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打造智慧場域 開啟數位化生活 5G技術發展及創新服務展望 文|廖宏祥

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一、前言

回顧過去技術演進過程,科技進步曾多次對社會與經濟造成重大改變,改變社會生活型態。展望新世代技術逐漸成熟,包含5G、雲端運算、人工智慧、大數據應用等新興技術帶動及催化新的應用需求產生,促成生活、工作及各種空間的行動智慧化,翻轉過去既有思維及框架,啟動全新數位化、智慧化的社會及生活模式。

為了迎接5G時代到來,政府各單位及主管機關全力營造友善發展環境,與產業協力推動5G建設及發展,掌握5G新世代契機,致力產業創新及數位升級,相關發展已居國際領先地位,持續往「數位國家、智慧島嶼」的願景邁進。

二、 5G技術發展

()5G技術特性

2012年國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)提出第五代國際行動電信(InternationalMobile Telecommunication, IMT)系統之IMT-2020(5G)發展藍圖及願景,多方收集及研商全球電信產業建議後,於2015年建立全球5G的願景及需求1,並進一步完成IMT-2020(5G)全球標準,其主要服務需求為增強行動寬頻、巨量連接物聯網、超可靠低時延通信三大方向(如圖1),以滿足各種應用服務的需求2

  1. 增強行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB):下行峰值速率達20Gbps、上行峰值速率達10Gbps;
  2. 巨量連接物聯網(Massive Machine Type Communications, mMTC):每平方公里1,000,000裝置;
  3. 超可靠低時延通信(Ultra-reliable Low Latency Communication, uRLLC):延遲低於1ms。
ITU定義5G服務需求:增強行動寬頻、巨量連接物聯網、超可靠低時延通信
圖1ITU定義5G服務需求:增強行動寬頻、巨量連接物聯網、超可靠低時延通信
資料來源:中華電信股份有限公司

5G網路技術問世,不僅大幅提升資料傳輸的速度,更提供大規模、高密度的連線容量與超低延遲的傳輸品質,帶來創新服務及新興應用的機會並可能觸發新型商業模式,提供行動化、個人化、智能化的生活便利性。

()3GPP 5G技術標準

第三代合作夥伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)為成立於1998年12月的標準制定機構,主要由全球重要設備商與營運商所組成;3GPP延續過去制定第二代(2nd Generation, 2G)、第三代(3rd Generation, 3G)、第四代(4th Generation, 4G)等行動通信網路標準之經驗及模式,並運用現行4G行動通訊系統以因應未來各種潛在應用服務為目標,強化相關功能及彈性架構,完成下一代行動通信網路標準,國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)並於2020年7月核准第三代合作夥伴計劃(3GPP)制定之5G技術規範,作為國際行動通信IMT-2020(5G)標準。

1.5G基礎版(Basic)標準

3GPP於Release 15版本開始制定5G NR(New Radio)標準,符合ITU各項5G指標(例如:增強行動寬頻、巨量連接物聯網、超可靠低時延通信等指標),完成非獨立組網(Non-Standalone, NSA)架構及獨立組網(Standalone,SA)兩組網路標準。非獨立組網架構係運用現有4G核心網路(Evolved Packet Core, EPC)及4G LTE(Long-Term Evolution, LTE)基地臺,藉由軟體升級並與5G基地臺共同運作,提供5G服務;而獨立組網架構採用全新5G核心網路(5G Core)及新型服務導向(Service-based Architecture, SBA)設計,無須藉助4G基地臺及核心網路之獨立組網方式(Standalone, SA)。非獨立組網及獨立組網之網路架構示意如圖2所示。Release 15版本主要功能特色包含導入進階多天線技術、大頻寬支援、雙連結技術及超高頻支援等功能(如圖3所示)

非獨立組網及獨立組網之網路架構示意
圖2非獨立組網及獨立組網之網路架構示意
資料來源:中華電信股份有限公司
3GPP Release 15版本重要技術特色
圖33GPP Release 15版本重要技術特色
資料來源:中華電信股份有限公司

