工業技術研究院 資訊與通訊研究所 湯曜任 黃有德 黃鉦淯 徐國晃 沈沅興 林萬怡
前言
5G專網頻段的機制提供各領域在5G網路的應用可以遍地開花，例如工廠可以建立自己的節能專網、無人機競賽可以有自己的電競專網等等。工研院開發了一套完整的5G O-RAN專網節能管理與通訊感知系統技術稱為Athena Orchestrator+，包含從網路的規劃、佈署、優化與維運，除了基於O-RAN架構的開放架構進行高效節能組網外，更將網路訊號作為感知辨識，擺脫影像監控或額外感測器的束縛，直接利用訊號判斷物體位置與大小，作為智慧化網管與進階應用的基礎。
精彩內容
1. 5G專網應用興起與網管解決方案的重要性
2. Athena Orchestrator+的基本架構與功能介紹
3. Athena Orchestrator+的節能管理解決方案
4. Athena Orchestrator+的通訊感知解決方案
5. Athena Orchestrator+後續研發技術與國際合作規劃 |
5G專網應用興起與網管解決方案的重要性
5G專網應用興起代表著新一代網路架構的變革，5G專網能夠讓許多企業建立完全自主可控的網路環境，從而實現更高的安全性和穩定性。此外，5G專網能夠根據不同的應用需求靈活配置，支持不同的網路優化和應用場景，例如：智慧工廠能夠根據生產需求調整網路頻寬，保證關鍵設備的低延遲運行，並通過自動化節能管理降低網路能耗。而無人機競賽等應用則需要高速且穩定的網路環境，來確保無人機之間的即時通訊和精準定位。
然而，隨著專網應用的多樣化，如何有效管理專網成為了企業面臨的重大挑戰。網管系統涵蓋整個電信網路生命週期的管理，包含規劃、部署、優化和維運階段。專網的部署和運營涉及複雜的網路規劃、頻譜分配、設備協同和節能管理等問題。因此，一個具備智能化網管功能的解決方案顯得尤為重要，能夠幫助企業實現自動化的網路部署、維運及優化，降低人力成本並提升運營效率。
Athena Orchestrator+基本架構與功能介紹
Athena Orchestrator+ 是一套基於開放式無線接取網路（Open Radio Access Network，O-RAN）[1]的完整網管解決方案，從規劃和部署到優化和維運皆一應俱全。Athena Orchestrator+的基本架構如圖1所示，可以分為3個極具特色的組網管理產品：Athena Planner、Athena EMS和Athena RIC。
圖1 Athena Orchestrator+的基本架構圖
Athena Planner：網路布建規劃建議
在專網尚未布建前，傳統系統整合商需要對實際場域進行現場勘測，根據預期達到的專網布建效能，規劃基地台的布建位置與參數配置。然而這亟需非常有經驗的專家以及耗時的路測檢驗才能達到預期的布建效能。Athena Planner的產品解決了這樣的專家議題，透過簡易的場域3D布置設計，以及基地台可布建的位置設定，即可在1小時內快速協助系統整合商進行布建規劃的建議與模擬評估，縮短專網規劃時間的同時，也控制平均3 dB誤差的高精準度，供各式專網效能模擬參考。
Athena EMS：自動化網路部署
當系統整合商依照專網布建規劃完成基地台布建後，傳統網路的部署作法會需要由工程師逐一針對這些基地台進行參數的配置與啟動，但這種做法相當耗時，也難以避免人為的操作疏失。如何將合適的參數有效率且快速地部署到專網中各個基地台上，便成為接下來在網管生命週期中會遇到的難題。Athena EMS的產品導入網路自動化部署的功能，根據事先規劃好的基地台組態參數設定，可透過O-RAN基地台標準規範O1與M-Plane介面，自動將相關參數設定部署到100台基地台，使網路能依照部署規劃來啟動與運行。此外，Athena EMS也支援基地台虛擬化的部署，透過O-RAN虛擬化技術標準規範O2介面，可在基於Kubernetes的O-Cloud雲端平台上，根據規劃自動部署基地台的虛擬化網元。當基地台資源不足時，亦可進行虛擬化網元自動擴展，徹底實現專網基地台的自動化部署。
Athena RIC：多元網路應用的自動化網路優化維運
一旦基地台啟動後，專網便可開始提供服務。隨著不同的應用加入到專網中，網路的持續優化和維運將會影響後續網路的效能與穩定性。在此階段，傳統的作法會需要熟悉各種不同應用的專家團隊來協助判斷當前最合適的網路參數配置，此外也需要有基地台工程師的配合來完成優化與維運的配置。Athena RIC的產品引入類似App Store概念的RIC平台，可根據專網應用情境安裝各種自行研發或第三方提供的rApp與xApp專網管理解決方案，減少人為判斷錯誤與操作疏失，透過自動化降低網優與維運的成本。而工研院也根據常見的專網管理議題，提供節能管理、流量導引和干擾緩解等各種rApp與xApp，以及針對6G先期的技術，提供網管具備感知網路的能力，提升Athena RIC在多元專網應用管理的解決能力。
