逐一解決頻譜/裝置/基礎架構　5G專網挺進工業部署

5G專用網路可為工業生產力帶來顯著提升，它在頻譜、部署策略、營運管理和所有權方面具有相當重要的意義。從最近在英國進行的5G工業試驗，可瞭解5G如何以及能提升多少生產力。伍斯特郡(Worcestershire)5G聯盟在鍋爐製造商Worcester-Bosch和工具機製造商Yamazaki Mazak的廠區部署了5G網路。該試驗僅聚焦在應用於工廠廠區的效益，據報告，其生產力提高了2%。但測試人員認為，5G真正的機會在於它的效益可擴展到整個作業流程，若把它應用在整個經濟環境，它能改善的潛能將更為可觀。

未來5G針對消費者/產業影響力各有差異

對於生活在5G覆蓋區域的消費者來說，此技術可提高效能，帶來與4G LTE類似的功能，而且效果更好。而在工業界，它的影響力更深遠，可開啟先前世代行動網路技術無法實現的全新使用案例。畢竟，對行動服務供應商來說，企業客戶的成功採用至關重要，因為唯有如此才能回收其建置網路的大量投資。

現今的4G LTE低功耗廣域(LPWA)網路(LTE-M和NB-IoT)已成為5G標準的一部分，有助於讓人們提早了解5G重塑製造業的潛力。透過把無線和內建SIM卡裝置的簡單性和靈活性、以及行動性等其他基本功能結合在一起，LPWA技術可為常見的工業IoT應用，如聯網感測器、量表和資產追蹤，提供低成本、低數據處理量的連接性。

但是，基於某些因素，工業界對於採用蜂巢式技術來自動化其廠區、供應鏈和其他作業流程，一直抱持著謹慎態度。儘管蜂巢式技術提供了易於整合、靈活性和高效能的特點，但營運技術(Operation Technology, OT)管理者卻因需依賴第三方電信業者來提供攸關業務的服務，其中所帶來的權責、安全性和隱私風險而感到遲疑。

5G專用網路概述

只要擁有通過驗證、以及內建SIM卡的裝置並訂閱服務，任何人都可使用公共5G網路所提供的蜂巢式聯網。5G專用網路則是把此服務限制在封閉的用戶群中，通常是工業界。因為每個使用案例對網路連接的要求各有不同，因此在服務品質、安全性、可靠性、責任和其他因素方面，專用網路的規格需適當調整，才能滿足工業用戶的需求。

例如，汽車生產工廠可能需要多種5G連接功能來簡化營運、提高生產力並保護其工人：大規模物聯網(eMTC)可把大量部署的工業IoT感測器連接到企業雲端；寬頻物聯網(eMBB)可為整座工廠提供高速無線連接；關鍵IoT連接(uRLLC)可實現基於VR的支援工具並控制工業機器人。此外，它還能把服務範圍擴大到製造工廠以外的汽車，首先是汽車經銷商，然後再為車主提供售後效能監控的功能。

虛擬式網路切片(Sliced and Diced)

實現5G的三個技術支柱─eMTC、eMBB和uRLLC，需要三個關鍵要素：第一個是在適當的頻段提供足夠的無線頻譜、第二個是裝置、第三個是聯網所需的行動網路基礎架構。

以寬頻IoT為例，它需要6GHz以下或毫米波(mmWave)頻譜(24GHz及以上)有足夠頻譜範圍，才能提供高數據傳輸量。另一方面，大規模IoT(Massive IoT)使用2GHz以下頻段，能以低數據速率提供增強的覆蓋範圍。關鍵IoT(Critical IoT)連接則是充分利用高度同步、且低延遲的傳輸網路，能在5毫秒內把數據封包從一台終端裝置發送到另一台裝置。

也因此，無線頻譜成為一種稀有的資源，換言之，把它分配給工業網路應用的方式將會引發爭議。若讓市場沒有管制地自由發展，可能會導致頻譜囤積，並使規模變小、以致資源不足的企業以及較晚加入市場的業者被迫出局。然而，廣泛定義的規範，例如，把頻譜的某些固定部分分配給工業客戶，則可能導致頻譜使用效率低下，影響原本規模就不大的市場，並使行動網路業者(MNO)喪失回收投資所需的規模經濟。

毫不意外地，不同市場會採取不同方式來分配頻譜。基本上，可分為兩個主要陣營：一個是德國、英國和日本等國家，會特別為工業應用保留頻譜；另一個陣營例如法國和義大利，把頻譜分配給作為中介者的行動網路業者。哪一種方式將成為主流尚待觀察，但顯而易見的是，頻譜配置方式的多樣性將為已經分散的行動網路環境增加新的複雜度。

歸根究底，分配頻譜的目標是要確保企業，即使是較晚申請的企業，也能以負擔得起的價格取得營運所需的頻譜。行動網路技術供應商愛立信(Ericsson)提倡運用基於不動產的概念，特定場所的工業頻譜只能由當地土地所有者購買，同時使通訊服務供應商可存取未使用的頻譜，以協助他們滿足大眾的需求。

最終，頻譜分配問題的解決，會涉及兩個要素：無線頻譜應跨地區協調，以最大化5G裝置的可實現市場，並充分運用全球客戶群帶來的規模經濟；再者，必須採取某種形式的中立公平標準，以確保頻譜可用性的長期可預測性，同時要使最大數量的利益相關者能夠使用該技術並從中受益。

