多元測試推進全球標準　5G生態系「安全」不缺席

在高畫質通訊需求、物聯網等趨勢帶動下，通訊裝置數量預期有10倍以上成長，為了與不斷進步的免費通訊Wi-Fi進行速度與品質的競爭，第四代行動通訊技術(4G)正朝第五代行動通訊技術(5G)邁進。

5G全面提升了寬頻、巨量物聯通訊，以及高可靠低延遲通訊的能力，也帶動新的產業發展趨勢，各種期待許久的應用，如VR、自駕車、智慧醫療、智慧建築，均有了突破及實現的可能。

然而5G議題大，牽動投資與技術多，硬體技術、軟體技術、關鍵原物料、通訊架構與應用領域並不一致，此外還有因5G應用科技帶來的安全挑戰，因此像全球安全機構UL(Underwriters Laboratories)便藉由白皮書的發布，將探討5G的演進、技術的發展、迎來的產業機會及帶來的安全挑戰與解方。

科技需求為行動通訊發展推手

號稱為第六大民生需求的通訊，向來所重視的是訊息本身的關鍵性。3G/4G時代所發展的智慧型手機，改變了許多生活型態，手機的功能愈來愈多，也取代了眾多的設備，像是電話、傳真機、掃描器、錄音機、相機、攝影機、電視機、音響與遙控器等。

此外，新網路世代崛起，人人可以是自媒體的趨勢推動，也讓資料傳輸需求愈來愈多。當大量的影音資訊超過手機記憶體與處理器負荷，便催生了更即時的雲端儲存與運算服務。為使手機與雲端的連結更為順暢，對於網路傳輸速率與影音品質的要求也因而提升。

5G三特性影響手機至物聯網應用

最初圍繞在5G上的討論，多與手機有關。市場上的消息也多是各通訊設備廠商、晶片商和營運商展現的5G實力和進程，以及各手機品牌所推出的5G手機。的確，隨著行動通訊技術的提升，消費者從早期的電話通訊、簡訊、語音傳輸，到現在已習慣享用4G網路，欣賞愈來愈多的串流影片，甚至下載線上遊戲玩樂，在技術有所突破與尋求更好的體驗下，「人」開始追求更高更流暢的網速需求。

但5G不只是網速提升這麼簡單，因為相較於4G，其具備更大頻寬、較高網速與低延遲可靠性的三大特色。市場認為5G也將帶動「物」的需求，更多物聯網的應用服務，包括智慧醫療、智慧建築、智慧家電、自駕車，以及虛擬或擴增實境的裝置都被看好。此外，3D投影功能也是備受關注的新技術。

從1G到5G演進暨技術進程

5G系統業者目前所描繪的願景，除了要進行量化的改善，消費者更期待品質的進步，也就是帶動升級的應用與解決應用需求難題的技術。每一代的通訊演進，大眾所認知的主要在於傳輸速率的差異，但技術的進化，都是為了要解決目前技術的限制。從表1就可以發現，1G到4G除了可用頻段不斷增加，也有功能與聯網方式等不同的區別。

為了要傳輸速度更快、傳輸距離更遠，使用人數更多，從圖1可看出要躍進到5G需要下列關鍵新技術：

・功能更強的手機/基地台基礎建設規畫

・更高頻段/更大頻寬以增加傳輸

・更有效率的通訊架構/協定以提高頻譜利用率

・更好的關鍵材料/零組件/組裝技術：

如天線、晶片製造、晶片材料、電路板、振盪器、遮蔽材料等，以降低毫米波(mmWave)的高頻損耗與雜訊抑制。

這些技術目前分布如下：

・核心技術國家

歐洲(系統、應用)、美國(系統、應用)、中國大陸(應用)、韓國(應用、零組件、裝置)、台灣(零組件、裝置、材料、應用)、日本(零組件、材料)。

・長距離通訊協定

包含Cat-M1及NB-IoT。

・基地台製造商

如華為、易利信、諾基亞等。

・主導手機製造商

Apple、Google、Samsung、華為等。

・晶片組設計商

高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、聯發科、三星、華為。

・虛擬化技術

如紅帽、Altiostar等。

除了元件技術外，如同4G需要分頻一樣，目前全球也將5G依據相關關鍵元件材料特性差異，進行區隔，主要區分為低頻、中頻、高頻等三個技術群，如圖2所示。

・現有，低於1GHz的低頻(Low Band)

