尖端技術課程模組系列
一、總體說明
因應全球淨零排放浪潮與歐美碳邊境調整機制趨勢，再生能源將日益重要，而穩定的電力供應與節能有賴於導入人工智慧與新世代行動通訊網路等新興科技的智慧電網的基礎建設與在各領域的智慧應用，包括在聯合國SDG 11永續智慧社區(Sustainable Smart Communities)的目標以及過去相關研究中最常關注的城市交通與智慧製造的永續發展。另一方面，新世代行動通訊網路B5G/6G網路節能國際標準內容背景包含能源效率、環境保護、網路可持續性、經濟效益和產業競爭力面向。針對網路節能對於環境可持續性、減少環境影響、溫室氣體排放和節約運營成本具有重要意義。B5G/6G將在各個行業和地理區域普及使用，適合需要非常高數據速率的更高級服務和應用，亦使得網路中基地台佈建變得更加密集，使用更多天線、更大帶寬和更多頻段；有鑑於此，B5G/6G對環境的影響將更需要得到控制。隨著無線通訊技術的快速發展，B5G/6G通訊網路將帶來更多的設備連接和數據傳輸需求。然而，現有的通訊網路基地台和設備的能源消耗龐大，導致通訊網路的能源效率面臨挑戰。因此，研究開發節能的通訊技術和解決方案，以支援節能網路運營，也成為了重要研究方向。
另一方面，隨著全球物聯網應用的快速發展，低功耗廣域網路已成為物聯網設備使其能夠長距離連接、低功耗運行以及大規模部署的關鍵技術，並廣泛應用於智慧城市、農業監控、環境感測、物流追蹤等領域。然而，倘若地面基礎設施在偏遠地區、深山叢林以及海洋環境中，因通信覆蓋能力有限，導致許多物聯網應用無法順利推廣。以臺灣為例，因為地形複雜，中央山脈及沿海地區的特殊環境對地面通信基礎設施的建置造成挑戰，使得第五代行動通訊技術等地面網路難以全面覆蓋。而人造衛星中的低軌衛星運行於距地球約300至2,000公里的低地球軌道，例如太空站，其繞行地球一圈約需90分鐘，並具備全球覆蓋、低傳輸延遲和不受地形限制等優勢，將可有效解決多領域長期以來的通信瓶頸，提供了可行的解決方案。
有鑒於此，本教學聯盟選定以「智慧節能網路」為主題，全程計畫將推出6個尖端技術課程模組系列：
- 系列模組A：智慧節能網路應用
- 系列模組B：節能網路技術
- 系列模組C：核心網路與基站
- 系列模組D：人工智慧與節能網路
- 系列模組E：低軌衛星節能應用與管理
- 系列模組F：低軌衛星LoRa節能物聯網技術與應用
第1期已完成3個尖端技術課程模組系列，模組系列名稱與其子模組彙整如下圖：
本期(第2期)規劃如下說明：
低軌道衛星指的是運行於海拔500至2,000公里高度的衛星系統，相較於傳統的地球同步軌道衛星，低軌衛星具有更低的傳輸延遲、更高的數據傳輸效率，以及更適合全球覆蓋的優勢。隨著 5G、6G 及物聯網技術的發展，低軌衛星正成為未來通訊基礎設施的重要一環，因此第2期計畫將低軌衛星之技術發展納入教材規劃，並擇定系列模組D「人工智慧與節能網路」、系列模組E「低軌衛星節能應用與管理」與系列模組F「低軌衛星LoRa節能物聯網技術與應用」進行發展，其模組系列名稱與其子模組彙整如下圖：
二、模組系列
模組系列A「智慧節能網路應用」系列課程
本模組系列A「智慧節能網路應用」系列課程將以基於人工智慧與新世代行動通訊網路的智慧節能網路應用為主軸，設計三項模組，分別為模組A1「智慧節能電網」、模組A2「可信任聯邦式智慧交通」與模組A3「邊緣智慧節能製造」。各模組所涵蓋的技術內容包含智慧電網、智慧交通、智慧製造、5G/6G行動通訊網路的mMTC及uRLLC技術、再生能源與節能、人工智慧技術、終端可信任人工智慧、AI-enabled邊緣計算。
- 模組A1「智慧節能電網」將介紹智慧電網原理與標準、導入B5G/6G行動通訊之智慧電網網路及其協定以及節能導向之人工智慧預測技術。
- 模組A2「可信任聯邦式智慧交通」為智慧交通領域的應用模組，將介紹終端AI應用於智慧交通、可信任AI以及聯邦式學習框架設計。
模組與「邊緣智慧節能製造」模組為智慧製造領域的應用模組，將介紹智慧製造、基於深度學習之產品瑕疵檢測技術與基於深度學習之設備狀態偵測技術。
| 課程 | 內容 |
|---|---|
| A1 智慧節能電網 |
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| A2 可信任聯邦式智慧交通 |
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| A3 邊緣智慧節能製造 |