相較於傳統行動網路,多接取邊緣運算(Multi-access Edge Computing, MEC)與網路切片(Network Slicing)為現階段5G網路重要應用技術;其中,MEC藉著移動運算資源至更貼近使用端之網路邊緣,整合網路、計算、儲存等資源提供高速、低時延之智慧應用;而網路切片(Network Slicing)為使單一實體網路可提供多個不同服務情境之虛擬邏輯網路,並對傳輸速率、容量、優先性、安全性等可依需求調配不同等級,包含提供企業專網多種客制應用或消費客戶各樣服務,達到多樣廣泛、彈性運用而互不干擾的特性。

其他新技術導入,如SDN(Software Defined Network, SDN)、NFV(Network Function Virtualization, NFV),電信商可採用通用硬體網路設備,服務功能並可依需求藉由軟體調整及遠端安裝,電信營運商可建構彈性架構,依需求及數量彈性配置,快速因應時變性網路需求並降低建置成本。簡言之,運用SDN、NFV及MEC等技術進行網路切片,使網路雲端化、虛擬化、智能化功能應用於5G網路營運得以逐步實現,電信營運商能以5G網路服務提供各類企業需要的客制化垂直應用或一般民眾各類服務需求。

2.5G演進版(Evolution)標準

5G網路第二階段標準為Release 16版本,係為5G功能強化版本,進一步增加行動寬頻網路效能,強化高可靠度、低延遲、大規模物聯終端應用、車聯網支援、免授權頻譜NR應用及整合式接取與回傳功能(Integrated Access and Backhaul, IAB)等。

5G網路第三階段為Release 17,包含針對行動寬頻、工業自動化和車聯網等現有使用案例之增強功能,並引入了包括公共安全、非地面網路和非公共網路在內的新使用案例的支援功能,主要包含支援高頻段功能、輕量化NR功能(NR-Light)、非地面網路支援等增強現有服務及使用案例之網路性能強化,以支持新使用案例及擴展垂直領域應用,並在不同部署條件及場景中提供更廣泛應用接續。惟近來因受新冠疫情影響, 3GPP決議將Release 17版本時程推遲半年,預估遞延至2022年6月完成。

3GPP Release 16版本重要技術特色
圖43GPP Release 16版本重要技術特色
資料來源:中華電信股份有限公司
3GPP Release 17版本重要技術特色
圖53GPP Release 17版本重要技術特色
資料來源:中華電信股份有限公司

由於2017年12月3GPP便已完成非獨立組網規格(3GPP Release 15)制定,而獨立組網規格(3GPP Release 16)遲至2020年6月始完成制定;非獨立組網於標準面、設備面及終端面皆較成熟,生態系統亦較完整,更適合電信營運商提供一般消費客戶為主之5G商用服務。另一方面,非獨立組網架構基於現有第四代(4G)網路基礎,不僅可加速5G網路建設速度,使電信營運商可再運用4G網路,降低5G整體建置成本,故全球行動電信營運商於5G建設初期多數均採用非獨立組網方式建置5G網路。

3.5G先進版(Advanced)標準

2021年6月,3GPP開始討論Release 18版本制定範圍,預計包括未來新解決方案和新型技術組件,以繼續提高行動寬頻和垂直領域之網路性能。3GPP並規劃Release 18版本將包含5G網路重大演進功能,並將其標記為「5G Advanced 」第一個版本。「5G Advanced」版本預計將為無線網路導入更多智能,未來的增強功能將包含單一平臺的人工智慧、機器學習與各種新垂直領域用例。「5G Advanced 」版本並將針對流量管控、行動支援及終端節等方面強化,以實現資源高效應用及低延遲的無線電資源分配;另外有助提升5G涵蓋之先進技術(如UE-to-UE中繼技術)也將包含在內3

