5G频段用于本地工业网络

爱立信皮书GFTLER200031512024 年4月 5G频谱用于本地工业网络 利用通信服务提供商的资产和专业知识 5G频谱用于本地工业网络简介2024年2 4月 引言 许多行业将5G视为第四次工业革命的基础。这对于通信服务提供商（CSPs）来说，是一个通过推动各行业的创新、效率和增长来创造和把握新市场空间的黄金机遇。 一个关键因素影响无线解决方案的采用，即如何处理工业用途的频谱，因为可靠的连接需要授权频谱。一些国家为工业用途提供了专用频谱，而其他国家则没有。本文的意图不是讨论此类频谱策略的优劣，而是侧重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部门预留，CSPs（通信服务提供商）都处于最佳位置 ，通过强大的5G网络和专注于工业的商业模式，最优化地解决这些工业连接需求。对于打算实施工业用途专用频谱的监管机构，本文旨在描述如何最好地使用简单原则和世界上大多数国家已定义的立法来实现这一点。 行业用蜂窝解决方案巨大的商业潜力 3GPPbasedcellulartechnologies为CSPs提供了巨大的机遇，以解决工业连接需求。这个机遇覆盖了包括制造业、采矿、港口、能源及公用事业、汽车及交通、公共安全、媒体与娱乐、医疗保健和教育等行业在内的多个行业，这些行业拥有多样化的需求。许多这些行业的企业已经是CSP的客户，预计到2030年，全球这些行业可触达的5G启用市场中的CSP总份额将达到约7000亿美元【。1，根据2030年市场指南报告2 本文的一个目标是为那些在有限区域内早期采用3GPP蜂窝技术的产业解决频谱接入的担忧特别是制造业、采矿业、港口等行业，以及那些有机会在其运营中使用蜂窝技术但尚未广泛采用这些技术的行业，如机场、石油天然气、仓储、医院、教育和建筑业。 承接制造业，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控制生产过程、改进物料管理、提高安全性和引入新工具展开。典型的收入增长来自于产量和质量的提高（23），而典型的成本节约来自于资本效率的提升（510）和制造成本的降低（48）4此外，ABIResearch显示，制造商可以期待其在蜂窝工业40解决方案上的投资回报率（ROI）增加十倍，而仓库所有者则可以期待其投资回报率（ROI）惊人地增加十四倍。5 例如，目前全球有超过2300个活跃的矿产勘探点6在博利登的奥蒂克露天矿，例如 ，仅通过其钻机的自动化，钻探效率可以提高40。7从设备使用增加带来的额外节省也可能导致矿山（CapEx）的资本支出降低，同时为他们的人员创造更好的安全和工作环境。 一个最终的例子可以在全球835个目前活跃港口的潜力中找到8一项针对中国青岛港私有5G网络试验的案例研究表明，如果5G自动化得以全面实施，可以实现70的劳动力成本节约9。我们对意大利利沃诺港的研究也表明了类似情况，港口和码头操作的显著节约以及船舶靠泊时间的缩短和货物释放时间的缩短都有可能实现。 行业的挑战性连接需求 无线连接正日益成为工业过程中企业关键服务的必要条件，如与生产线和其他生产方式相关的服务。对于生产大量和高价值产品（例如，汽车）的制造商来说例如，汽车 高网络可用性和可靠性至关重要。考虑到一个汽车制造厂大约每60秒就完成一个价值2000080000美元的新产品10，即使几分钟的流水线停机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（SLAs）将满足并规范对保证网络正常运行时间和质量的需求。然而，一些制造商以拥有专用频谱对于他们的运营至关重要以及是风险管理的必要部分为由，将主张没有自己的频谱，他们就需要要求对外部服务和频谱提供商承担法律约束性的责任。在最坏的情况下，他们需要寻求因连接失败、数据被盗或人身伤害导致的流水线停机赔偿。服务提供商的推荐措施在“CSPs关键成功因素”章节中讨论。 