本地工业网络的5G频谱

利用通信服务提供商资产和专业知识 引言 许多行业将5G视为第四次工业革命的核心。对通信服务提供商（CSP）来说，通过推动各行各业的创新、效率和增长来创造和抢占新的市场空间，是一个绝佳的机会。 影响无线解决方案普及的一个关键因素是如何处理工业用途频谱，因为可靠的连接需要授权频谱。一些国家提供专用工业频谱，而另一些国家则没有。本文的意图并非讨论此类频谱策略的利弊，而是专注于具有本地无线电覆盖需求的行业。它试图表明，无论频谱是否为工业保留，CSP始终处于最佳位置，利用强大的5G网络和专注工业的业务模式来优化解决这些工业连接需求。对于打算实施专用工业频谱的监管机构而言，本文旨在阐述如何利用简单的原则和世界大多数国家已有的明确立法，以最佳方式实现这一点。 适用于各行业的蜂窝解决方案——巨大的商业潜力 CSPs可以通过基于3GPP的蜂窝技术来满足工业互联需求，这存在巨大的机会。该机会涵盖多个行业，包括制造业、采矿、港口、能源和公用事业、汽车和交通、公共安全、媒体和娱乐、医疗保健和教育等行业，以及其他具有不同需求的细分领域。这些行业中的许多企业已经是CSP客户，预计到2030年，这些行业中全球可连接的5G市场的CSP份额将达到约7000亿美元。[1], 根据2030市场罗盘报告[2]. 本文的一个目标是为那些早期采用3GPP蜂窝技术的特定行业（尤其是制造业、矿业和港口）提供频谱接入解决方案——同时也为那些有机会在运营中使用蜂窝技术但尚未广泛应用的行业（如机场、石油和天然气、仓储、医院、教育和建筑行业）提供频谱接入解决方案。 将制造业，据估计有100万家工厂[3] (拥有超过100名员工)，例如，典型的商业案例围绕着控制生产过程、改进物料管理、提高安全性和引入新工具。典型的收入增长来自于产量的提高和质量的提升（2-3%），而典型的成本节约则来自于资本效率的提升（5-10%）和制造成本的降低（4-8%） [4此外，ABI研究显示，制造商对蜂窝行业4.0解决方案的投资回报率（ROI）预计增长十倍，而仓库所有者对ROI的预期则惊人地增长十四倍[5]. 作为另一个例子，今天全球有2300多个活跃的矿产勘探站点[6在博利登的开采地Aitik矿，例如，仅通过自动化其钻机，钻探生产力可以提高40%[7]. 设备使用率的提高也能带来额外的节省，从而可能降低矿山（CapEx）的资本支出，并为其人员提供更安全、更良好的工作环境。 一个最终的例子可以在全球众多港口的潜力中找到。一个研究案例考察了中国青岛港的私有5G网络试验以实现自动化，表明如果全面实施5G自动化，可以节省70%的劳动力成本[8我们的研究在意大利里窝那港同样表明，有可能在港口和码头运营方面实现显著节省，以及减少船舶停泊时间并缩短货物释放时间。 行业极具挑战性的连接需求 无线连接正日益成为工业流程中业务关键服务（如装配线和其它生产模式）的必要条件。对于生产大批量高价值产品（例如车辆）的制造商而言，高网络可用性和可靠性至关重要。考虑到一个车辆制造场每60秒就会最终完成一款价值2万至8万美元的新产品[9]],甚至几分钟的装配线停工也可能导致严重的收入损失。对于许多行业来说，服务水平协议（sla）将满足并规范对保证网络运行时间和质量的需求。然而，一些以运营至关重要和风险管理必要部分为理由、寻求专用频谱的制造商将主张，如果没有自己的频谱，他们将需要对外部服务及频谱提供商要求具有法律约束力的责任。在最坏的情况下，他们需要寻求涵盖因连接故障造成的装配线停工、数据泄露或人身伤害所引发的责任。关于服务提供商的建议，在《csp关键成功因素》章节中讨论。 另一项要求是长期提案。生产基地通常是15-20年的生命周期投资，制造商可能会寻求在此期间其连接的可用性和可靠性。考虑到企业倾向于偏爱使用自由 在选择供应商时，要求可能是在 15-20 年内保证不间断的服务，同时又要保持供应商的灵活性。在这种情况下，制造商还可能考虑的另一点是如何处理设备长达数年的商业协议。