聯網設計恪守四原則　5G結合AI創造多元應用

5G在相關與創新的垂直整合拓展，引領AI和邊緣運算等科技整合。本文展現推動這些科技發揮內部加乘效果，來促進5G關鍵任務服務效能的極致表現，同時舉出透過NR-Light縮減5G NR，以滿足多元的應用案例，同時探索據此運用在更廣泛的巨量物聯網應用案例上的可能性。

此刻人們僅處於5G時代的開端，但已經看到5G網路正以空前的速度被布建中，以及對以智慧型手機為首的各種5G設備需求的不斷增加。由於5G所具備的新功能與效率，預期它將持續讓無線通訊延伸進入更多新的產業，遠遠超越傳統的行動通訊生態系(圖1)。

5G偕AI打造高效擴展IoT

現今的物聯網應用大都仰賴系統的解決方案，物聯網裝置會連結到中央雲端也就是大部分智慧功能的所在。在這種情形下，物聯網裝置(如感應器)會收集原始資料並發送到中央雲端，由中央雲端負責汲取解析，並做出決策。5G的廣泛應用可望推動物聯網加速成長，根據市場調研機構麥肯錫(McKinsey)近期的一項研究預測，在2023年聯網裝置數量將達到430億個。由於需要連線的新裝置數量之多，目前中央雲端模式的效率將難以有效提高，尤其是考慮到資料量和新應用案例的需求，例如工業自動化，就要求更嚴格的系統隱私，以及敏感數據資料必須在地保存的需求。增加資料量且提高隱私要求是一個很好的例子，說明了為什麼必須以新的分散式智慧典範來完全發揮物聯網潛力。藉由智慧無線邊緣運算，物聯網擴展(Scaling)不僅變得更有效率，並將帶來較低的延遲和強化隱私性等好處(圖2)。

5G快速發展進行式　滿足IoT多元需求

5G標準的第一版規範(3GPP Release 15)著重在增強型行動寬頻(eMBB)，帶來更高容量、更快速的流量與更低的延遲，但它也奠定了5G NR技術的基礎，以作為未來創新的依據。

強化5G NR　提升物聯網效能

接下來的5G標準第二版規範(3GPP Release 16)中，在各界齊力下增加了5G新功能並將範圍擴展到了新產業。例如，透過工業自動化的「切斷電路」充分發揮了工業4.0的潛力。3GPP Release 16導入了增強型超高可靠度和超低延遲通訊(eURLLC)，提供了毫秒級的延遲、用於時間決定性傳輸的時效性網路(TSN)，以及提高部署靈活性的免執照頻段(NR-U)和專用網路。3GPP Release 16中的另一項新功能是導入高可靠度的5G定位功能，補足了全球衛星導航系統GNSS等既有的定位服務，並實現如資產追蹤般的一系列5G物聯網應用案例(圖3)。

IoT朝四面向設計力求效率提升

5G將更能有效率地連結數十億個低複雜度的物聯網設備，例如環境感測器和公共事業儀表。通常這種物聯網裝置注重低複雜度和高效能，具有容忍延遲的能力。為了解決這種物聯網區隔，3GPP持續開發NB-IoT(頻寬200kHz)和eMTC(頻寬1.4MHz)，以提供更多功能和更高效率。3GPP Release 16新增這些技術支援，並在5G核心網路和5G NR頻內部署下共同運作，使NB-IoT和eMTC成為5G巨量物聯網的初始解決方案。

雖然Release 16起初是為了解決如工業物聯網(IIoT)的極高效能，以及像窄頻物聯網(NB-IoT)極低複雜度，上述兩種極端情況下的物聯網需求，但兩者之間的物聯網應用範圍仍非常寬廣。為了解決這些需求，3GPP Release 17導入了5G NR-Light，為包括工業攝影機、更高階的穿戴裝置和低階智慧型手機等複雜度較低的裝置帶來全新效率。儘管NR-Light的具體細節仍正待定義，但一般方法是縮減目前的5G NR設計。以下是目前考量的一些關鍵設計面向：

・複雜度減少

支援更窄的最大終端設備頻寬—即在Sub 7GHz頻段中降低至10/20MHz，並達到單RX半雙工。

・功耗改善

增強PSM和eDRX等低功率模式，並降低輸出功率。

・網路效率提升

支援半雙工和全雙工共存裝置，減少訊號負荷。

・覆蓋範圍優化

透過重傳、綁定、中繼/側鏈等方式降低覆蓋損耗並減少複雜度。

而在Release 17之後，相關業者如高通也正持續推動未來系統的研發以進一步強化5G的物聯網。其中一項重點是在未來版本中進一步縮減NR-Light，根據5G NR為基礎設計出巨量物聯網的應用案例，以充分利用5G NR固有的技術優勢(例如新的波形、頻道編碼和拓撲結構)。由於5G NR彈性的框架設計，所有現有和未來的5G物聯網服務都可以無縫並存，實現人們的5G願景並支援未來聯網的所有需求。

連接大規模物聯網裝置自然會帶來如何在擴展物聯網同時又能兼顧效率及安全的問題(圖4)。這些考量確實非常重要，如何將它們結合在一起就形成了嚴峻的挑戰，但高通樂見以端到端的系統方法來處理並解決「不可能的」技術挑戰。例如，物聯網晶片模組提供以硬體為基礎的安全性，並具備無線終端(Wireless Edge)服務支援，使客戶得以專注在他們的首要任務，建構自己的物聯網解決方案。

展望未來，預期將出現新的端到端資料管理模式需求，以解決越來越多的物聯網裝置所產生的大量資料。關注焦點將不僅是管理這些裝置，還有資料管理本身，包括資料所有權(用於裝置和相關資料)、來源(用於建立單一事實版本)和治理(用於控制資料的管理和取得)。而像高通研究團隊正在研究端到端解決方案中的各個部分，例如同態加密(Homomorphic Encryption)，可使加密資料直接被處理。 5G之後6G會接著來臨？

雖然5G現已步入商業部署，但仍有豐富的5G技術發展藍圖即將推出。5G和AI的融合將成為未來十年強大的創新力，創造出所謂的智慧聯網時代，這代表著世界將有越來越多的智慧型裝置相連結，並遠遠超越人們迄今所見到的一切。

隨著AI成為聯網裝置中不可或缺的一部分，加上視覺運算和使用者介面的不斷發展，將可預見人機之間的互動將更加緊密，提供了無線連接新時代的可能性。無線技術將持續演進，而形塑未來的創新也將不停發展。這項研究正在進行，同時也預期6G在未來某個時間點將會出現。無論6G是否遵循10年一代的無線技術歷史節奏循環，業者都將繼續推動創新動能，將下世代技術推往世界。

(本文作者John E. Smee為高通技術工程部副總裁；Tingfang Ji為高通技術工程部資深總監)