另一个要求是长期承诺。一个生产设施通常是一个1520年的生命周期投资，制造商可能会在此期间寻求其连接的可用性和可靠性。考虑到企业倾向于喜欢自由 在选择供应商时，客户可能要求保证1520年的不间断服务，同时在供应商这一维度上保持灵活性。在这种情况下，制造商可能还会考虑如何处理长达如此时间的设备商业协议。因此，一个建议是，服务提供商（CSP）探索新的商业模式以支持行业对长期服务的需求。 随着行业日益数字化，对连接性的依赖性增强，同时对可用性和可靠性提出了不容妥协的要求。不出所料，关于所需连接类型的需求各异。例如，一个电子元件工厂可能在实际中需要以节能的方式为数千个简单传感器供电，同时还需要低延迟、基于云的控制机械臂。这里的连接解决方案需要同时满足各种网络需求，以及高效且经济地满足通常属于公共网络的高需求用例和服务，如语音服务、互联网接入和追踪服务。图1（如下）展示了一个具有多种无线设备和广泛连接需求的智能制造场所的示例。 库存管理 供应链管理 操作中心 垃圾桶和容器 生产线 自动车辆 机器人并且工具 图1一个具有多种用例的智能工厂 然而，在特定制造地点可用的连接性可能不足以满足整个行业的需求。因此，为了在售后服务领域实现成本效益的升级并改善客户体验（例如），制造商可能希望具备在实地升级和跟踪产品的能力这种能力仅靠当地连接性是不够的。 最后，不同行业和公司可以针对哪些运营是其业务的核心并应保留内部（与那些作为服务购买的相反）采取不同的策略。这很可能会反映在他们处理连接性的方式上。因此，有必要满足那些希望自行拥有和运营设备的行业，以及那些倾向于外包服务、可以从自己的私有网络或共享的公共网络中获取服务的行业。 频谱协调一项挑战 在地理范围内协调频谱带的利用对于实现大众市场条件至关重要，这进而使得工业设备能够以成本效益和竞争性运行。许多国家已经开始为5G广域蜂窝网络分配频谱，快速的监管行动和决策已被证明对所有生态系统各方高度积极，为服务提供商和设备制造商提供了进行技术投资的能力，同时也为消费者提供了更早享受新一代技术的可能性。一些国家也开始考虑将许可租赁频谱作为工业数字化和工业应用的一部分（见图2）。例如，德国在2019年已经为工业应用分配了37003800MHz频段的本地许可频谱，而日本类似地宣布了28GHz频段的分配。一些国家，如捷克共和国和丹麦，选择了另一种将频谱分配给工业的方法。他们正在为CSPs的国家许可证中包含义务，以在预定义的价格下向工业提供本地频谱租赁。 采取的方法在监管者之间差异很大，且许多情况下分配的频段与现有企业共享。 中频段高频段，毫米波 比利时，巴西，中国，克罗地亚，捷克共和国，丹麦，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、韩国共和国、斯洛文尼亚、西班牙、瑞典、英国 图2行业频谱的讨论正在持续进行中或已分配专门的本地频谱。包括通过租赁义务由监管机构提供的频谱。 关于行政部门考虑的本地许可租赁频谱，这些多样化的分配为构建工业应用设备生态系统带来了挑战。设备芯片组不仅需要由传统移动宽带（MBB）设备的生态系统支持，还需要由包括不同频谱波段上不同复杂度的工业设备在内的生态系统支持。然而，这些生态系统仍在形成中。 欧盟委员会（EC）已确定了对中频带许可频谱的需求，用于垂直用户和其他地面无线局域网用例。它已向CEPT发布指令，调查3842GHz频带的共享使用和频率配置的协调问题。11该工作被指定在2024年11月之前完成。 在附录A1中，可以找到在撰写本文（2024年4月）时，针对工业应用频谱分配和监管讨论的概览。 对本地许可租赁频谱的监管原则要求 监管机构和政策制定者面临不同的挑战。在那些有 决定（或计划决定）在本地许可租赁的行业频谱，监管部门 并且政策制定者必须找到一个易于理解且成本效益高的模型来应对此问题。法规。如果将本地授权租赁的频谱用于行业目的，它们 必须确保其利用效率。