因此，建议 CSP 探索新的商业模式，以满足行业对长期服务的需求。 随着各行业日益数字化，其对连接的依赖性增强，并对可用性和可靠性提出了不容妥协的要求。毫不奇怪，对于所需连接类型存在不同的需求。例如，一家电子元件工厂可能需要以节能的方式为数千个简单传感器供电，同时在同一时间，还需要低延迟、基于云的机械臂控制。在此情况下，连接解决方案需要同时满足各种网络需求，并以经济高效的方式满足通常属于公共网络的苛刻用例和服务，例如语音服务、互联网接入以及追踪和追溯服务。图1（下方）展示了一个智能制造站点示例，其中包含多种无线设备和广泛的连接需求。 然而，特定制造场所的可连接性可能不足以覆盖一个行业的全部要求。因此，为了在售后领域实现成本效益高的升级并改善客户体验（例如），制造商可能需要具备在实地升级和跟踪产品的能力——而仅靠本地连接性是不够的。 最后，不同行业和公司可以有不同的策略，关于哪些业务操作是核心的，应该自己保留（而不是作为服务购买）。这可能会反映在他们处理连接的方式上。因此，需要满足那些希望拥有和操作自己设备的行业，以及那些倾向于外包服务，并由自己的私有网络或共享的公共网络提供的行业。 频谱协调——一项挑战 跨地域协调频段使用对于实现大众市场条件至关重要，从而能够推动成本高效且具有竞争力的工业设备。许多国家已经开始为5G广域蜂窝网络分配频段，而快速的监管行动和决策已被证明对所有生态系统参与者都产生了积极影响，使服务提供商和设备制造商能够进行技术投资，使消费者能够更早地享受新一代技术。一些国家也开始考虑将授权/租赁频段作为工业数字化和工业应用的一部分（见图2）。例如，德国早在2019年就将3700-3800 MHz频段范围内的本地授权频段分配给工业应用，而日本也类似地宣布了28 GHz频段的分配。一些国家，如捷克共和国和丹麦，选择了另一种方式将频段用于工业领域。它们在特定的5G频段中为CSPs国家许可证纳入了义务，要求其以预定义的价格向工业部门提供本地频段租赁。 监管机构所采取的方法差异很大，而且分配的频段在许多情况下是与现有用户共享的。 比利时，巴西，中国，克罗地亚，捷克共和国，丹麦，欧盟，芬兰，法国，德国，希腊，日本，荷兰，挪威，波兰，韩国，斯洛文尼亚，西班牙，瑞典，瑞士，台湾，英国，美国 澳大利亚，奥地利，巴西，丹麦，芬兰，德国，希腊，香港，以色列，日本，挪威，韩国，斯洛文尼亚，西班牙，瑞典，英国 图2。工业用频谱的讨论正在进行中，或已分配专用本地频谱。包括监管机构通过租赁义务提供的频谱。 关于管理机构考虑的本地许可/租赁频谱，这些多样化的分配对构建工业应用的设备生态系统构成挑战。设备芯片组不仅需要得到传统移动宽带（MBB）设备生态系统的支持，还需要得到包含不同频谱带上的复杂工业设备的生态系统的支持。然而，这些生态系统仍处于形成阶段。 欧洲委员会（EC）已识别出垂直用户和其他地面无线局域网用例对中频段授权频谱的需求。2022年，EC向CEPT发布了一项授权令，要求调查3.8-4.2 GHz频段在局域网连接中的共享使用和相关频率协调安排[10]. 欧盟将于2025年制定一项对成员国具有约束力的委员会实施决定。时间计划是成员国于2026年前指定并使3.8 – 4.2 GHz频段可用于非排他性使用。 在附录A1中，可以找到当时（2025年3月）有关为工业应用分配专用频段频谱的频谱分配和监管讨论的快照。 对本地授权/租赁频谱的法规原则要求 监管机构和政策制定者面临着不同的挑战。对于那些已经决定（或计划决定）在本地为工业领域提供许可证/租赁频谱的国家，监管机构和政策制定者必须为其监管找到一个易于理解且成本效益高的模式。如果实施本地许可证/租赁频谱用于工业目的，他们必须确保其利用效率。此外，需要注意的是，一个国家内对许可证/租赁频谱的管理方式也会影响3GPP路径的吸引力。当本地提供许可证/租赁频谱以满足工业需求时，应满足一些基本要求，关于如何提供这一点。 