三、 5G開放網路發展現況

()開放網路的興起及影響

傳統行動網路為求網路效能之高效及穩定,電信營運商常過度建置設備以因應尖峰負載網路需求;並因設備專用且網元介面封閉,不易彈性擴充容量及調整功能,造成營運成本無法降低。

另外,由於傳統電信設備大廠提供完整解決方案,各家廠商間的設備介面彼此無法互通,電信設備常為少數支配性大廠綁定,無法彈性調整容量或功能,並造成網路發展受限、設備採購議價空間限縮等問題。若能開放設備介面、制定介面標準,使得不同廠商可互通、搭配軟體運作,達成虛擬化功能,開放市場競爭,建置成本下降。網路開放化的實現,使傳統封閉的電信設備或介面不再受限,基於標準化介面的開源、白盒、智慧化設備得以導入,使網路擴展或調整更具彈性並可加速新創服務開發或上線,並使電信設備採購增加市場競爭性。

因此電信商成立聯盟和標準組織推動網路開放化,進行網路設備軟硬解耦、建構開源軟體與通用硬體運作環境,實現介面開放可互運的開放網路環境。例如O-RAN聯盟(O-RAN Alliance)便在2018年2月由AT&T、中國移動、DT、NTT Docomo及Orange 倡議成立,目的在推動低成本的開放網路無線接取網路架構,推動白盒硬體、虛擬化網元、標準介面,提供開放及智能化機制,降低設備互通之封閉限制。

藉由新技術及開放網路導入,帶來新的電信服務新模式及改變,例如藉由SDN(Software Defined Network, SDN)、NFV(Network Function Virtualization, NFV)新技術導入,電信商可採用通用硬體網路設備,服務功能並可依需求藉由軟體調整及遠端安裝,電信營運商可建構彈性架構,依需求及數量彈性配置,快速因應時變性網路需求並降低建置成本。

5G時代各式新技術導入後,催生了各類新型應用服務及商業模式,但對電信營運商或服務提供商也帶來新的挑戰;例如:傳統人工與經驗傳承的維運作業已無法滿足現況需求、現有設計及維運流程需再調整、完善運維發展流程、人員缺少電信及資訊複合技術維運經驗、強化現有系統智慧機能、系統間整合、資訊安全維護等,都是面臨5G新時代,電信營運商及服務提供商需要調整及精進之處。

()國內開放網路發展現況以中華電信為例

開放架構是未來電信網路重要發展趨勢之一,中華電信股份有限公司(以下簡稱中華電信)持續關注開放網路發展,積極進行前期規劃。2020年為國內首家加入國際O-RAN組織電信業者,並投入開放網路相關研發建置5G開放網路驗證環境,與國內產業界合作推動5G開放網路及新創應用在國內落地發展,包含執行國發會「亞洲.矽谷 5G創新應用計畫」,完成5G開放網路端到端(End-to-End)實網整合驗測環境建置,提供示範場域及端到端解決方案及驗證測試,並與耀睿(Auray)合作成立亞洲首座榮獲國際O-RAN聯盟認證的OTIC(Open Testing and Integration Centre, OTIC)開放網路驗測環境,提供國內網通業者自主研發設備驗證測試服務。

中華電信並與國內產業合作,在IEEE Globecom 2020大會展示O-RAN研發成果,包含5G智慧網路控制器、反射式陣列天線、外接式光路徑轉接裝置及MEC企業專網等相關應用;2021年並參與O-RAN全球插拔測試大會(Global PlugFest 2021)活動,協力推動國產設備發展;期待在相關產業發展邁向成熟之際,能穩健驅動既有網路架構的逐步演進,並協助國內產業進軍國際市場。

中華電信並將持續與國內5G 設備商合作,使用國產基站的 RU(Radio Unit, RU)、CU(Central Unit, CU)及DU(Distribution Unit, DU)等網元設備,於實際場域進行相關實證測試。後續並將持續關注國產O-RAN設備成熟度,企業專網將視場域需求,規劃優先考量國內O-RAN設備,藉由場域的實際驗證,提升國產基站之設備性能與穩定性,提供高速率、低延遲、大連結之5G專網服務。