Athena Orchestrator+的節能管理解決方案
因應節能減碳的全球趨勢，在眾多專網應用解決方案中，節能管理是目前被極為重視的議題。為解決5G行動網路設備的大量耗電情況，Athena Orchestrator+發展了一套節能管理解決方案，整合流量分析、綠電調度的動態節能管理平台，不僅提升電信網路的運營效率，更整合國產設備業者，發展網路節能減碳的解決方案。目前本節能管理解決方案已建置在經濟部南台灣創新園區進行運作，今年也新增沙崙智慧綠能科學城區域，與不同業者合作，建立多場域的電信網路節能實地驗證（圖2）。
圖2 電信網絡節能應用平台
圖3為本綠電調度的動態節能管理平台架構示意圖，包含動態節能調度技術、綠能專網用量預測與監控技術和機房節能調度技術，分別說明如下。
圖3 綠電調度的動態節能管理平台
動態節能調度技術
整合了人工智慧機制的流量預測和節能策略工具，這些工具可以預測流量熱區和冷區，並在能耗最小的時間點進行節能調控，本策略在實證場域中平均每週節省達22%的能耗。
綠能專網用量預測與監控技術
為了降低碳排放量，我國政府訂定2025年再生能源發電占比15.5%政策目標，其中以太陽光電為主，預計2025年容量達20GW [2]。政府藉由導入太陽能光電系統，建立專網場域綠電使用範例，以提高整體再生能源使用比例。因此Athena Orchestrator研發多元能耗數據管理平台（圖4），開發電信網路即時用電與未來用電預測、綠電資料收集、綠電監測與預測等技術，以掌握再生能源的使用與配置狀況，並建立綠能專網使用案例。透過主動式智慧動態綠電調度技術，即時調整電信網路綠電用量比例並穩定供電，並結合其他發電方法以提供5G專網之用電，以藉此降低市電用量。對此，在提供再生能源的同時亦能降低其他發電方式的碳排放量。
圖4 多元能耗數據管理平台
機房節能調度技術
機房空調的節能調控是電信網路節能技術之一，針對低流量或離峰時間，啟動節能管理功能。當使用率下降後，可以對機房空調溫度進行調整，長時間提高溫度以減少冷氣耗能。系統主要針對機房進行節能調控，發展電信機房能耗管理技術，根據場域使用狀況，開發機房環境監控技術與節能控制技術，配合既有的基地台開關機控制技術，建立多層次的節能控制。
Athena Orchestrator+的通訊感知解決方案
Athena Orchestrator+ 在專網的運作過程中，利用無線訊號電磁波特性，自動感知環境狀態，週期性的收集基地台網路效能和能耗資訊來建立專網節能預測模型。在O-RAN的無線網路框架下，得以將效能資訊轉化為控制基地台的指令，藉以保有基地台運作的同時，達到各種應用情境的能耗門檻需求，也可根據應用情境的特定需求進行自定義化的配置。效能資訊包括流量負載、服務使用者人數與吞吐量等訊息；而能耗資訊包括基地台網元（O-CU、O-DU、O-RU）之內容。通訊感知解決方案包含通道資訊分析技術和豐富資訊交換技術，另外針對節能議題也有相應的智慧感知節能技術的應用，相關技術分別說明如下。
通道資訊分析技術
為求即時動態的環境下，得以更精準地協助網路管理系統能夠進行網路優化以及應用服務加值，本技術經由蒐集所有基地台通訊時的通道資訊（Channel State Information，CSI），進一步以人工智慧和機器學習技術來分析包含距離、速度與角度等資料，再進行感知資訊預處理，包含降躁、多筆資料疊加與特徵強化等方式提升感測精準度，並將多個基地台的資訊進行統一融合映射至空間座標點雲圖。將CSI資訊轉換成空間環境反射物點雲資訊，透過原人工智慧模組可進行感知與辨識，以推導出定位、動作辨識與移動偵測等不同應用，供專網管理系統及應用服務使用。
豐富資訊交換技術
