訴求高容量/低延遲/核心網路　5G-IIoT型塑新商業模式

5G於工業物聯網的使用案例，主要基於結合高容量、低延遲的無線電鏈路與核心網路，該核心網路除了可擴充、可程式化，亦為多租戶，在同樣基礎架構上透過已定義的服務水準協定(SLA)，可以支援不同使用案例。標準組織與基礎建設廠商在無線電領域已取得顯著進展。從爭搶企業於區域網路(LAN)技術的大筆投資，到支援工業環境中的自動化機器人等等，都存在著龐大的發展契機，但要確實掌握，必須跳脫大家習以為常的「典型電信公司」型態，開發全新且截然不同的商業模式。

LPWAN技術已就位　2021年5G MTC才上路

回溯至2015年9月，3GPP RAN主席Dino Flores宣布一項確立5G正式開展的決定：要實現5G，大量的標準制定計畫工作必須分成兩階段。

首先，原訂2020年完成的3GPP Release 16第一階段中，產業發展將以三大項目為優先，包含增強型行動寬頻通訊(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、大規模機器型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)與超低延遲或關鍵任務通訊(Ultra-low-latency or Mission-critical Communications, URLLC)。

在此三大要項中，第一個著重面向消費者的高頻寬服務，二和三則與物聯網最相關。其他的各類優先事項、想法和先進技術等則延後至Release 16第二階段實施。

接著，在亟需頻寬的美國行動網路業者施壓下，3GPP於2017年3月決定加速發展5G的eMBB環節，並將重點放在新無線電(5G NR)的商用化。目標是證明新無線電確實可以應用在實務，並為電信商及其客戶帶來可觀的利益，同時在5G正式上路前獲取寶貴經驗，以及讓消費者可以更快使用到5G服務。

這也代表5G核心網路及其他兩個更偏向物聯網的項目必須順延。大規模機器型通訊與超低延遲或關鍵任務通訊納入Release 16第一階段，並以「5G Evo」來形容遞延至Release 17的項目計畫。諾基亞(Nokia)預期完整的5G核心網路將自2019年第三季開始啟用，但在接受研究調查機構Ovum訪談時提到，5G大規模機器型通訊「還有很長一段路要走」。另一方面，英特爾預期Release 16標準將於2019年第四季完成，意味著可能在2020年底投入生產，與原先計畫相去不遠。

市場因此出現切入機會。隨著大筆資金投入物聯網，無線連接市場需求強勁，主要應用於以聯網感測器和控制器為中心的各式使用案例。一般來說，這些無線網路需要具備強大的地理(通常是建築物內)覆蓋能力以及超低功耗，同時頻寬使用量要低，對於延遲的要求也較寬鬆。這就成為LPWAN技術的甜蜜點。

量化LPWAN商機

Ovum預估低功耗廣域網路(LPWAN)連結數將於2023年達到15億，其中，NB-IoT與LTE-M(Cat. M)等授權頻譜技術比重達72%(如圖1所示)。在2023年內，LPWAN市場規模將與傳統蜂巢式機器對機器通訊(M2M)市場相當(15億 vs 15.7億個連結數)，但成長速度快上許多，Ovum預期2024年就會取代M2M。屆時，LPWAN每年仍將維持新增3~5億台裝置的成長速度，而傳統M2M市場則是每年不到3千萬台，如果加上5G，也還是低於1億台。

隨著行動網路業者(MNO)開始重整2G與3G頻譜，蜂巢式M2M裝置數量將在2023年達到高峰。因為這些裝置的存在，2G的發展也可能會持續到2025年後，但就算聯網裝置的需求持續成長，業者可能也不太願意新增更多連結數。Ovum預估在2023年尾聲，對「2G型」物聯網連結的新增需求，大多都將被授權頻譜中的LPWAN技術搶占(圖1)。

5G又是如何？

在初始階段，5G將與LPWAN在同時期推出，但時間可能會稍晚，而且擴張速度也較慢。截至2018年第四季，Verizon Wireless率先推出首個大型網路(不過是採取預標準、固定無線網路且只限消費端使用的5G網路)，接著是三家韓國電信商。南非Vodacom也於2018年八月推出5G「預商業」(Pre-commercial)的服務。

根據Ovum的預測，2020年非M2M 5G網路的用戶將達到1,100萬，隨後在早期採用階段開始加速成長，至2022年上升至4億。同一時間，5G物聯網裝置預期在2022年達到2,000萬台，2023年至9,000萬台。由此可知，早在5G物聯網準備好前，LPWAN市場就會達到反曲點，進入快速採用。而5G物聯網裝置是否能夠推出，也會是接下來幾年的一大關卡，因為5G MTC標準預期要到2021年後才會完成，供應鏈也要到那時才能加速發展(圖2)。