不同部署方式

為了滿足特定應用的需求，且不浪費稀少的頻譜，工業客戶有多種選項，包括在自己的廠房部署整個行動通訊網路基礎架構並自己運作(或透過第三方，通常是行動網路業者)，這是在不同程度上依賴公共行動通訊網路的混合解決方案。5G聯網工業和自動化聯盟(5G-ACIA)在白皮書中對這些不同的情境有更詳細的探討。

獨立的本地部署(圖1)是指，建立整個行動通訊網路，並由工業客戶自行擁有和運作。同時，可能會開放與公共網路的連接，以存取公共網路服務，並允許漫遊以擴展至服務範圍以外的區域。

相反地，混合部署是指，部署所有的揹負(Piggy-back)工作至公共網路，僅共享無線電接取網路(圖2)，使營運技術管理者可以從5G無線電接取網路的虛擬式隔離網路切片(Slice)中受益，同時保持對控制平面(Control Plane)及其非公共服務的完全控制和所有權。圖3的模式把控制平面功能也委託給公共網路。最後，圖4是把整個專用網路在公共網路的專屬切片上執行，同時保持與企業雲端的通訊通道。

採用不同的方法所必須做的取捨也有相當大的差異。在工廠廠區運作完全隔離的行動通訊網路，並承擔基礎架構的完全所有權和責任，可提供較高程度的安全性、隱私和控制，但這需要深厚的專業技術才有可能。網路的實體隔離也意謂著，還需要擴大覆蓋範圍到其他的工廠以及公共網路，例如資產追蹤、供應鏈管理和物流，也都需要管理。

另一方面，在公共網路上建立與營運工廠的專用網路，比較不要求營運技術客戶必須擁有深厚的ICT專業知識。可能有人會說，這個方法對小型企業較具吸引力。但是，這個方法就必須因應把重要基礎架構外包的風險，包括確保數據安全性和管理服務中斷帶來的財務損失，同時也必須把網路供應商的法律義務和責任先界定清楚。

實現第四次工業革命伴隨效益

投資專有網路，能夠催化工業流程的深度數位化，如本文一開始曾提到的，有助於提高生產力。愛立信在他們的白皮書中指出，數位化轉型也可以提高公司的獲利，其中，2~3%的營收增加是來自於數據處理量和品質的提升，而9~18%的成本節省則是因為資本效率的提升和製造成本的降低。

從硬體層級開始，無線聯網裝備提供了前所未有的靈活性，使其更易於設定、運作、維護、重新配置和更換。毋須纜線的配置免除了有線安裝的一大缺點。此外，業界主導的3GPP聯盟負責監督5G技術背後的標準化過程，也致力於確保蜂巢式解決方案在未來5G世代也能繼續使用。目前部署的4G低功耗廣域蜂巢式技術已成為5G系列標準的一部分，便是一個很好的例子。

受益於深度數位化的使用案例，比比皆是。智慧數位分身(Digital Twins)，就是一個例子，能夠把感測器的所有輸入整合到生產設施的運算模型中。 5G-SMART聯盟正在研究的其他範例包括：工廠生產線上的機器人控制，其嚴格的延遲時間為1毫秒，可靠性要求為99.9999%、還有自動引導車輛的控制、以及自動起重機的遠端控制等。5G的高數據處理量、低延遲通訊最終可以在工廠環境中實現混合實境應用。5G還將為工業應用、室內(以及任何地方)的定位的精準分布式時序和同步方面帶來新的效能水準。

讓5G工業應用不僅是口號而已

過去幾年來，5G技術一直是業界的熱門話題。由於瞭解到消費性使用者訂閱量仍不足以支付5G龐大的投資，因此在工業領域也採用5G對於該技術實現獲利，已變得至關重要，才能使5G不僅僅是淪為空談而已。因此，5G專用網路將扮演基礎的重要角色，為企業帶來新型態的蜂巢式網路功能，並透過虛擬或實體網路隔離、合約式的服務等級協議，以及明確定義的權責來減輕相關風險。

透過各種不同的部署選項，營運技術管理者可以選擇一種解決方案，以平衡他們對蜂巢式網路基礎架構完全所有權的需求，以及他們確實擁有的技術專長。最後，5G專用網路提供一個框架，監管機構能以此為基礎，確保在公共和私人利益相關者之間有效分配頻譜並促進競爭。

由於大多數5G專用網路仍處於試驗階段，同時5G標準也在不斷發展中，因此，所有參與者，無論是國家監管機構、行動網路業者、營運技術公司、甚至是3GPP聯盟本身，都還有很多東西需要學習。在此過程中，像5G-ACIA這樣的業界組織、以及5G-SMART等許多的測試平台和試驗都是不可或缺的，這不僅是為了瞭解5G標準應具備的技術要求，還要為最佳實務奠定基礎，其中包括5G專用網路的部署和認證，以及充分發揮它的各種優勢。

5G特有技術的採用，尤其是大規模IoT和關鍵IoT連接，將由工業垂直市場開始，這些市場也將成為首波5G專用網路的受益者。而此一領域的成功，對於推動5G和數位化在其他領域的普遍採用，包括衛星、海運和汽車通訊等而言至關重要。

隨著2020上半年全球Covid-19爆發而大流行，截至目前尚看不到明確的危機解除時間點，因此，提高全球生產力以及為經濟復甦做出貢獻的壓力，無疑將加速已經在進行中的數位化和5G採用的趨勢。

(本文作者為u-blox蜂巢式產品中心技術策略主管)