以美國和歐洲為主。

・部分現有，略高於Wi-Fi (2.4GHz)的中頻(Mid Band)

大多數國家均有此頻段規畫。

・採用全新元件/材料的高頻(High Band)，20GHz以上

大多數國家均有此頻段規畫。

在台灣，NCC也已在2019年年底釋照，包括中頻段3.5GHz，釋出270MHz頻寬；高頻段28GHz，釋出2,500MHz頻寬；以及1,775~1,785MHz及1,870~1,880MHz。

5G三大應用為關鍵技術突破口

制定通訊標準的3GPP針對未來的行動通訊網路需求與科技應用趨勢進行分析，規畫出5G技術的主要三大應用情境，包括增強型行動寬頻(enhanced Mobile Broadband, eMBB)、巨量物聯通訊(massive Machine Type Communication, mMTC)，以及高可靠與低延遲通訊(Ultra-Reliable and Low Latency Communication, URLLC)。

為達到5G三大應用能力目標，必須突破三個領域的技術，也就是更高頻段的半導體技術、更密集的衛星通訊，以及更有效率的聯網協定與架構。

寬頻能力取決於高頻半導體技術

寬頻能力來自於更高頻率與更大功率的第三代半導體技術，而就目前的科技能力而言，各種高頻半導體的工作電壓與頻率區間如圖3所示，另從低中高頻段分析市場：

・低中頻段

能夠採用矽晶體的震盪頻率(<9GHz)，技術已經成熟，成本較低。

・高頻段區與高功率區

目前必須採用如GaN(氮化鎵)、GaAs(砷化鎵)等較新技術的半導體，而這類元件全球製造商寥寥可數，美國與日本掌握了主要的關鍵技術，而台灣則有最好的量產能力。

另一方面，為了減少高頻訊號的干擾與損失，必須搭配適當的絕緣材料與通透材料。高頻段使用的絕緣與通透材料因為數十GHz甚至是數百GHz波段的波長已經到了毫米等級，因此也被稱之為毫米波材料，對於絕緣性與通透性有更高的要求，目前僅掌握在美國與日本等少數國家中。高頻段的振盪器、透波材料、絕緣材料三大技術以及作為載具的印刷電路板尚未完全成熟，因此單價約為中低頻段的10倍以上，影響了高頻段技術的發展，中頻段僅面臨功率的挑戰，低頻段則沒有這樣的問題。

巨量物聯與高可靠低延遲皆仰賴智慧聯網架構

巨量物聯通訊與高可靠低延遲通訊，必須仰賴智慧的聯網架構。原因在於傳統的行動通訊受到資料監管與付費管理的要求，大多採用星狀拓撲或網狀拓撲，如圖4所示。

在這種架構下，用戶增加或需要傳輸的資料量增加時，就必須透過增加節點裝置而達成。但是，所有訊號必須回到基地台交換，也就是說，即使是最簡單的家庭成員網路或是自動化產線，都必須全部先上傳而無法直接互聯。這除了會產生多餘而無用的垃圾流量和速度拖慢與網路穩定的風險，也會增加安裝地點與維護的投資，而且一旦基地台損壞就無法通訊。

相反地，如果透過點對點(Peer to Peer, P2P)式的網狀通訊協定與架構概念或許能夠改善，如圖4所示，讓每個裝置都變成可收發與中繼的基地台，使用者越密集的區域，傳輸效能越高。不過因為牽涉到將資料分割、比對、合併、傳送、接收與可用資源計算，不但需要更好的資料處理器，也需要特殊的演算法，且計費、資訊監控與安全也將面臨國家通訊管制的挑戰。

低軌道通訊衛星實現超長距離低延遲通訊

要能實現超長距離低延遲通訊，需要借助愈來愈密集的低軌道通訊衛星系統(Low Earth Orbits, LEO)。相對於現有位於36,000公里區域的通訊衛星，位於500公里到1,200公里軌道的稱為低軌道通訊衛星。由於通訊距離較短，產生的延遲約為1/10，更貼近大氣層內的無線通訊延遲，而且發射成本也更低，因此在同樣經費下能夠發射的衛星更多，而更多的衛星需求更有助於製造成本的降低，不過目前在這個位置的通訊頻段要採用Ku(10.7~14.5GHz)或是Ka(17.3~30GHz)的頻段才能免於大氣的干擾。

