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「萬物聯網」近了—— 5G 核心網路如何實現人類更美好的生活?

科技大觀園_96
・2022/01/07 ・3034字 ・閱讀時間約 6 分鐘

當大家開始大量使用美食外送平台 foodpanda 及 Uber Eats 的服務,可能沒有特別注意到,這是因為 4G 結合手機定位功能,才能打造完善的平台服務;2020 年起台灣全面進入 5G 世代,愈來愈多民眾開始享受 5G 服務,但 5G 除了傳輸速率更快以外,對我們的生活會產生何種翻天覆地的改變?

我們特別專訪開發出全球第一套開放原始碼(Open Source)5G 核心網路軟體 free5GC 的陽明交通大學資訊學院院長陳志成,以他橫跨學界與業界的豐富經驗,不只為我們解析 5G 的技術優勢及應用領域,也將闡述 5G 核心網路對台灣產業的重要性;以及年輕學子應如何從 5G 的發展趨勢中,找到適合自己的職涯方向?

5G 更快的傳輸速度擴大應用層面

「過去從 1G 到 4G,主要都是服務『人』,到了 5G 世代,服務對象多了形形色色的機器。」陳志成一語道破 5G 與過去幾代行動通訊技術的最大差異。

5G 不僅擁有比 4G 快出約 100 倍的網路傳輸速度,更擁有低於 1 毫秒的網路延遲,且可支援上萬裝置的連結,這些特性讓 5G 帶來通訊網路架構的革新,也創造出更多元創新的行動網路服務,更多的物聯網、車載、穿戴式裝置都將加入到 5G 網路中。「不管是路上的車輛、智慧工廠中的機械手臂、遠距醫療的手術刀,都得靠 5G 的技術優勢才得以完整實現。」陳志成這麼說。

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他進一步舉例,現在醫療機構在傳輸病理切片影像時,因為有些檔案可高達 10GB,經常傳了一分鐘還沒有成功,讓醫生等得不耐煩,後來乾脆採用傳統的燒製光碟方式再交給醫師讀取,這時就很需要 5G 的高頻寬;又如汽車行駛在馬路上,與其他汽車、道路基礎建設之間,如可透過超低延遲的 5G 來溝通,就能掌握彼此的位置及距離,甚至在事故發生之前即時警告,提高行車安全與便利。

和 4G 相比,5G 對我們的生活產生的影響會更大。陳志成解釋說,5G 不再只屬於電信通訊產業,其與任何產業都有關係;例如教育產業可透過 5G 實現更完整的遠端教學,讓學生擺脫學習時間與空間的限制;在醫療產業,過去基於安全考量未能實際應用的遠端外科手術,也因為超低延遲的 5G 未來得以成真;一般民眾因為疫情無法線下交流,也可透過 5G 支援的擴增實境/虛擬實境(AR/VR)技術,就像實體互動一樣真實。

陳志成指出,5G 不再只屬於電信通訊產業,其與任何產業都有關係圖/Pixabay

不只做手機、基地台,臺灣也能自製核心網路

從 4G 邁入 5G,技術架構與應用層面都產生巨大的變化,也讓核心網路的重要性日益受到關注。

用手機打電話或上網,背後所運用到的技術可統稱為「通訊系統」,通訊系統可大致分為三部分,分別是「終端(手機)」、「基地台」與「核心網路」,而「核心網路」相當於是整個通訊系統的地基,當核心網路串聯基地台後,才能處理終端發出的請求,或連結其他網際網路資源。

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5G核心網路運作示意圖。圖/free5GC

「一般民眾只注意到手機終端與基地台,但背後的核心網路在 5G 時代扮演關鍵角色。」陳志成強調,5G 時代核心網路不僅負責資料傳輸、安全認證、行動漫遊等功能,更可透過軟體化、虛擬化等技術,滿足高客製化、多元化的應用需求。

不過,在整個通訊產業鏈中,過去 20 多年來台灣僅在手機及終端裝置較有著墨,進入 4G 世代後才開始有較多台廠投入小型基地台,至於在核心網路方面則是一直缺席,一旦基地台需要與核心網路進行介接測試,往往必須看諾基亞(Nokia)、愛立信(Ericsson)、華為等國際大廠的臉色,讓台灣廠商頗有怨言。

所幸由陳志成帶領的通訊服務與軟體研究中心(The Communication Service/Software Laboratory;CS Lab),獲得科技部支持,歷經多年研發,於 2019 年開發出全世界第一套完全依照 3GPP R15 標準的 5G 核心網路開源軟體 free5GC,可應用於多元的 5G 專網應用場景,讓核心網路不再成為台灣 5G 產業鏈的致命傷,也補齊了最後一塊關鍵拼圖。

成立新創公司禾薪,瞄準 5G 專網商機

事實上,陳志成從 1998 年取得美國紐約州立大學水牛城分校資訊工程博士後,就加入前身為貝爾實驗室(Bell Labs)的 Bellcore(後更名為Telcordia Technologies),專注於核心網路的研發,從 3G、4G 一路做到 5G,至今已有超過 20 年的時間。

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讓他大感意外的是,free5GC 推出之後,在業界獲得的迴響比學界更多。由於深刻感受到業界對核心網路的高度需求,加上政府、學校都非常鼓勵其成立新創公司,因此該團隊在 2021 年 4 月成立了禾薪科技,並以布農族語的玉山(Saviah)為公司英文名,藉以凸顯是來自台灣的技術。

