重新思考6G時代的大規模物聯網

隨著3GPP Release 20正式啟動，行動通訊產業已邁入 6G 標準化研究階段。此階段至關重要，因為早期的架構設計決策，往往會影響未來數十年的技術發展方向。對於大規模物聯網（Massive IoT）而言，6G提供了一個難得的機會，重新檢視過去在截然不同的技術環境與市場條件下所建立的設計假設，並思考如何因應現今應用需求與流量型態的演變。

大規模物聯網的演進

LTE機器型通訊（LTE for Machine-Type Communications, LTE-M）與窄頻物聯網（Narrowband Internet of Things, NB-IoT）是 3GPP 為大規模物聯網所制定的兩項關鍵技術。兩者於 2015 至 2017 年間推出，旨在因應大規模連接低成本、電池供電裝置的需求，並提供廣域覆蓋。

自推出以來，這兩項技術已快速普及至全球，目前已支援數十億台已部署裝置，且每年新增數億個連線。根據最新一期《愛立信行動趨勢報告》，僅在 2025 年，全球便新增 2.4 億個大規模物聯網連線。此外，非地面網路（Non-Terrestrial Networks, NTN）的興起，也進一步推動了相關物聯網技術的市場發展。

然而，實際的大規模物聯網部署發展，已逐漸偏離 2010 年代中期制定 3GPP 規範時的原始設計假設。如今，裝置間的通訊更加頻繁，傳輸資料量也遠高於預期，並日益仰賴與應用伺服器之間可靠、雙向且以交易為基礎的通訊模式。韌體更新、安全修補、群組通訊，以及與雲端應用更緊密的整合，如今都已成為日常需求，而非例外情況。

因此，許多原本為最佳化早期大規模物聯網應用而設計的機制，如今反而增加了系統複雜度，卻未能帶來相對應的效益。如果 6G 僅延續既有的所有功能，不僅會使低階裝置承受不必要的複雜性，也將對控制層（Control Plane）網路功能帶來額外負擔。

因此，6G 大規模物聯網不應只是 LTE-M 與 NB-IoT 的延伸，而應以實際部署經驗為基礎，結合現代流量型態的演變，推動更精簡且更符合實際應用需求的新一代演進方向。

4G 與 5G 的大規模物聯網：哪些設計成功？哪些需要重新思考？

LTE-M與NB-IoT的成功，建立在幾項至今仍然適用的核心設計原則之上：

• 低裝置成本與低營運成本，支援大規模部署。
• 長效電池續航力，使用壽命通常可使用數年。
• 完整的端到端安全機制，包括加密與資料完整性保護。
• 支援應用與網路之間的互動，使雙方能夠相互影響運作方式。

為了達成上述目標，3GPP陸續在4G與5G中導入多項技術，包括：

• 擴展型非連續接收省電模式（Extended Idle State Discontinuous Reception，eDRX）
• 可讓用戶設備（UE）進入深度休眠的省電機制，包括省電模式（Power Saving Mode，PSM）及僅允許裝置主動發起連線（Mobile-Initiated Connections Only，MICO）
• 連線釋放協助機制（Release Assistance Indication，RAI）
• 控制層資料傳輸（Data over Non-Access Stratum，DoNAS）、連線暫停與恢復程序，以及喚醒訊號增強功能，包括喚醒訊號（Wake-Up Signal，WUS）與喚醒接收器（Wake-Up Receiver，WUR）。

上述每一項功能，都是為了解決當時特定的技術限制而設計。然而，隨著技術持續演進，這些功能不斷累積，逐漸形成一套日益複雜的功能架構。在現今的流量型態與裝置能力下，部分機制已難以展現與其複雜度相對應的效益。對於 6G 而言，關鍵不在於如何保留每一項既有的最佳化機制，而是在保留其優勢的同時，進一步簡化整體系統架構。

大規模物聯網實際部署帶來的重要經驗

多年來，大規模物聯網已廣泛應用於公用事業、資產追蹤、智慧城市及工業監控等領域，累積了豐富的商業部署經驗，也歸納出一系列一致的觀察結果。這些實務經驗將成為決定 6G 應保留、優先發展或逐步淘汰哪些機制的重要依據。