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模組系列B「節能網路技術」系列課程
本系列課程將以節能網路技術為主軸，設計三項模組，分別為模組B1「節能網路原理和標準」、模組B2「整合感測和通訊之節能技術」與模組B3「可重構智慧表面通訊之節能技術」。
- 模組B1「節能網路原理和標準」將介紹3GPP 用戶設備節能和3GPP網路節能標準，包含節能基本原理，如睡眠模式、動態頻譜共享、能源回收 (energy harvesting) 和網路切片、AI 優化、rate-splitting 等技術對節能網路的影響之基礎介紹。
- 模組B2「整合感測和通訊之節能技術」將介紹整合感測和通訊(ISAC)技術，介紹從鬆散整合(loosely coupled)整合到完全整合(fully coupled)三個等級。第一級是鬆散整合(loosely couple)是最低程度的整合方式，感測和通訊能力可以透過共用頻譜在硬體上共存，但已比各自使用專用頻譜更有效率。第二級是緊密整合(tightly coupled)需要波形和訊號處理的整合，其中時間、頻率和空間域處理技術具有共同的目標，可以結合起來為感應和通訊功能服務。第三級是完全整合(fully coupled)具有跨層、跨模組和跨節點資訊共享的完全整合系統，預計將顯著提高感應和通訊的相互效能，並降低網路系統的總體成本、大小和功耗。
模組B3「可重構智慧表面通訊之節能技術」將著重於可重構智慧表面技術RIS (Reconfigurable Intelligent Surface-based Communication)介紹。可重構智慧表面是一種具有自主感知和自我調整能力的表面材料，可以通過感測、計算和通訊等技術實現對外界環境的感知和反饋，將規劃介紹單-RIS技術介紹、雙-RIS術介紹、多-RIS技術介紹、和RIS-based節能網路技術。
| 課程 | 內容 |
|---|---|
| B1 節能網路原理和標準 |
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| B2 整合感測和通訊之節能技術 |
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| B3 可重構智慧表面通訊之節能技術 |
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模組系列C「智慧節能網路應用」系列課程
本系列課程將以5G核心網路與基站為主軸，設計三項模組，分別為模組C1「5G核心網路節能資料分析與微服務架構」、模組C2「5G網路整合WiFi架構及其資安機制」與模組C3「開放架構基站與節能機制」。本系列模組將廣泛性介紹5G NR核心網路與基站技術與標準、包含5G核心網路主要網路功能與協定、5G基站主要網路分層協定與流程、5G開放架構基站。並針對5G節能與資安進行主題式介紹。
- 模組C1「5G核心網路節能資料分析與微服務架構」：介紹核心網路主要網路功能與協定5G Service-Based Architecture (SBA)與5G核心網路微服務架構。
- 模組C2「5G網路整合WiFi架構及其資安機制」：介紹5G網路如何整合可信任的WiFi網路與不可信任WiFi網路、介紹5G網路整合WiFi網路的相關應用服務(如VoWiFi)。
模組C3「開放架構基站與節能機制」：介紹5G NR網路分層架構、開放架構基站主要單元、介面、智慧基站控制運算平台與智慧基站控制演算(xAPP、rAPP)。
| 課程 | 內容 |
|---|---|
| C1 5G核心網路節能資料分析與微服務架構 |
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| C2 5G網路整合WiFi架構及其資安機制 |
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| C3 開放架構基站與節能機制 |
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模組系列D「人工智慧與節能網路」系列課程
