工業4.0(Industry 4.0)是將實體基礎設施，進行數位化轉型，基礎設施牽涉技術面向甚廣，從擷取資源、製造、電力、推向市場、營運和服務，到城市的營運管理，市民的健康福祉。實現工業4.0最重要的關鍵在於下一代的網路連結，即今日的LTE及不久之後的5G。
現在的私有/企業網路連結，大多利用線纜以及以IT為基礎的無線系統(例如Wi-Fi)，可能不敷未來用於工業的通訊環境所需。本篇將探討可提供更具安全性、高可靠度、工業等級的無線網路(Industrial-grade Wireless Networks)，如何對工業4.0及其應用的進展作出貢獻。 源自於IT的無線解決方案，例如Wi-Fi，雖可應用於工業環境，但較適用於業務相關的日常通訊。該技術方案提供的可靠度、安全性、預測性、多用戶容量及行動功能有限，較無法支持發展關鍵性業務通訊(Business-critical)及緊急任務通訊(Mission-critical)的需求。
省視現今工業的場景裡，例如礦場、港口碼頭或機場，都已經嘗試引進Wi-Fi，但大範圍覆蓋的需求及複雜的環境，讓Wi-Fi有未及之處。此外，採礦及碼頭的應用案例裡，將遠端操作無人自駕車，例如自駕卡車、起重機、跨載機納入規畫，該應用也都建立在行動通訊和高頻寬的視訊功能上，而Wi-Fi並無法滿足行動需求，也無法保證視訊品質。
在智慧製造的應用場景裡，也有類似的限制。Wi-Fi的訊號在許多工業環境中，由於廠房建築結構本身可能造成的干擾，導致傳播效果並不好。Wi-Fi也無法支援無人自動載具(Automated Guided Vehicles, AGVs)或是高速移動的機械手臂的行動通訊需求。另一方面，物聯網所需的低功耗，或是在傳統的工廠裡，所要求的高密度大量連結感測器、終端設備、機器人、員工和自動載具等也無法支援。
幸運的是3GPP的技術，包括LTE以及不久之後的5G，提供了符合工業等級的專用無線網路，用於支持工業4.0的各式應用場景通訊所需。該技術提供了無線和線纜的最佳結合，證明大型的商用行動網路，也可切合各工業應用場景的需求。對許多產業而言，運用LTE的時機已經成熟，也提供了一個順利的演變至5G的途徑。
雖然大多數企業重視無線和行動技術的優點，以及可帶來包括普及性、靈活性、簡便性和連接萬物(即便在機器內部)的能力，但企業仍傾向相信關鍵性業務通訊所需的服務品質、可靠性和安全性，只能透過線纜來實現(圖1)。
圖1 比較二種主要的無線技術於企業網路環境裡，不同層級的關鍵功能需求
比較LTE專網/一般企業接取網路
就可靠度和安全性而言，電纜和光纖仍有其優越之處，將繼續在工業園區裡的固定環境中使用。儘管如此，5G亦可達到相同的可靠度、可預測及安全性，為眾多無線通訊技術中，更適用於帶入工業場域的聯網標準。與Wi-Fi相比，具備低延遲、傳輸速率的可預期性，及能承載多用戶的高容量特性，換言之，每個接取點(或基地台)可連接數以百計的終端、機器、員工，於同一個區域面積裡，產生出非常高的承載密度。
今日的LTE技術已經穩定地向全球超過40億的行動用戶提供服務，並達到家用固網寬頻的傳輸速率。且證明其性能表現，足堪應付各式環境的挑戰，例如，滿足超過10萬觀眾通訊需求的大容量場館，有嚴格資安規範及保密需求的公共安全網路。
最終，LTE可於每小時350公里的高速下進行訊務交遞，開啟了車中的操作人員與設備之間的穩定連結的可能，也可用於支援操控包括無人機、卡車、吊車、自動導航車等無人載具。
許多企業都已嘗試引進IT的無線技術，如Wi-Fi、Wi-Fi Mesh、藍牙(對於較短距離)，但都很快地意識到其局限處。雖然非常適合於辦公室型態的通訊，但由於並非為關鍵型通訊設計，其性能並不適用於工業所需。
安全性向來是Wi-Fi和藍牙的無線技術，最受人關注之處，且已被證明非常容易被駭入。相較之下，LTE和5G從一開始就將安全納入設計考量，端到端的加密技術，包括空中介面的密碼，傳輸層的IPSec，用戶終端的SIM和eSIM以確保終端合乎安全規範才得以入網。也因此許多公共安全機構已經開始使用LTE作為緊急通訊技術(圖2)。
圖2 3GPP技術特性
為了在製造業環境中廣泛建置工業自動化，必須有嚴格的同步限定及高度的網路可靠度，以實現精密準確的流程及工作環境的安全。Wi-Fi被歸類為「盡力原則」(Best Effort)的網通技術，意味著盡力而為，沒有保證品質。
在專用LTE網路的建置中，網路可靠度是遵循舊時電話系統設定的5個9或99.999%的系統可靠度標準。專用的LTE網路端到端的低延遲，可達到9~15毫秒範圍，未來的版本將達到2~8毫秒，於5G時代，將低於1毫秒。