1. 控制平面與用戶平面的物聯網最佳化機制，皆能提供相近的省電效益
   大規模物聯網最初採用控制層資料傳輸，其中一項主要考量就是能源效率。當時預期，透過避免建立完整的用戶層（User Plane）連線，可以大幅減少訊號傳遞及裝置耗電。然而，實際的大規模部署結果顯示，控制平面與用戶平面層的最佳化機制，在延長電池續航力及降低訊號負載已能提供相近的效益。快速連線暫停與恢復程序，以及 5G 導入RRC Inactive連線狀態等技術，已大幅降低用戶平面通訊所需的額外負擔，使得兩者在許多應用情境下的差異已微乎其微。這也顛覆了過去認為控制平面資料傳輸應持續作為未來大規模物聯網核心設計基礎的假設。
2. eDRX的效能通常優於PSM
   由核心網路設定、使UE無法接收下行通訊的機制（PSM與MICO），可讓UE進入深度休眠，非常適合僅主動發起上行通訊、不需要維持下行可達性的裝置。然而，許多現代大規模物聯網應用需要定期進行下行通訊、接收確認訊息或進行遠端設定。支援較長週期的eDRX，可讓裝置在無需定期執行註冊訊號程序的情況下，仍維持接收下行流量的能力。在需要下行通訊的部署環境中，相較於需要定期與網路互動的省電模式，eDRX通常能提供更佳的能源效率，並大幅降低訊號負載。值得注意的是，即使是在 PSM 最初設計所針對的純上行回報應用情境中，採用 3 小時的eDRX週期，同樣能達到相近的節能效果。
3. 連線狀態下的省電機制仍未被充分運用
   儘管連線狀態（Connected state）省電技術已推出多年，仍有相當多大規模物聯網裝置並未採用。因此，裝置在連線期間持續維持完全啟用狀態，造成不必要的能源消耗。在資料交換頻繁但每次傳輸時間較短的部署情境中，連線狀態下的耗電甚至可能成為整體電池消耗的主要來源。因此，妥善運用連線狀態省電功能，可顯著延長裝置的電池壽命。
4. 網路開放介面可促進應用與網路整合
   目前的大規模物聯網解決方案往往只是將行動網路視為單純傳輸資料的「通道（bit pipes）」，導致許多進階網路能力未被充分利用。事實上，3GPP標準已提供功能強大的API，例如通知應用程式裝置的連接事件、觸發裝置連接網路，或根據應用程式的流量型態最佳化網路行為等，但這些功能目前仍未獲廣泛採用。主要障礙在於複雜度：使用這些API需要深入的行動通訊技術知識，而大多數物聯網應用開發人員並不具備這類專業。因此，企業物聯網解決方案很少能充分發揮網路的完整潛力。讓這些能力更容易使用，是實現更高效率、更具擴展性及更智慧的大規模物聯網部署的重要關鍵。

應用情境演進與新型態流量模式

早期的大規模物聯網流量模式假設，每台裝置每天僅會傳送少量、單向的上行訊息，且幾乎不需要確認回覆或下行互動。然而，這項假設已不再符合現今的應用需求。現今的大規模物聯網部署，越來越仰賴高頻率、可靠且雙向的通訊模式，包括應用層確認訊息（Application-level Acknowledgement）、可預測的週期性流量，以及偶爾出現但資料量極大的傳輸工作階段。

此外，也必須跳脫以單一裝置為基礎的流量模式，轉而從整體裝置的行為進行評估。雖然單一大規模物聯網裝置所產生的流量微乎其微，但當大量裝置同步運作時，仍可能形成龐大且高度集中的流量負載。

我們認為，在重新思考 3GPP 大規模物聯網標準化方向時，應將以下幾種具代表性的實際流量型態納入設計考量：

• 智慧電表（Smart Metering）：智慧電表會定期回報資料，可能由裝置主動傳送，或依據後端系統的輪詢要求進行回傳。在許多部署情境中，所有電表都必須於短時間內完成資料收集，因此容易形成高度同步且具突發性的流量。
• 區域群組或裝置間通訊（Local Group or Peer Communication）：新一代電網監測及工業自動化，越來越依賴鄰近區域內裝置彼此之間的通訊。這類應用產生的流量遠高於早期大規模物聯網的設計假設，也對上行通訊及群組通訊能力提出新的需求。
• 事件驅動式資產追蹤（Event-driven Asset Tracking）：資產追蹤裝置通常會因溫度變化、超過門檻值或電子圍籬（Geofencing）等事件而產生流量。這類流量具有高度不可預測性，且可能在大量裝置間同步爆發。
• 下行控制與促動（Downlink Command and Actuation）：智慧路燈、精準農業及微型移動載具等遠端控制與設定應用，需要具備可預期的下行延遲，以及可靠的資料傳輸能力。
• 韌體與軟體更新（Firmware and Software Updates）：雖然韌體更新發生頻率不高，但卻占整體流量的最大宗。單一次更新作業所產生的流量，甚至可能暫時超過數個月例行資料回報的累積總量。