目前低軌道衛星的發展以美系廠商進度較快，新興的衛星營運商包含Space X、OneWeb、Telesat，還有亞馬遜、軟銀、Facebook、Google等科技巨頭也加入衛星競賽當中。根據調查，目前商業化的衛星數量約在1,700~1,800顆，預估未來10年內將達1.7萬顆，這些衛星主要將用於通訊上，且隨著衛星發射數量大增，小型衛星地面站(VSAT)以及地面接收設備需求也跟著增加。

除了以上技術，在大型資料中心的網路環境中，既有的分散式架構日益顯得疊床架屋，為了提升使用效率、簡化管理、節省空間，新一代的軟體定義式網路(SDN)及網路功能虛擬化(NFV)，以及能夠允許在數據收集源附近實時處理和分析數據的邊緣運算(Edge Computing)，數據不需要直接上傳到雲端或集中數據處理系統，都是相當被期待的5G新技術。

5G加速明日前景產業發展

5G除了提升高品質的影音娛樂外，更令人期待的就是建構可自動化控制的物聯網，以及數位金融所構建而成的未來智慧城市，可望驅動的應用產業包括：

・食衣住行育樂自動與智慧化

像是無人載具外送飲食、智慧衣、智慧家電、智慧住宅、自駕車、無人機等。

・工業自動化應用

像是智慧機器人、無人工廠、智慧電網、數位製造等。

・醫療應用

利用大數據分析與虛擬與擴增實境的遠距與數位醫療與長期照護等。

12項安全風險反思

雖然5G帶來的智慧科技，大部分聚焦在高速傳輸與規格，較少人關注在應用層面的發展，但5G卻極有可能讓人們的生活暴露在各式的安全隱憂中。試想幾個很可能發生的風險情境：

1. 原本無害的低功率無害頻段，是否會為了達到高速與高效，以及大範圍的通訊品質而提高的電磁波功率，對生物體的運作產生不良影響，如干擾神經甚至腦部或器官運作？

2. 逐漸增大的通訊電磁波功率或更多發射裝置的發射能量疊加，是否會干擾發射或接收端的電子設備的操作訊號，導致錯誤的指令動作，造成危險？

3. 通訊內容是否會被截取，導致敏感的資料如個人資料或商業機密外洩？

4. 通訊內容或裝置設定是否會被遠端竄改，導致非預期的動作發生？

5. 突然的斷電/斷訊、復電/復訊、通訊塞車或電力過載，是否會損害設備本身或周邊硬體或軟體的運作？

6. 不同的通訊協定會不會互相干擾，導致錯誤的指令發生？

7. 長期運作的通訊電磁波，會不會對金屬材料產生累積的渦電流而導致過熱？

8. 原本僅設定為辦公室環境或個人使用的一般資通訊網路通訊設備，會不會被誤用到高可靠度要求或惡劣的工業環境或是危險場所？

9. 長期接觸或穿戴這些通訊裝置，是否會受到高熱的晶片灼燙傷，或讓身體的汗液腐蝕裝置的各種材料？

10. 頻繁的網路作業升級，是否經過妥善而全面性的向前或向後版本相容性評估？

11. 用來產生智慧控制的感測源如溫濕度、壓力、紅外線甚至影像辨識鏡頭或光源等，是否能在預期的使用環境下，長期而穩定與正確的輸出訊號？

12. 高度自動化的程序發生失控或故障時，是否能夠被人為而緊急的永久性中斷？
人們期望所有的安全風險可以先在安全的實驗室環境發生，而不是在真實的生活裡上演。目前已有各種創新科技的安全危機案例發生，如因違反生物特徵辨識資訊隱私法的Sony機器狗Aibo、特斯拉自駕事故、波音737MAX的飛安危機等。不論是逐漸被智慧化侵蝕的隱私權、演算法疏失、商業考量凌駕飛航安全等，皆是智慧科技發展失速下的安全問題。創新科技要能普及發展，安全仍是「必要」被考量的重要關鍵。

5G生態標準兼顧效能/通訊品質/電氣暨聯網安全

要達到滿意的連線與品質，需要全生態系的支持才能完成。失速的科技更需安全標準來規範，如擁有安全科學經驗的廠商UL，能夠提供從原物料到全網路，乃至於持續使用的相關標準，協助5G應用端的安全發展依據。