四、 5G創新服務應用及展望

5G技術支援不僅提升傳統無線通信應用,現今垂直產業應用或企業專網應用因需求演進及改造強化服務,都需要和人工智慧、大數據分析、物聯網、感測技術等創新技術支援;其他如無人載具、擴增實境(Augmented Reality, AR)及虛擬實境(Virtual Reality, VR)、監控系統等企業或消費大眾垂直方案得以相互融合、協同應用,更催生多種新型應用或產品與商業模式,並可應用於未來VR/AR、視覺娛樂、超高畫質影音服務、虛實整合協作、智慧交通、智慧醫療、無人載具等智慧城市應用,增長產業生級、生活或工商應用加速演進的轉變動能。

藉由5G網路導入,運用高速率、低延遲及多終端等服務特性下,提供企業專用或民眾生活應用服務,舉凡食「醫」住行(智慧醫療、智慧農業、智慧建築、智慧家庭、智慧教育及娛樂等)、工商產業結合(智慧工廠、智慧物流、智慧零售等)、政府城市智慧治理(智慧交通、智慧能源、智慧巡檢)等相關應用,包羅萬象無所不在。

包羅萬象的5G創新應用
圖6包羅萬象的5G創新應用
資料來源:中華電信股份有限公司

新服務、新網路及新技術帶來營運商面臨新挑戰,但也提供新的市場商機及通信服務產業轉型的新契機。以中華電信為例,除了善用既有技術優勢,也以「廣結盟」理念,在雲端服務、終端設備、網路傳輸、邊緣運算、資訊安全等技術範疇,與相關領域的專業夥伴合作,激發5G創新應用,共創價值。針對智慧工廠、智慧交通、智慧巡檢、智慧醫療、智慧城市及文化科技等領域,在標竿企業完成驗證及打造實驗場域,建立垂直領域應用典範,並複製成功案例,擴大5G應用。

以智慧工廠為例,5G特性讓「製造業」成為「智造業」,讓生產運作變得更加靈活並兼顧效率,透過5G行動網路遠端監控及重新配置,能使工廠內的機械及設備自我優化達到生產線及整體規劃簡化。工廠無人車(Automated Guided Vehicle, AGV)傳統上多以Wi-Fi技術傳送AGV運行資訊,但其連線品質易受干擾,也有資安風險,加上移動切換不同Wi-Fi站臺時,需要重新連線,可能造成無人車斷線、停車狀況發生,影響產線運作;導入5G後提供寬頻無縫連線功能,尤其是超高頻毫米波應用,得到更高傳送速率。正因為5G具備高速傳輸的特性,應用AR遠端維護協作,透過擴增實境,讓位於不同地方的操作員,同步進行遠端協作,大大提升維運效能。以全球封測大廠日月光半導體為例,日月光與中華電信及美國無線服務商高通(Qualcomm),採用國內廠商技術,建構新世代5G智慧工廠;利用自動化、人工智慧、AR/VR及物聯網,讓「製造業」革新為「智造業」。

再以智慧交通為例,中華電信以5G通訊整合車、路、雲、網應用之車聯網(C-V2X)技術,讓車輛、行人與路側的交通號誌連結、協同運作,降低號誌變換的緊急煞車、行人違規穿越、大客車轉彎視覺死角及內輪差等交通意外,提升用路安全、交通順暢,並提升自駕安全技術,可加速自駕車服務上線。例如:109年及110年於新北市、桃園市與彰化縣完成自駕巴士接駁及多項5G車聯網服務應用專案,於新北市自動駕駛電動巴士系統測試運行計畫,提供淡海輕軌崁頂站至美麗新廣場自駕接駁;於彰濱無人載具實驗計畫,透過自駕車兩地接駁之實證運行,除了精進自駕技術外,更能帶動商圈數位化與人流發展;並於桃園市車聯網科技應用發展委託服務計畫,打造桃園市的車聯網研發基地,建置5G車聯網路,提供桃園車聯網產業進行服務開發驗證。