上述各種流量型態充分說明，6G 的大規模物聯網設計必須以整體裝置的行為、突發性流量，以及雙向通訊需求為核心考量，而非僅著眼於彼此獨立且傳輸頻率低的單一裝置。

6G 大規模物聯網的現代化發展方向

根據實際部署經驗及新興應用需求，我們建議6G大規模物聯網應遵循以下六項設計原則：

1. 所有應用資料皆透過用戶數據傳輸層
   隨著大規模物聯網流量持續成長，透過控制平面（Control Plane）傳輸應用資料的方式已日益缺乏效率。相較之下，用戶平面（User Plane）具有更佳的可擴充性，可支援流量管理與策略執行，並避免核心網路控制功能承受過高負載。因此，在 6G 架構中，所有應用資料皆應透過用戶平面傳輸，而控制平面則應專注於其原有的訊號功能。
2. 將訊號喚醒列為核心功能並廣泛導入
   訊號喚醒（Wake-up Signaling）搭配超低功耗接收器，可大幅降低閒置狀態（Idle state）與連線狀態的耗電。裝置可長時間維持休眠狀態，直到需要進行通訊時才被喚醒，以有效節省能源。因此，6G 大規模物聯網應將訊號喚醒視為基礎能力，而非選配性的增強功能。
3. 所有大規模物聯網裝置皆應支援 eDRX 週期
   擴展型非連續接收（eDRX）功能可將下行監測與資料傳輸解耦，使裝置能在無需額外訊號負載的情況下，維持長時間深度休眠。若將此功能列為所有物聯網裝置的必要能力，不僅可簡化裝置設計，也能在各種應用情境中提供一致且穩定的節能效益。
4. 將連線狀態打造為省電狀態
   若 6G 能將連線狀態設計為省電模式，用戶設備便可維持較長時間的連線，同時降低因狀態切換所造成的控制損耗，並減少頻繁通訊所帶來的能源消耗。因此，所有 6G 大規模物聯網裝置皆應支援並採用此功能，以降低連線期間的電池耗電，進一步延長裝置續航時間。
5. 淘汰舊有省電模式及連線釋放輔助程序
   部分早期導入的機制，在現今流量型態下已增加系統複雜度，卻未帶來明顯效益。逐步淘汰依賴定期註冊更新的省電模式，以及舊有的連線釋放輔助機制，將有助於簡化裝置與網路兩端的實作架構。
6. 強化應用與網路之間的整合
   物聯網應用與行動網路之間更緊密的整合，有助於提高流量的可預測性及網路資源使用效率。透過功能更完善且對開發人員更友善的網路API能力及物聯網訊息服務，可讓應用程式與網路彼此協作，而非各自獨立運作。

為了說明上述設計原則對整體架構的影響，圖1彙整了各項建議對6G關鍵網路功能可能帶來的影響。

面向大規模物聯網的 6G 核心網路示意圖。圖中展示了一個 6G 物聯網設備透過 6G 無線接取網路連接到核心功能層（例如 AMF、SMF、UPF、UDM、NEF、SMSF）以及應用功能層。虛線表示控制平面交互，實線表示使用者平面資料。

圖1：建議改善方案對6G網路功能的影響

結論

LTE-M與NB-IoT在全球的成功部署，為6G大規模物聯網奠定了堅實基礎。然而，實際部署經驗也顯示，目前的流量型態與營運需求，已與早期設計假設存在顯著差異。6G 提供了一個難得的契機，可重新簡化大規模物聯網架構、移除既有設計所累積的複雜性，並使網路運作模式更符合現代物聯網應用需求。透過優先採用用戶平面資料傳輸、喚醒訊號、擴展型非連續接收（eDRX）機制，以及更緊密的應用與網路整合，6G 大規模物聯網將能進一步提升整體效率、可擴充性，並實現更長遠的永續發展。

閱讀更多

• 6G for all services: From massive IoT to eMBB
• IoT connections forecast
• 6G standardization: Technical studies starting
• Visit our 6G page