5G工業物聯網即刻超前部署

5G的完整部署大約還要好幾年之後才有機會實現；然而，若要擁抱未來智慧製造的蓬勃商機與更好的效益，毋需等到那時，現在就可以展開行動。

5G是近來業界最熱門的議題之一，隨著多家電信業者即將展開部署，對於想採用最新一代蜂巢式通訊技術來建置工業物聯網(IIoT)的業者來說，先暫緩相關投資，直到5G服務完全底定再說，似乎是個合理的決策。

但事實並非如此，根據GSMA的報告，4G LTE將在未來幾年持續成長，並會在很長的一段時間內主導市場。即使5G網路開始啟用，4G LTE仍將扮演互補、甚至支撐5G網路的重要角色，並不會因5G的興起而被淘汰。因此，即使5G炒得沸沸揚揚，4G LTE仍將是工業物聯網解決方案的主流。為了協助讀者釐清觀念，本文中將先對5G技術進行概要的介紹，同時說明5G並不是一項單一的技術，也不是用來取代4G LTE的，相反地，是要與4G LTE互補，進而共同推動萬物聯網願景的實現。

5G加速產業變革　推動工業4.0實現

物聯網(IoT)、人工智慧、無所不在的無線連接、虛擬實境、區塊鏈，以及雲端運算等新興技術正在改變產業的運作方式。藉由把數位和實體系統整合到工業物聯網中—其中涉及了數量龐大的聯網裝置與網路建置，以便能產生資料、在雲端進行分析，並制定決策—這就是所謂的智慧製造，亦即工業4.0所形塑的未來產業樣貌。

透過採用無線技術，工業4.0可使製造變得更靈活有彈性。同時，也因為無線技術易於部署，可減少收集大量感測資料所需的投資，並加快在既有以及新設備中的建置，而且易於擴展。人們已經看到，業界正在擁抱4G LTE和5G等新興技術來簡化營運、提升效率並進而提高生產力。隨著人們進入5G時代，這個趨勢只會加速遞進。

如同業界所期待的，毫無疑問，5G將為各個產業以及人們的社會帶來根本性的變革。而5G之所以有這樣的能力，主要可歸因於以下幾個破壞式創新技術：

・5G增加了新的頻段，包括1GHz以下、以及毫米波(>24GHz)，因此能擴展更大的容量

・在毫米波頻段，它最高可提供1GHz的頻寬，以實現高超的頻寬速度

・它採用新無線電介面(5G NR)，具備更豐富的功能，以滿足多樣化需求

・它需要新的核心網路建置，其中涵蓋小型基地台(Small Cell)、網路切片(Network Slicing)、網路虛擬化、邊緣運算等各種技術，能夠根據特定的產業需求量身打造效能

5G技術與工業物聯網息息相關

在5G規範中制定了一系列與工業應用相關的新使用案例，從新一代的人機介面(Human-Machine Interface, HMI)、自動化製造，到無所不在的感測與雲端連結都涵蓋在內。而妥善運用5G技術的三個重要支柱，是實現每個使用案例的基礎。這三項技術支柱為：

・增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)：可提供超過10Gbps的資料傳輸速度，並提升三十倍的容量

・超可靠低延遲通訊(Ultra Reliable Low Latency Communication, URLLC)：能以毫秒的延遲，提供高達99.9999%的超高可靠度

・大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communication, mMTC)：將進一步擴展目前的低功率廣域(LPWA)網路，能以低成本、低功耗提供低資料速率傳輸

許多新興的工業應用都需要結合運用到這幾項支柱技術。以行動機器人為例，它需要超可靠、低延遲通訊，但也需要連接到資料管道；而利用擴增實境和虛擬實境技術開發的新型人機介面，同樣也需要能夠即時傳輸高解析度影像，以回應使用者的動作。此外，物流應用需要在密集環境中，例如倉儲中，可靠地執行，其中每個感測器都需要與其他數百個(甚至數千個)感測器共存。

藉由這些創新技術，不管就效能增強或是創新應用的潛能來看，5G的發展前景確實令人充滿期待。但是，全球5G網路的完整部署還需要一段時間，而且也受到多項因素的影響。首先，各家行動網路業者都將各自依照其預見的商機、目標市場，以及投入大筆資金的意願和能力，而有不同的建置時間表與優先順序。此外，3GPP並不是一次到位地公布所有的5G規範，而是透過每個新版本的發布，逐步增加一些新功能的方式來推動。