再如智慧醫療應用為例,應用5G高速率、低延遲特性,搭配終端量測設備及軟體,即時傳送高清影像,提供緊急救護及遠距醫療等方案,並提升遠距醫療效率。例如臺中榮總利用中華電信5G醫療專網,藉由遠端影像傳輸系統,進行雲端心導管手術會診,讓國內心臟科權威醫師討論醫療無時空距離,並可提供疫情衝擊下新型智慧醫療模式。另外,5G也在緊急救護工作上發揮效益,透過5G高速網路、低延遲,加上5G AR眼鏡,第一時間將病患資料傳送到醫院,體現「上車即到院」,把握黃金救命時間。

再以無人機巡檢為例,可代替人員突破地形及距離的障礙及時趕往現場,透過5G的高速率及低延遲,把現場影像即時回傳至無人機飛行管理系統,透過人工智慧分析影像及數據資料,提供指揮人員決策依據,有效降低人員風險。例如中華電信結合5G與無人機應用,提供場域巡檢服務,包括無人機任務規劃、派遣、無人機飛行狀態、無人機空拍影像串流、無人機事件異常告警等,未來更可應用於水庫巡檢、橋梁及鐵路巡檢、空氣品質偵測、災防救難等巡檢專業應用。

隨著5G、人工智慧、物聯網、VR/AR等周邊應用軟硬體技術日漸成熟,相關整合新應用更加熱門;例如原本企業為提升運維效率的AR/VR協作或智慧醫療及遠端會診之即時高畫質影音應用,藉由沉浸體驗、數位分身、虛實整合等技術導入,將其擴散成「元宇宙」或「區塊鏈」等虛擬應用的新世界,創造新型態虛擬生活,包含娛樂、消費、社交等新經濟型態的活動空間或虛擬城市;這對未來社會生活、消費行為、產業經營、城市治理等各層面向,都提供各種想像與創造空間。因此,未來各種新科技將因結合5G網路平臺帶來特性(高頻寬、低延遲、大數量)可創造出前所未有新服務與新想像,隨之而來的新加值服務與新經濟型態發生,將翻轉過去既有思考模式,創造無限可能與發展空間。

五、 結語

5G時代來臨,各種新技術注入新世代通信應用,雲端化、虛擬化、智能化新機能,造就各種新創服務並達到彈性、敏捷的新世代電信網路維運,不僅提升一般民眾生活便利行動通信服務,也滿足企業各種專業通信需求。開放化網路為未來5G應用重要演進趨勢,開放網路介面及設備標準現階段仍未完備,導入開放化衍生之整合及資安議題,電信產業仍須逐步克服。

展望5G技術帶來產業發展契機,掌握5G帶來高頻寬、低延遲、大連結等技術特性,善用相關產業優勢及未來需求,順勢啟動產業數位轉型,啟動5G時代全民智慧生活。

面對激烈競爭的全球市場,臺灣有很好的資通訊科技實力,也具地緣優勢,產業應攜手合作建立生態圈,以「打造臺灣智慧好場域、外銷應用服務到國際」的理念,進軍全球市場,促進臺灣產業與國際接軌,創造價值。在科技浪潮及地緣優勢雙重大趨勢下,臺灣將迎來最好的十年。

(本文作者為中華電信股份有限公司高級工程師)

  1. IMT Vision – Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond, RECOMMENDATION ITU-R M.2083-0(09/2015).
  2. NGMN 5G White Paper, NGMN Alliance, 2015.
  3. 5G Evolution Toward 5G Advanced: An overview of 3GPP releases 17 and 18, Ericsson Technology Review, October 13, 2021.

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