除了考量安全性和可靠度外，覆蓋範圍也是關鍵重點之一。對於製造業廠區、露天礦場、港口和電廠，LTE網路可以擴及範圍至2萬平方公里。無論是廠房常見的挑高的天花板、戶外，LTE所需的基站數量遠低於Wi-Fi的接取點。雖然效益會因不同案例而異，以露天礦場為案例，諾基亞(Nokia)曾經見過超過150個戶外Wi-Fi接取點，但Nokia利用了10個微基地台，提供更廣的覆蓋範圍，包括礦區裡主要建築物的室內涵蓋，以及擴大了礦區周遭的覆蓋。
除了支援高資料傳輸速率、低延遲的應用外，最近LTE標準還為了LTE-M和NB-IoT定義了新的低傳輸速率設備類別，其專為低速率IoT感測器而設計。由於降低了這些感知設備的複雜性和數據速率，LTE-M和NB-IoT數據機僅靠電池電量可以運行數年，因此讓在園區內甚或機器內部署感測器，變得直接單純。
當探討能否在工業流程和作業流程中加裝物聯網感知器的時候，安裝是否具有彈性及簡便，將是一個關鍵。Wi-Fi和藍牙需要較高的電力需求，當連接裝置和感測器時，需要連接至電源，這將對加裝感知器於舊機器內的施作造成問題，或是電池的壽命變短。每個LTE基地台的訊號涵蓋，無須安裝額外的布線，即可以連接數以千計的人員、設備和感知器，足以平衡建設專用LTE網路的前期投資。
蜂巢式專網大顯身手 5G/LTE揮軍工業物聯網
5G話題正熱，但似乎該公允地問一個問題，是該等待5G的到來再做投資？或是現在就可投資在LTE？根據諾基亞貝爾實驗室多年的研究，及其專家在建置專用LTE(Private LTE)的眾多經驗，今日的工業應用，已有85~90%可以在LTE網路實現。
也因此許多大型的企業，現在就積極地擁抱工業4.0，著手建設其專用的LTE網路，因為他們認為可以獲得競爭優勢，並為5G時代預先準備。 如同先前的3GPP技術進展一般，5G的標準建立在LTE之上，具備針對垂直產業的特殊應用強化相關的功能，例如資料傳輸速率、容量、延遲、可靠度、可擴展性和靈活性。如今，5G 3GPP標準化仍在持續開發中，預計釋出的版本計畫如下(圖3)：
圖3 5G支援垂直產業功能需求規畫
．R15是第一個5G版本，專注於強化行動寬頻應用(提升更高的資料傳輸速率)，主要用於視訊應用，對工業4.0的需求適用性有限；
．較晚的R15更新版本，將引進5G SA架構，而這是對5G為實現產業利基的必要基礎架構；
．R16(計畫於2020年年中)將引進第一批工業4.0所需的功能(例如超可靠低延遲)，預期2022~2023年，會有相關的終端設備問市；R16亦定義了專用5G網路的標準，如網路切片或將端到端網路資源指配給特定企業或應用的能力；
．完整的5G垂直產業功能需求將於R17發布(目標是在2022年完成標準化，而1~1.5年後會有相關的終端設備)；R18將提供5G大規模物聯網(Massive IoT)、時間敏感網路(Time Sensitive Networking, TSN)等，對工業應用極具關鍵的功能。在此之前將倚賴LTE，許多網路會有LTE和5G並存運行的情況。
雖然在有些國家提供專用頻譜給垂直產業，例如德國，以提早布建為目標，可能會從R15就開始建設。大多數的分析師相信，R16應該是企業開始布建5G的時期，R16定義了專用5G網路的功能及能力，所以任何早於標準制定之前的建設，可能有無法相容的問題。此外，企業需要有認知，需要多年的時間，才能發展出可支援R16標準的5G裝置生態圈。若要享受到R17的功能，例如Time Sensitive Network，可能還要更久的時間。屆時先期的使用者需汰換裝置終端，也將是另外一個考量點。
因此，本文期待大多數的企業專用私人網路的建置，藉由把5G站點加入現有的4G環境中可以達到平滑演進的目標。4G和5G將會並存一段時期直到5G生態圈成熟的時刻。
5G尚未完全底定 LTE專網仍扮工業4.0要角
關於工業4.0和物聯網的眾多討論裡，都忽略了一個基本考量，如何以最合乎成本效益、並能提供可靠和安全的連結感測器和終端？線纜布建缺乏彈性，且連結眾多終端、人員、感測器，將所費不貲。
LTE和即將到來的5G，在規格制定上已經將工業4.0納入設計考量。LTE已實際驗證可行性、通過壓力測試、完整的生態系統，這項為眾多企業帶來結構性轉變的技術，並不會產生如同其他新技術引進時的高風險。
專用LTE網路是下一代的工業及無線技術，現在已經提供控制、安全和彈性，讓工業4.0轉型之旅即刻上路。即使未來引進5G用於處理最嚴苛的案例之時，專用LTE網路將仍繼續扮演要角。
(本文由Nokia提供)