Athena Orchestrator+支援5G世代下的O-RAN架構的網路部署，在未來新世代的網路部署架構下也提供了良好的支援，也利用O-RAN定義的豐富資訊（Enrichment Information，EI）介面來取得更多場域資訊以改進節能預測的精確度。O-RAN豐富資訊界面是O-RAN組織所定義的O-RAN網路與外部應用服務之間進行資訊交換協定，利用外部應用服務所提供的資訊，將能夠大幅度的提升預測模型的精確度。以智慧工廠專網為例，除了O-RAN性能資訊和能耗資訊外，網路流量特徵會受到工廠外部運作因素的影響，透過收集工廠營運資訊，如產品訂單狀態、員工加班資訊、員工出勤及設備設定等，將數據資料使用於節能預測模型上，以能做出更準確的預測結果。並經由精準的預測模型，Athena Orchestrator+採動態式調整基地台的休眠與最佳化資源分配，以最大限度地減少能源消耗，亦可同時維持所需的效能目標不變。
智慧感知節能技術
在未來的通訊世代下，網路部署的應用情境日趨複雜，為了有效調度通訊資源（時域和頻域）與算力資源，Athena Orchestrator+經由收集該情境下的效能和對應的能耗資料來訓練節能預測模型，根據收集即時或歷史網路效能與能耗等數據，進行後續的使用需求預測，此外預測模型也即時性進行效能監控與定期重新訓練，以隨時保持預測之準確性，同時亦可蒐集這些網元以及終端的位置和體積等靜態資訊，藉以達到整體環境的訊號覆蓋率，以及保有優異的能耗比。
得獎與國際合作規劃
Athena Orchestrator+為5G發展帶來突破性的貢獻，也獲得多項國際大獎的肯定（圖5）。於2020和2022年兩度獲得「全球小型基 地台論壇獎Small Cell Forum Award」的肯定，也讓台灣的小型基地台智慧化管理技術揚名國際，並於2023年獲頒素有「創新界奧斯卡獎」美譽的愛迪生獎（Edison Awards）最高榮譽金牌獎殊榮，以及全球百大科技研發獎（R&D 100 Awards），卓越表現驚豔全球科技界（如圖5）。
圖5 Athena Orchestrator榮獲多項國際大獎肯定
近年工研院將與全球的5G技術供應商、設備製造商和運營商展開合作，針對更多5G和6G應用，例如意圖組網優化、可重構智慧表面（Reconfigurable Intelligence Surface，RIS）網元控制、通感融合、干擾緩解和能源效率等，將Athena Orchestrator+與解決方案推向國際市場，成為全球5G甚至6G專網解決方案的領導者。
結論
Athena Orchestrator+的技術開發並不止步於現有的功能，除了目前的研發成果外，未來Athena Orchestrator+亦將導入意圖式組網（intent-driven management）技術，讓組網管理可以跟和使用ChatGPT聊天一樣簡單，只需要說出組網管理的目標，例如：請幫我把網路的吞吐量提升20％，Athena Orchestrator+即可正確理解使用者的網管意圖，並且選擇正確且相應的解決方案來執行，實現使用者對網路的管理意圖。此外，毫米波（mmWave）也是未來高速無線通訊的關鍵，但毫米波基地台的訊號非常有指向性，且訊號穿透障礙物的能力弱，一些6G先期研究將結合新興網元RIS來改善毫米波穿透力弱的問題。Athena Orchestrator+也將納入RIS的布建規劃與反射角相位控制技術，從而實現提升系統對訊號的精確控制和穩定性。而網路感知技術的部分，目前尚以感知具備連網能力的靜態終端為主，但實際還需考量的物體除了具連網能力的動態終端，如自動導引車（Automated Guided Vehicle，AGV）和自主移動機器人（Autonomous Mobile Robot，AMR），以及無連網能力的物體（如牆面、障礙物和人體）。透過無線訊號的感知能力來定位環境中有無連網能力的物件，並在RIS的輔助下，可將無線訊號反射至訊號弱區或死角區，提供連網能力的終端裝置更好的連網服務，得以提供該應用情境無線訊號全面的覆蓋率，透過網路供應商針對該專網情境下的終端位置以及障礙物位置，進行能耗需求的動態部署。圖6展示了未來在智慧工廠中的應用服務情境，Athena Orchestrator+可結合意圖組網、RIS反射角度優化控制、網路靜動態物體感知能力來簡化組網管理的複雜度，同時提升對網路訊號的控制能力和網路效能。
圖6 新世代通訊網路智慧工廠應用情境
5G與未來6G專網的發展將為各行業提供前所未有的新機遇，而Athena Orchestrator+作為一套完整的節能管理與通訊感知系統技術，為企業提供了靈活、高效的專網解決方案。通過O-RAN的開放架構，該系統實現了不同廠商設備之間的互通性，並通過創新的節能管理和通訊感知技術，為企業降低運營成本的同時，提供了更多智慧化應用的可能性。隨著技術的持續發展和國際合作的推進，Athena Orchestrator+將在5G專網的未來發展中扮演越來越重要的角色，助力全球5G技術的創新與應用。