此外，值得注意的是，其使用方式 在许可租赁频谱在本国范围内进行管理的同时，也会影响其吸引力关于3GPP路径。当本地提供经许可租赁的频谱，旨在 满足行业的需要，以下几个方面的基本要求应该得到满足：提供的。 这些要求包括： 频谱访问必须在一个长期时间内可预测，以支持不间断的运营以及对生产流程和工业设施的重大投资，这些设施通常具有1520年的生命周期。应避免授予过度先发优势的计划，以防止行业或其他参与者通过频谱囤积来封锁频谱。尚未许可出租给行业的本地频谱应保持可用，以提高频谱利用效率，对频谱许可持有者（如移动网络运营商）而言 ，尽管要有足够的安全边际以确保现有本地网络不受干扰。应注意的是，除非将设备和生态系统的可用性纳入为本地许可频谱分配频率的决定因素，否则无线网络提供商和设备制造商可能面临为独特频段开发解决方案的挑战。 关键成功因素 ，对于通信服务提供商而言 。 CSPs长期以来在MBB市场取得成功，并处于有利位置以捕捉工业新兴连市场中价值，利用蜂窝解决方案、3GPP专业能力、灵活频谱资产、公共网络基础设施以及新创新商业模式发展。 与MBB不同，各行业连需求极为多样化。因此，为了系统地实现所有行业蜂窝连，我们在爱立信定义了四个物联网连领域，这些领域可以在单个5G网络中高效共存。这些领域包括： 大规模物联网，旨在连大量低成本、窄带宽设备，具备极强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（NBIoT）和LTE类别M（CatM）入 ，2020年拥有数百万商业用户，在FDD频段内运行1213常见用例包括各种类型低成本传感器、仪表、执行器、跟踪器和可穿戴设备。 宽带物联网，在提供比大规模物联网更高数据速率和更低延迟同时，还能延长设备电池寿命，并为比大规模物联网设备具有显著更宽频带设备提供覆盖。基于广泛范围LTE设备类别（LTECat1及以上）在频分双工（FDD）和时分双工（TDD ）频段中，宽带物联网在全球拥有超过5亿用户。目前，宽带物联网使用主要被车辆 、可穿戴设备、小玩意、相机、传感器、执行器和追踪器所占据。 关键物联网连，实现针对特定延迟目标数据交付，并保证所需保证级别时间敏感通信14关键物联网（CriticalIoT）将在所有5G频段中引入，与5GNR先进时间关键通信能力相结合，并将通过5G核心（5GC）进一步强化。这包括5G中最强大 、最可靠和或最低延迟特性。典型时延关键用例包括基于云增强现实虚拟现实 （ARVR）、云机器人、自动驾驶汽车、实时故障预防、触觉反馈、实时控制和机器与流程协调。 工业自动化物联网，实现蜂窝连与用于实时高级自动化有线工业基础设施无缝集成。它包括与实时以太网和时敏网络（TSN）集成5G系统功能。15这些能力要求5GNR和5GC12 物联网连领域拥有成本效益高、运行流畅且面向未来发展，旨在加速生态系统内采用并最小化总拥有成本（TCO）。 如图3所示，每个物联网细分市场针对各个行业垂直领域不同连需求进行设计，最大化了服务提供商（CSPs）投资回率（ROIs）。 大规模物联网 宽一个带包物含联四网个多用途物联网连关键段物联单网5G网络 工业自动化物联网 低大成规本模物设联备网 宽高带数物据联网速率 关键有物限联延网迟 工业自以动太化网物协联议网 小低型成达本设ta备volumesE小xt型re数m据e覆量盖 极度覆盖 高大数量据数速据率量大低量延数迟据低尽延力迟而为尽力而为 有限高延可迟靠性高可超靠低性延迟超低延迟 以太整网合协议整合时间敏感时间网敏络感连网络时连钟同步时钟作同为步一种服务作为一种服务 NBIoTCatM NBIoTCatM LTENR LTENR NR NR NRNR 交通运输汽车行业铁路 制造业采矿业公共事业 行产业业数数字字化化与与蜂蜂窝物窝联物网联网 娱乐 智能城市港口 林业农业 公共安全 教育 卫生保健建筑 石油与天然气仓储 媒体制作 图3基于蜂窝连产业数字化 灵活频谱资产使得运