「這次創業其實不在我原先設定的人生目標中,但我們認為以公司型態運作,比實驗室更有資源與能力來支持合作夥伴!」陳志成說出其步上創業之路的背後動機,「現在台灣終於可以掌握 5G 產業的一條龍技術,不再像過去總是綁手綁腳,經常要受制於外商。」

放眼市場的競爭者,目前除了傳統國際電信設備大廠以外,許多網路及軟體業者也都積極介入,例如微軟(Microsoft)連續收購 Affirmed Networks 及 Metaswitch,而思科(Cisco)也摩拳擦掌。

「因為核心網路的門檻很高,全世界的競爭者屈指可數,台灣也僅有我們與資策會兩個團隊是自主研發的。」陳志成強調。由於 free5GC 佈局很早,目前在日本與美國市場均有商業化導入,合作夥伴則包括中華電信、明泰、鈺登、智邦、研華、四零四科技、辰隆、仁寶等台灣廠商,以及英特爾(Intel)、富士通(Fujitsu)等國際廠商,在台灣 5G 國家隊的團隊合作下,未來有機會與微軟、思科等國際大廠一較高下。

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陳志成表示,現階段電信業者主力仍在提升 5G 基地台的覆蓋率,下個階段則將走向各種垂直應用,預期 5G 專網市場也將逐步起飛。據 IDC 等研究機構統計,2025 年台灣將有五成的企業採用「5G 企業專網」,其中以半導體產業及相關高科技領域佔多數,換算起來屆時台灣將有超過 3,400 家企業建置 5G 專網,相關商機值得期待。

Antenna, Antennas, Base, Building, Cell, Directional
電信業者正積極提升 5G 基地台的覆蓋率,當網路建構完整後,預期 5G 專網市場也將蓬勃發展。圖/Pixabay

小資訊無所不在,跨領域人才搶手

在 5G、人工智慧的時代,資訊科技與各行各業的融合日益深化。陳志成強調,資訊早期是從數學、電機領域分出來,但現在資訊已經無處不在,選擇資訊科系的發展空間很大,出路也愈來愈多元化。

對於年輕學子的學習有何建議?他認為應該從小培養邏輯思考能力,不見得要會 coding,但可以學習用程式工具來解決人腦不易解決的問題,另外則要多方嘗試學習,儘早找到自己的興趣。

陳志成以自己一輩子專心做好一件事——核心網路的經驗為例,鼓勵學子深耕有興趣的一個特定領域,鑽研久了就有機會做出一些成績;另外他也以美國大學教育的發展趨勢提醒大家,資訊與各領域的結合日益普遍,例如資訊加心理、法律、政治、經濟、使用體驗、商業、工程、醫學等,「如果資訊科系的學生能適當培養跨領域能力,未來在就業市場一定會有更好的競爭力。」

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1126 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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如何確保訊息無誤?錯誤更正碼大揭密
數感實驗室_96
・2024/07/03 ・476字 ・閱讀時間少於 1 分鐘

你有沒有想過,當我們用手機打電話、發簡訊,或者用電腦上網時,訊息是如何在短短幾秒鐘內傳遞到世界的另一端?這背後有一個重要的技術,叫做編碼與調變。

簡單來說,編碼是把我們的資訊轉換成適合傳輸的格式,而調變則是把這些編碼訊號載入到傳輸介質中,無論是電波、光纖還是其他方式。透過這兩項技術,我們才能在繁忙的城市街道上、偏遠的山區裡,甚至是高空中的飛機上,隨時隨地進行無縫的溝通。

在這過程中,錯誤更正碼可以起到哪些幫助呢?

這些技術雖然複雜,但它們在我們日常生活中的應用卻是無處不在的。如果你對這些內容感興趣,未來還有更多的通訊技術值得探討,例如量子通信、光通信和毫米波通信等。這些新興技術將如何改變我們的世界,又會帶來哪些前所未見的便利和挑戰呢?

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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通信三本柱:通信模型大解密
數感實驗室_96
・2024/06/30 ・654字 ・閱讀時間約 1 分鐘

想像一下,你和朋友在咖啡廳聊天。這看似簡單的互動,其實包含一個基本的通信模型喔。你是傳輸端(transmitter),朋友是接收端(receiver),而環境中的其他聲音則構成了通道(channel)。這三者共同組成了基本的通信模型。在接下來的文章中,我們將深入探討這個模型的每一個部分,並了解它們如何影響我們日常的通信體驗。

以上就是數位通信系統的三大支柱:傳輸端、通道和接收端的簡單介紹。實際上,它們的功能遠不止於此,整個通信系統的複雜程度超乎想像。除了數位物理層的演算法和電路設計外,還涉及類比電路、網路層等不同面向,真的是一門博大精深的領域。

通信技術致力於解決全球數十億人每天遇到的實際問題。如果你對於挑戰高難度的數學、物理、演算法問題感興趣,這將是一個充滿寶藏的領域。成功解決這些挑戰,不僅具備巨大的商業價值,更能推動通信科技的進步,提升全人類的通信體驗。你是否已經躍躍欲試了呢?

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數感實驗室_96
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