電氣與防火安全為基礎

舉例而言，UL從資通訊時代開始持續訂定輔助相關硬體安全標準，像是UL 1950，其後演變成IEC 60950-1與於2020年正式生效的UL 62368，成為以防制危害為概念的新世代資通訊產品安全標準，從個人通訊、基地台到機房內設備均可適用。

為協助維護行動裝置的儲能安全，UL也率先制定小型鋰電池安全標準UL 1642，並協助國際標準IEC 62133的制定；為了行動電源安全，訂定UL 2056標準；針對小型的儲能系統，採用UL 1973標準，大型機房或貨櫃等級的儲能系統，則以UL 9540標準進行系統安全性評估。

對於雲端服務的資料中心，則採用UL 2755評估模組化資料中心的電氣安全，以及UL 3223的妥善性評估標準。

使用環境與電磁干擾影響大

如UL具備各種層級與領域的電磁相容性測試能力，包含IEC 61000、CISPR等全球通用的電磁相容測試規範，從電磁干擾(EMI)到抗強電磁干擾(EMS，大於20V/m)的軍工與汽車業的標準，以確保工業物聯網環境下的使用。

透過長時間的應力加速測試，UL 746B能評估聚合物材料的長期耐熱性，也可用ISO 16750進行對次系統進行溫濕循環衝擊的加速應力測試。

效能提升/連線安全雙面兼顧

物聯網化的家電、工業控制，需要進行軟硬體安全控制的可靠性評估，UL能夠提供IEC 60335(家電)、IEC 60730(控制器)、IEC 61508/UL 991/UL 1998(軟硬體架構)、UL 1740/ISO 10218(工業機器人)與ISO 13849(工業機器人控制)等的評估與測試，確保智慧聯網裝置的安全控制邏輯無虞。 針對物聯網與連線不被破壞或入侵，美國2016年2月歐巴馬政府宣布一項預算高達190億美元的全國性資安計畫「國家資安行動計畫」(Cybersecurity National Action Plan)，其採用UL 2900系列標準，為聯網產品與系統提供網路安全測試準則，以評估軟體漏洞與弱點、降低被入侵的風險、處置已知的惡意軟體、檢視保全控制項目，並提升大眾安全意識。針對其他國家或區域，UL也提供與UL 2900調和的IEC 62443系列物聯網資安服務，包括工控系統、醫療設備、汽車、暖通空調製冷設備、照明產品、智慧家庭、家電、警報系統、火警系統、建築自動化、智慧電表、網路設備與消費性電子等產業。

客觀整體效能評測必不可缺

如UL旗下的Benchmarks可進行效能評測，協助消費者以客觀的第三方角度，評選符合自身需求的軟硬體，其含有多項基準測試軟體來評估筆記型電腦、平板電腦和智慧手機等設備性能，發現設置和穩定性方面的問題。透過比較相似系統的分數，有助於選擇升級系統與零組件，確保5G的發展與進化過程中，應用效能的持續與提升。

發展標準持續制定引領5G創新應用安全

以智慧建築為例，當5G真正落實到生活中，建築的智慧化是必然的趨勢，而能源、維運、舒適、效率、安全這五個面向，將深深影響使用者與房屋價值。2019年2月，UL與美國通訊產業協會(TIA)宣布共同開發與推展智慧建築標準，提前為智慧建築制定各項測試標準。

UL 4600無人裝置安全標準也是其中一例，UL與MITRE、ECR合作UL 4600無人裝置安全標準，為無人裝置建立安全標準框架，以產品安全自述的創新方法，期望讓製造商更謹慎與完善的考量產品安全問題。此外，UL也積極與產官學界合作，研發創新產品標準，包括UL 3300服務型機器人標準、智慧建築標準、UL 8400的AR/VR/MR空間計算安全標準，未來更將規畫人工智慧(AI)與機器學習(ML)等相關標準。

此外，針對通訊技術，UL已深耕5G相關測試與標準的制定，積極參與3GPP的無線通訊標準制定，同時也是PTCRB與GCF等委員會的資深會員，針對5G生態系統的各環節包括政策與標準架構、功能與性能要求、合規一致性測試、電信業者允收測試等已做好準備。隨著5G開展，也會陸續推出相應的檢測服務。伴隨科技的發展，UL希望凝聚產官學及其他利害關係者的關注，將正確、適當、被證明有效的安全方法，透過共識決訂定產業標準，讓創新企業有更多機會在安全的實驗室環境向外界證明其創新安全無虞。

(本文出自於UL《5G技術觀察與應用安全挑戰》白皮書)