因此，行動產業正處於重新定義5G的階段。越來越多人將NB-IoT與LTE-M等授權頻譜中的LPWAN技術視為「5G的一部分」，因為在技術層面而言，這些技術將成為實現國際電信聯盟(ITU)的IMT-2020計畫標準的一環，在運營上也可能被視為未來5G網路的一部分，而5G運營將基於最初的4G網路以進行部署。舉例來說，GSMA指出NB-IoT傳輸可以納入5G NR訊框架構，就像5G MTC傳輸一樣。近期業者(特別是英特爾)和3GPP公布的資料中，越來越少提到MTC或URLLC，反而是「5G工業物聯網(5G-IIoT)」成為焦點，更預期將在Release 16中實現(2019~2020年)。

然而，到了2021年，市場需求已大致得到滿足，可能也不願意交換無線電模組。雖然向後和向前兼容是5G的一大設計目標，但能做到的有限。5G網路可以包含NB-IoT載波，但若移除NB-IoT，必須尋找替代的無線電或重新編程。此外，雖然NB-IoT和LTE-M將打著新的5G旗幟繼續推出，但在Ovum現有的預測中已經完全涵蓋此情況，並不會帶來額外成長。所以5G對物聯網而言到底有什麼特有的貢獻？

5G在工業領域發展機會

目前對於5G的一個悲觀看法是，LTE或其他微波技術就可以做到Gigabit等級的連接，而且具有無條件延遲保證的工業系統已經存在。所以到底有哪些是只有5G才能提供的服務？

答案是綜合上述特性的服務。至少從Release 16開始，5G可以兼顧高容量、支援物聯網與低延遲，再加上能幫助公有雲業者在企業IT成功發展的必備要素，如雙向擴充、多租戶與可程式化。另一個關鍵需求是支援區域網路。

有趣的是，以技術的角度來看，上述要素之間可實現綜效。頻寬、載波間距與重傳的可能性代表5G工業物聯網在小於5MHz的頻譜下，無法提供有效的資料傳輸速率，同時滿足延遲和可靠性的保證。這意味著有效的低延遲網路部署必須要能存取足夠的頻譜，才能同時作為有效的寬頻網路。

根據5G Americas的預測，在eMBB與5G工業物聯網之間進行動態頻率重用的20MHz載波可以在不違背低延遲保證或沒有寬頻丟包的情況下，提供18Mbps的低延遲容量。將兩者同時部署並使用5G獨特的整合能力，在技術上而言是非常合理的。所以電信業者應該著眼需要結合三種要素的使用案例。

針對物聯網5G垂直使用案例，3GPP整理出以下項目，對於特別關注物聯網與5G進程的人來說可能不陌生，包含軌道式大眾運輸(Rail-bound Mass Transit)、中央發電廠(Central Power Generation)、節目製作與特殊活動(Program-making and Special Events, PMSE)、智慧農業(Smart Agriculture)、電力分配(Electrical Power Distribution)、建築自動化(Building Automation)、未來工廠、e化醫療(e-Health)與智慧城市。

這些項目中，特別是智慧城市、農用感測器、e化醫療，以及智慧電網的感測器端，皆是標準的物聯網/M2M應用，且多半屬於LPWAN的應用場域，因此採用此技術的可能性也很高。然而，若是智慧電網的控制端，則需要低延遲與可靠性保證以及大頻寬，例如高壓配電網的延遲必須低於5m/s，可靠性須為99.999%，資料傳輸速率則高於10Mbps。取代GSM-R的鐵路應用也具有相同特性，而且還需要關鍵的語音功能。上述以及油氣等領域的使用案例通常都需要可以覆蓋廣大地理區域的網路。

未來工廠應用中的使用案例，可能也需要借助低延遲與限制延遲的特性。遠端控制工具的精準度直接取決於控制迴路的延遲程度，在此情況下，延遲等於網路往返時間(RTT)。未來的工廠與工業廠區也是最有可能用到其他仰賴物聯網完成的工作，像是預測性維護、園區內或室內自駕車、追蹤貨物或工具，以及監測在危險區域工作的工人等。舉例來說，諾基亞與通力電梯合作推出試點計畫，從聯網工具蒐集數據，另外也與汽車零件廠商博世進行工人安全試點。部署相關工業應用的場址也可能採用建築自動化。

從典型物聯網轉向區域網路

除了機器人之外，上一段提到的任務本質上都比較接近典型物聯網，因為延遲並非大問題，且大部分流量將由小封包的低頻寬流量構成。理論上來說，現有的LPWAN技術即可支援這些應用。然而，終有一天，或是在某些場景中，裝置密度將會很高或非常高(5G Americas建議針對每平方公里至少10萬個端點進行規畫)，使得總頻寬需求十分龐大。在此情境中，5G的存在性就十分必要。

此外，這類場址很可能會出現高頻寬用戶與感測器網路共存的狀況。因此，相較於廣域LPWAN，更像是區域網路，攜帶著從不同用戶蒐集而來的大量多工數據。AT&T行動業務執行長、5G關鍵領導人物John Donovan，在該公司2018年11月分析師活動上，即將此情境列為AT&T 5G規畫的核心：「我們觀察到越來越多企業客戶希望能模糊傳統上(行動)廣域網路與區域網路之間的界線，後者一向都是有線的形式。」