这些要求包括： • 频谱接入必须在长期内具有可预测性，以支持不间断运行，并支持在生命周期通常为15-20年的生产工艺和工业设施中进行重大投资。 • 应避免授予过度首占优势的方案，以防止行业或其他参与者通过囤积频谱来封锁频谱。 • 尚未向行业发放/租赁的本地频谱应保持可用状态，以提高频谱持有者（如CSP）的频谱利用效率，但同时应保持足够的安全裕度，以确保现有的本地网络不会受到干扰。应注意，除非在决定为本地许可频谱分配频率时考虑了设备和生态系统的可用性，否则无线电网络提供者和设备制造商在为独特频段开发解决方案方面可能面临挑战。 CSPs的关键成功因素 CSPs早已在MBB市场取得成功，并凭借蜂窝解决方案、3GPP能力、灵活的频谱资产、公共网络基础设施以及新、创新型商业模式的开发，在工业新兴连接市场占据有利地位以获取价值。 与 mbb 不同，各行各业的连接需求极为多样化。因此，为了以系统的方式为所有行业实现蜂窝连接，我们在爱立信定义了四个可以高效共存于单一 5g 网络的物联网连接领域。这些包括： • 大规模物联网，旨在连接大量低成本、窄带设备，具有极宽覆盖范围和长电池寿命能力。大规模物联网生态系统基于窄带物联网（NB-IoT）和LTE Cat-M（类别M）接入，截至2020年已有数千万商业用户，工作在FDD频段[11] [12]. 常见应用场景包括各种类型的低成本传感器、仪表、执行器、跟踪器和可穿戴设备。 • 宽带物联网，提供比大规模物联网更高的数据速率和更低的延迟，同时为具有比大规模物联网设备显著更宽带宽的设备实现更长的电池寿命和覆盖范围。基于频率分双工（FDD）和时分双工（TDD）带中的多种LTE设备类别（LTE Cat-1及以上），宽带物联网在全球拥有超过5亿用户。目前，宽带物联网的使用主要由车辆、可穿戴设备、小工具、摄像头、传感器、执行器和跟踪器主导。 • 关键物联网连接，在特定的延迟目标内，为数据交付提供时间关键通信，并保证所需的水平[13]. 关键物联网将在所有5G频段中引入，并结合5G NR的先进时关键通信能力，这些能力将通过5G核心（5GC）进一步增强。它包括5G最强大的、超可靠和/或超低延迟功能。典型的时关键用例包括基于云的AR/VR、云机器人、自动驾驶汽车、实时故障预防、触觉反馈、实时控制和机器及流程的协调。 • 工业自动化物联网，能够将蜂窝连接无缝集成到用于实时高级自动化的有线工业基础设施中。它包括将5G系统与实时以太网和时间敏感网络（TSN）集成的功能 [14]. 这些功能要求 5G NR和 5GC [11]. 物联网连接领域具有成本效益、平滑且面向未来的演进路径，旨在加速生态系统的采用并最小化拥有总成本（TCO）。 如图3所示，每个物联网分段针对不同的行业垂直领域解决一套独特的连接需求，从而最大化CSP的投资回报率(ROI)。 Csp的灵活频谱资产使他们能够以最佳方式满足行业需求，即使在频谱为行业本地许可/租赁的国家也是如此。不同频段具有互补特性，低频段适合覆盖和可用性，并拥有最多样化的设备支持（尽管通常带宽较小），中频段提供显著提升的容量，并在覆盖和容量之间取得良好平衡，高频段提供显著的容量提升（尽管覆盖范围有限）。 对于TDD频段，根据TDD传输模式的选择，需要在容量、延迟和覆盖范围之间进行权衡。此外，使用TDD频段时，一个重要方面是与网络上同步的TDD模式。 相同或相邻频谱。毫米波频段由于无线电波传播特性比中频段具有更好的隔离效果，因此相对宽松的TDD共存约束。 图4展示了利用CSPs的灵活频谱资产在性能、多样化用例、系统容量和室内/室外覆盖方面取得最佳效果（无论是否使用本地频谱）的好处。在大多数地区，本地许可/租赁频谱位于毫米波频段、sub-6GHz TDD频段或两者兼有。利用具有互补特征的CSPs频谱资产可以提供主要好处，包括覆盖范围和可用性提升、Cat-M/NB-IoT接入以及低延迟。虽然sub-6