前言
全球5G垂直應用蓬勃發展，5G專網需求急劇增加，預估至2030年有36億美金的產值，然而專網布建過程繁瑣，如果在布建階段沒有完整規劃會大幅影響後續維運時的網路優化效果，因此在設計階段即需要一套完整的網路布建規劃技術來確保其網路可擴展性與易維運性。尤其5G高頻段的衰減特性明顯，一個應用場域中往往需要多個訊號發射源同時服務，因此多個訊號發射源的布建數量、位置、發射功率等參數設計相當重要。line of sight（LOS） 與 non-line-of-sight（NLOS）的影響更會導致訊號死角的產生，如何有效準確的決定傳播衰減模型並根據基地台之無線電單元（Radio Unit, RU）、分散式單元 （Distributed Unit, DU）、集中式單元 （Central Unit, CU）規格盡可能打造符合場域目標的規劃結果，同時需要盡可能避免干擾可能性，為網路規劃軟體的重點技術。本篇將特別介紹工研院自主開發的5G專網智能布建平台-Athena Planner最顯著效益在於維持場域訊號分佈（Service-Level Agreement, SLA）目標下可大幅降低布建成本，且已於2023 Techday 的B5G／6G專家論壇中完整介紹，並在B5G一站式專網規劃與優化技術攤位與業界先進互動交流。
精彩內容
1. 全球專網市場規模與商機
2. 5G網路布建流程
3. 5G專網智能布建平台 |
全球專網市場規模與商機
根據資策會產業情報研究所（MIC）整理的5G專網市場營收預估，2026年全球市場規模可望成長至2,518億美元，至2030年全球市場規模更可成長至10,939億美元，年複合成長率達34.15%，且可應用在智慧工廠、醫療保健、智慧城市、智慧農業及教育娛樂等領域，在企業專網的調查根據GSA（Global mobile Suppliers Association）於2023年2月份的報告，截至2022年底，全球企業專網的部署數量已達1,077座，相較於2021年的756座，增長了42.4%。5G的主要應用領域包括工業製造、能源與設備、醫療、智慧車輛、公共運輸以及消費性電子產品，工業製造方面，5G技術佔據了整體應用產值的32%，大多為實現高度自動化的生產線，提高生產效率並降低成本，而醫療領域的應用占15%的市場份額，主要用於遠距醫療提高臨床療效加速醫療決策過程，另外在智慧車輛和公共運輸共同佔產值25%，用來實現先進駕駛輔助系統，最後，消費性電子產品領域占據10%的市場份額用於串聯各種智慧家電，提供更便捷的生活方式。
另外，根據5G ACIA（5G Alliance for Connected Industries and Automation）的定義依企業場域端之需求，透過網路切片模式、混合式布建模式或獨立組網模式布建網路可將專網分為四種類型，第一種是企業擁有專屬基地台及核心網路的完全自建專用網路的獨立型專網、第二、三種是企業與電信運營商合作共用基地台，獨立或共用用戶平面功能（User Plane Function, UPF）模式，及第四種網路切片模式的共享型專網。其中，獨立型專網指企業完全擁有和控制專網的架構，獨立部署方式提供最高的隔離和安全性，企業可以根據特定需求和要求自定義專網，但同時企業需要承擔較高的部署和運營成本以及複雜性最適合其特定應用場景和需求的彈性，包含基地台部署、頻譜分配、核心網路建設及網路管理皆可進行根據需求客製化，具有最大的潛力，如圖1所示。
圖1 5G專網獨立組網示意圖
因專網網路高度可控與頻段使用高度自主的特性，可以讓網路管理者因應不同應用需求發揮5G大頻寬與低延遲的技術特性，因此在全球陸續掀起浪潮，越來越多國家均開始定義專頻專用之法案，推動專網應用落地案例。
5G網路布建流程
國家通訊傳播委員會（NCC）在2022年通過5G企業專網管理辦法，企業可以獲得長達10年的5G專網使用執照行，隨之於2023年06月，數位發展部發布「行動寬頻專用電信網路設置使用管理辦法草案」，包含籌設申請、網路設置申請、電台管理、頻率使用證明核換發等管理事項，推動創新應用的發展，並促進數位轉型，同時為企業提供了更多的支持和資源。
在5G專網布建流程為規劃、設計和最佳化校正（參考圖2）。在規劃階段須考量到應用種類與網路可擴展性，在設計階段則須依據應用服務的網路需求與基地台／天線參數來評估可行性，最後則在場域實際量測訊號完成訊號校正並考量布建成本提供布建建議。
圖2 5G專網布建流程
5G專網智能布建平台-Athena Planner主要功能為規劃基地台的位置、數量與參數來實現最佳的訊號覆蓋和品質，有效率地規劃5G網路。網路布建規劃的好與壞不論是對於營運商或是企業都是一大挑戰，將嚴重影響網路品質和維運成本。不良的網路布建規劃包含沒有考量到頻寬規畫、網路配置或未來擴展性，易導致網路壅塞、連接不穩定及數據損失等問題。傳統上，在規劃5G專網網路時，大多由系統整合商的網路規劃工程師依照個人經驗來判斷，但依靠經驗的規劃方式自然成效不彰，且具備高不確定性。專網布建品質依據工程師的專業度導致規劃不一，即便有經驗也無法確保依照此布建的場域訊號可以如想像的分布，導致未來場域維運上的困難。為了應對這些挑戰，有一套專業易用的部署規劃平台顯得相當重要，可大幅降低布建成本又可提高後續易維運性。