5G規範制定時程解析

從3GPP制定的5G規範來看，其中3GPP Release 15主要涉及eMBB及其高速資料傳輸，這是針對消費性市場所制定的特性。此版本還可再細分為三個次版本。首先，是專注於非獨立(Non-Standalone, NSA)技術的建置，已於2017年底發布。事實上，5G NSA是建置在既有的4G LTE網路之上，目前已有多家行動網路業者將此技術部署於重要的都會區市場。

第二個次版本，是有關獨立(StandAlone, SA)的建置，已於2018年年中定案。最後一個次版本則是增加了多項技術增強，於2019年初發布。由於網路業者仍在忙著部署5G NSA，因此，可能還要幾年的時間，人們才會看到SA部署的商業化服務。

已於2020年7月初發布的Release 16，才終於談到與聯網工業相關的重要支柱：URLLC、以及mMTC。特別是，URLLC需要專屬的網路建置，細節最快要到預計於2021年9月發布的Release 17才會定案。這期間，5G工業聯網自動化聯盟(5G Alliance for Connected Industries and Automation, 5G-ACIA)將提供與工業物聯網使用案例有關的重要建議。

朝低功耗廣域網路平穩移轉

由於與工業物聯網相關的5G規範尚未底定，對於依賴LPWA連接性的工業物聯網應用來說，應該如何採取行動呢？

LPWA的相關應用包括遠端監控機器與資產、連結智慧量表等。今天，這些使用案例已涵蓋在NB-IoT和LTE-M等規範中，這些規範已在3GPP Release 13至16中完成定義與更新，並已開始展開實際部署。為了確保今日的LPWA解決方案在未來仍能使用，3GPP亦將制定一個升級路徑，以確保4G LTE能夠順利地移轉到5G技術。

因此，可以得知：

・在未來十年，甚至更久，LTE網路仍將繼續運作

・LTE IoT將持續演進至5G世代，業者對於提升功耗、效能、特性所投入的投資，在未來仍能有保障

・5G網路將能與今天的LTE IoT裝置向後相容，這意謂著即使5G成為主流，LTE IoT仍將在市場上存在

・5G IoT晶片組和裝置將繼續支援「既有」的LTE IoT模組，因此，現行的4G IoT模組在未來5G IoT網路上也能運作 為邁向5G做好準備

無線通訊解決方案供應商諸如u-blox，便透過加入5G工業聯網自動化聯盟，進而積極參與5G標準制定，並與資訊技術(IT)和操作技術(OT)的業界夥伴合作，以確保5G能滿足未來互連產業的需求。此外，該公司亦參與歐盟資助的5G-SMART計畫，該計畫的目標是要在真實的工廠環境中測試和驗證連接技術，測試場域包括瑞典的愛立信工廠、德國的Fraunhofer IPT工廠，以及德國的博世(Bosch)半導體工廠。

在產品開發方面，為了協助業者提早展開部署，並於5G世代中保障其既有投資，u-blox也已針對LPWA IoT應用推出SARA-R5系列LTE-M和NB-IoT模組。當業界評估LPWA使用案例時，NB-IoT和LTE-M仍將是包括遠端監控、預測性維護、智慧量表等許多聯網工業應用的首選技術。

由於LTE-M和NB-IoT可與5G網路向前相容，透過導入3GPP Release 14中的重要LTE-M和NB-IoT特性，SARA-R5只需對已部署的裝置進行軟體升級，就可以協助客戶順利轉換到5G。

因此，筆者要再次強調，業者毋需等待5G網路的全面部署，便可以先開始利用LPWA技術建置工業物聯網應用，以取得智慧製造帶來的效率與生產力提升，展開邁向5G之路的第一步。而伴隨著未來5G技術的進一步發布，必將會帶來新的可能性，推動超越4G LTE範疇的更多應用與使用案例。u-blox也會持續關注此趨勢發展，強化產品組合，為市場提供各類新世代IIoT應用所需的無線通訊方案。

(本文作者為u-blox蜂巢式產品中心專業市場開發資深產品策略經理)