隨著 5G/6G 無線通訊技術的發展，終端設備、存取網路與核心網路的計算與通訊需求大幅提升，也因此能耗問題成為現代網路設計的關鍵挑戰。本系列課程「人工智慧與節能網路」模組的目的為介紹利用人工智慧(Artificial Intelligence，AI)、機器學習(Machine Learning，ML)、深度強化學習(Deep Reinforcement Learning，DRL)、聯邦學習(Federated Learning，FL)與網路功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV) 等技術，達成智慧化節能優化的解決方案，課程內容將涵蓋端到端的網路架構設計與應用，所設計之課程模組簡介如下：
- 模組D1「IoT設備的智慧協作與節能AI管理」: 模組D1聚焦於終端設備的AI優化與節能技術，特別是聯邦學習在異質設備上的應用。終端設備通常面臨計算資源受限、電池壽命有限與網路連接不穩定等問題，因此本課程將探討如何透過聯邦學習進行分散式模型訓練，以降低數據傳輸成本並提升設備協作效能。此外，課程也將介紹通訊優化技術(如梯度壓縮、非同步更新機制)與聯邦學習在智慧建築、工業IoT及邊緣計算中的實務應用。
- 模組D2「人工智慧於存取網路資源管理與節能技術應用」: 存取網路是終端設備與核心網路之間的橋樑，因此需要高效的資源管理來平衡頻譜利用率與能耗。本模組將深入探討深度強化學習(Deep Reinforcement Learning，DRL)在頻譜分配、換手策略及動態功率管理等方面的應用。此外，課程將也將探討如何在時間、空間與頻率域進行優化，確保資源高效利用並減少能源浪費。
- 模組D3「網路功能虛擬化(NFV)管理與機器學習應用暨節能」: 核心網路負責處理大量數據流量，因此核心網路能利用網路功能虛擬化(NFV)及AI技術來進行動態資源管理與節能優化。本課程將介紹NFV基本架構，並探討機器學習在NFV佈署與管理中的應用，如AI驅動的動態負載均衡、資源分配與節能技術。此外，學生將學習如何設計 NFV 在 5G/6G 網路中的智慧節能策略，提高網路彈性與運行效率。
本系列課程整合介紹D1(終端設備)、D2(存取網路)與D3(核心網路)的技術，使學生能夠全面掌握人工智慧於網路節能的理論與應用，培養學生在5G/6G無線網路的創新能力與研究技能。
模組系列E「智慧節能網路應用」系列課程
本系列課程聚焦於非地面網路與智慧節能在衛星通訊領域之應用，旨在回應國際與國內對於能源效益、環境保護及網路運營成本管控的迫切需求。隨著3GPP NTN非地面網路標準逐步成熟與低軌衛星系統快速佈建，本模組系列將透過系統化課程模組，培育能夠設計與管理衛星節能解決方案的專業人才。
- 模組E1「3GPP NTN衛星物聯網節能應用」將介紹3GPP NTN衛星物聯網的核心架構、用戶端設備之節能技術以及網路節能之技術與標準，並整合嵌入式系統與3GPP NTN通訊之物聯網應用。
- 模組 E2 「低軌衛星之節能通聯和移動管理」將介紹衛星鏈結狀況不佳之節能通聯管理以及高速移動衛星網路之移動管理，並基於衛星TLE格式，計算衛星路徑和仰角之通聯管理實驗。
- 模組 E3 「衛星服務效能預測與節能韌性」將介紹目前商用高/低軌衛星之佈署方式與接收信號變化特性、基於非人工智慧與基於人工智慧之預測方法、高/低軌衛星服務效能預測與評估方法、地面站節能模式下之衛星服務效能評估方法。
模組系列F「智慧節能網路應用」系列課程
本系列課程將以低軌衛星LoRa節能物聯網技術與應用為主軸，設計三項模組，分別為模組F1「低軌衛星LoRa通訊晶片與節能模組之設計」、模組F2「低軌衛星LoRa節能地面節點與同步機制之設計」與模組F3「低軌衛星LoRa節能MAC協議與傳輸排程之設計」。本系列模組將廣泛且系統性地探討低軌衛星LoRa技術，其內容包含低軌衛星LoRa通訊晶片原理、LR1121通訊模組開發板、開發板SDK節能程式設計、通訊模組訊號傳輸500 km的模擬檢測、低軌衛星LoRa節能地面節點設計與實現、節點間節能傳輸機制及其優化、地面節點與衛星之間的同步機制、低軌衛星LoRa節能MAC通訊協議設計、大量節點的節能傳輸與排程管理、地面節點接收低軌衛星控制訊號的機制。
- 模組F1「低軌衛星LoRa通訊晶片與節能模組之設計」：介紹低軌衛星LoRa通訊晶片LR1121工作原理、LR1121通訊模組開發板與節能SDK程式設計、通訊模組訊號傳輸500 km模擬檢測。
- 模組F2「低軌衛星LoRa節能地面節點與同步機制之設計」：介紹低軌衛星LoRa節能地面節點設計（含GPS）、地面節點節能傳輸機制、地面節點間與衛星同步之機制。
- 模組F3「低軌衛星 LoRa 節能MAC協議與傳輸排程之設計」：介紹低軌衛星LoRa節能MAC通訊協議設計、大量節點節能傳輸與排程管理機制、地面節點接收低軌衛星控制訊號機制。