5G專網智能布建平台
工業技術研究院自主研發的5G專網智能布建平台（Athena Planner），是一套專為5G專網設計支援5G訊號分布運算與布建規劃建議功能的技術平台，取代傳統仰賴網路規劃工程師經驗的單方面部署決策並提供可視化的訊號分析，可根據需求來規劃場域基地台的位置、數量與參數的工具，使用者只需提供訊號發射源的可布建位置與規劃目標，Athena Planner能提供以最低的成本規劃且符合規劃目標的布建規劃建議（站址建議），參考圖3為可發射源選址示意圖。
圖3 5G專網智能布建平台選址示意
Athena Planner提供5G無線網路訊號模擬和5G無線網路站址規劃功能，透過拖曳式的圖形使用者介面（Graphical User Interface, GUI）操作以及基本設定，即可快速地完成場域建模，參考圖4為主要編輯畫面，在圖4中間可上傳場域的格局圖，左邊的元件分別為可支援四種障礙物類型、終端、可布建基地台位置、既有基地台位置、特殊區域訊號分析，將這些場域內的元件移動至中間完成2D建模，而右邊的設定區域則可調整基地台的參數、元件的詳細三軸座標位置、以場域覆蓋為規劃目標或以行動終端為規劃目標等設定，本平台將根據基地台的位置與參數，提供詳細的訊號分佈狀況資訊，如圖5 2D及3D訊號熱點圖，包含訊號強度圖、訊號覆蓋圖、訊號品質圖、上下行傳輸速率圖等，全面可視化訊號在不同設定下的傳輸情況，並幫助使用者了解環境的5G網路分布情況。
圖4 Athena Planner 5G專網環境建模功能
圖5 2D及3D訊號分佈圖結果示意
Athena Planner的特色在於具備完整專網規劃布建的功能，功能特色如下:
- 支援訊號衰減模型校正
訊號衰減模型用於估計無線訊號在傳播過程中的衰減程度，建築物和其他障礙物對於無線訊號的傳播有重大影響，如圖6所示，使用者可以自行輸入訊號衰減模型或提供場域多個位置量測到的訊號強度讓平台自己回歸屬於此場域的訊號衰減模型，將此專屬模型來計算訊號分布狀況即可大幅提升準確度。
圖6 調整訊號衰減模型功能
- 支援天線管理
天線的場型與擺放方式直接影響著訊號的分布狀況，本平台內建提供多家市面上的全向性與指向性的天線規格供使用者選擇，使用者可依此憑據來決定布建預計使用的天線類型，也可讓使用者自行上傳天線場型，當選擇使用的天線即會以其天線場型分布去計算訊號衰減，如圖7所示。
圖7 天線管理功能
- 支援分佈式天線系統（Distributed Antenna System, DAS）
因應成本考量，多數基地台會支援DAS，即一個基地台有多個發射源，避免掉干擾也可擴增訊號覆蓋率，本平台支援DAS的模擬計算與布建規劃，提供最低布建成本的建議，參考圖8說明。
圖8 支援DAS天線系統
- 支援可重構智慧表面（Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS）計算
RIS是一種利用智能表面來反射和控制電磁波的技術，它可以補強5G專網的覆蓋範圍和效能，只要透過較低成本的RIS元件即可補足訊號覆蓋空洞而不需要規劃再加一台基地台更可能增加訊號干擾問題，如圖9所示，Athena Planner支援RIS的訊號運算畫面示意，使用者可以設定RIS擺放位置與角度、反射密集程度即可計算反射效果，提供低成本的布建參考規劃。
圖9 支援模擬RIS計算
未來發展與結論
Athena Planner已在國內多個場域完成驗證，本平台預測估算信號強度與實際值的平均誤差在5dBm以內，表示模擬出來的結果與實際結果非常接近，為一套具備易用、快速上手且可自主迭代優化的專網布建平台。隨著驗證越來越多的場域將更加提升準確度並簡化校正步驟，如累積更多場域的量測數據並整合更多數據透過AI進行空間分類統計，提高訊號校正的效率，減少未來的布建時間及成本等優化方法。未來為增加滿足使用者的需求，預計支援自訂障礙物形狀、弱訊號區、換手區與干擾區分析、即時游標訊號模擬繪圖等更進階的功能。同時隨著5G網路元件組成的越趨複雜，除了現階段開始支援RIS網元的計算與規劃，Athena Planner也將支援5G／WiFi混合組網的情境，可依據應用服務需求提供客製化網元布建規劃建議，精準的滿足場域服務所需要的網路品質需求。在未來隨著5G應用擴散，期許本平台大幅度的應用在各式5G專網場域布建規劃，降低布建成本提高可維運性使得5G應用更容易擴散，組成正向循環催生更多5G應用可能性。
參考文獻
[1] Value of 5G Market Will Reach US$37 Billion in 2026 as Applications Related to Metaverse Act as Notable Demand Driver, Says TrendForce, 19 January 2023.
[2] GSA-Evolution from LTE to 5G, July 2022.