Vodafone也向Ovum表示，「不少」工業客戶特別指定要區域解決方案。這些公司多數屬於製造業，通常需要遵循繁複的內部服務水準協定，或是將敏感數據保留在本地。

工業使用案例框架

電信業者面臨的挑戰是，工業客戶想要控制的實際製程和工業經濟本身一樣複雜多樣。通常，製程甚至機器都是特定公司和垂直產業專用，而且通常是專利甚至是商業機密。若試著為每一類工具機開發對應產品，可能會徒勞無功，一方面太過具體，無法放大至足以激勵內部任何人採用，另一方面又不夠具體到可以說服專精於此領域的客戶。具備特定工業環境和技術知識的廠商和專業顧問可能才是提供相關深入知識的不二人選，以在5G的推波助瀾下，幫助客戶創造並整合新工業技術與製程。

水平供應鏈需聚焦於區域網路

一個替代方式是採用水平方法，聚焦於工業客戶對於替代網路技術的共同需求，該技術可以取代各式舊系統並支援數位化、製程改進並與物聯網整合；亦可幫助實現同一工廠內的多租戶需求，這也是5G-ACIA特別強調的一點。從商業角度來看，這樣的方式也非常合理，根據Ovum的ICT支出預測(ICT Spending Predictor)，區域網路是全球企業網路與電信支出當中最大的一塊，占比達19%，其次是WAN的18%(圖3)。

適用5G的工業廠區通常有以下特點，包含高密度的裝置、對限制延遲與錯誤率要求極嚴格，以及整體頻寬要夠大。就如先前提到的，5G具備容量、延遲與速度三個關鍵要素，與上述要求不謀而合。隨著製造廠商擴大實施工廠數位化，將更多機器交由數位控制並部署更多感測器，未來對於容量與速度的需求會快速成長，以支援工業物聯網裝置。低延遲將會是整個系統的關鍵，除了安全之外，減少可能導致製程變異的因素，也是工程師非常講求的一點。

將5G納入精實生產一環

執行製程改變所需的時間是現代製造業十分重視的概念。時間取決於對固有變異性的控制，以及減少換模時間(Changeover Time)。這兩項決定因素，5G都能協助改進。

豐田生產方式(Toyota Production System)是一套業界知名的最佳實踐守則，核心概念是比較製造一單位產品所需的時間，也就是所謂「節拍時間」(Takt Time)，以及針對工廠內改變最耗時的機器或功能進行製程改變所需的時間，亦即「限制換模時間」(Limiting Changeover Time)。此兩項目的比率越小，在執行設計改變、產品客製化或製程改進時，產生的生產損失越小。如果比率為1比1，就能在完全不減損生產效率的情況下，客製化生產每一單位產品。這將有助於實現大量客製化，而且製程也能持續與時俱進。

因此，驅使產業向無線過渡的一個關鍵推手是加快重新裝備與重新配置的速度，連帶創造出一個潛在的5G關鍵使用案例。諾基亞的內部商業案例模型指出工業用5G的投資報酬率與廠區環境改變的頻率成正比。因此，若使用案例涵蓋「自動化與重新配置」，報酬率也會最高。

以邊緣為中心

上述論點以連接性為中心，並清楚點出無線網路與5G的一個使用案例，對電信業者而言應該是鬆了一口氣。然而，要順利搶下市場並滿足客戶指定要求，仍是一大挑戰。

諾基亞的試點計畫之一是在漢堡港興建一座8,000公頃的基地，在如此規模之下，要在各服務、應用與地點維持服務品質(QoS)將是一大挑戰。另一個案例是我們近期接洽的英國某汽車製造商，公司為了讓全廠區都有完整的LTE網路覆蓋，剛換了一家行動網路業者。該廠區有寬敞的停車場、重型鋼構建築物、汽車半成品，以及工具機、高功率電力系統，以及會產生強烈射頻干擾的電焊機。此外，因為處在行動網路服務低需求地區，所以業者現有行動網路的覆蓋範圍也有限。

這類計畫很可能會需要現場和室內基礎建設，既能提供最好的服務讓客戶滿意，也能創造出可以同時部署邊緣運算與其他加值服務的空間。不過，若是使用國內公用行動網路來提供服務的商業模式，就會產生問題。

在2019年秋季的企業分析師會議上，Vodafone雲端業務總監提出區別分散式(Distributed)服務與專屬(Dedicated)服務的實用方法，分散式網路是內嵌在公用網路中，如果是擁有許多小型分店的零售商，可能會很感興趣；專屬網路則是基於現場基礎建設，較有可能是工業用。隨著工業廠區內特定物聯網應用的需求成長，這些大型工業計畫將是私人LTE網路導入的契機，最終再轉換為5G。

(本文作者為Ovum 中小企業與SoHo ICT服務資深分析師)