如何处理工业用途的频谱问题?

介绍

许多行业将5G视为第四次工业革命的支柱。对于通信服务提供商（CSP）而言，这是千载难逢的机会，可通过推动各个行业的创新、效率和增长来创建和占领新的市场空间。

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的频谱问题，因为可靠的连接需要获得许可的频谱。一些国家提供专用于工业用途的频谱，而其他国家则不提供。本文的目的不是讨论此类频谱策略的利弊，而是将重点放在具有本地无线电覆盖需求的行业上。它试图表明，无论是否为行业预留许可频谱，CSP都处于领先地位，可以通过针对行业的强大5G网络和业务模型来最佳地满足这些工业连接需求。

行业蜂窝解决方案-巨大的商业潜力

CSP通过基于3GPP的蜂窝技术有巨大的机会来满足工业连接需求。机会涉及一系列行业，包括具有不同需求的不同领域，例如制造业，采矿业，港口，能源和公用事业，汽车和运输，公共安全，媒体和娱乐，医疗保健和教育行业等。这些行业中的许多企业已经是CSP客户，根据2030年市场指南针报告，到2030年，这些行业在全球可寻址5G支持市场中的CSP总份额预计将达到7，000亿美元左右。

本文的目标之一是针对那些在有限区域内率先采用3GPP蜂窝技术的行业，尤其是制造业，采矿业和港口行业以及有机会使用的行业，解决有关频谱访问的问题蜂窝技术在其运营中，但尚未得到广泛采用，例如机场，石油和天然气，仓储，医院，教育和建筑行业。

以大约有100万个工厂（拥有100多名员工）的制造为例，典型的业务案例围绕控制生产过程，改善材料管理，提高安全性和引入新工具。典型的收入增长来自吞吐量和质量的提高（2-3％），而典型的成本节省来自资本效率的提高（5％-10％）和制造成本的降低（4-8％）。此外，ABI研究表明，制造商可以期望蜂窝工业4.0解决方案的投资回报（ROI）增长10倍，而仓库所有者可以期望ROI的惊人增长14倍。

再举一个例子，当今世界上有超过2，300个活跃的采矿勘探地点。例如，在Boliden的露天Aitik矿山中，仅通过自动化钻头就可以使钻孔生产率提高40％。设备使用量的增加带来的额外节省还可以降低矿山（CapEx）的资本支出，并为其人员提供更好的安全和工作环境。

最后一个例子是世界上目前有835个活跃端口的潜力。一项针对中国青岛港自动化的私有5G网络试验的案例研究表明，如果要完全实施5G自动化，可以节省70％的人工成本。我们自己在意大利里窝那港的研究工作表明，情况大致相同，有可能在港口和码头运营方面节省大量资金，并减少船只的停泊时间并缩短货物放行时间。

行业挑战性的连接需求

对于工业流程中的关键业务服务（例如与组装线和其他生产方式有关的业务），无线连接越来越成为必需。对于生产高品质和高价值产品的制造商（例如，车辆），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秒就会完成20，000至80，000美元的新产品的定购，即使装配线停工数分钟也可能意味着严重的收入损失。对于许多行业而言，服务级别协议（SLA）将满足并规范此类需求，以确保网络正常运行时间和质量。然而，一些寻求使用专用许可频谱的制造商认为这对他们的运营至关重要，并且是风险管理的重要组成部分，他们会断言，如果没有自己的本地许可频谱，他们将需要对外部服务和频谱提供商承担法律约束力的责任。在最坏的情况下，他们将需要寻找跨越由于连接故障，数据失窃或人身伤害而导致的流水线停机时间的责任。在《通信服务提供商的成功关键要素》一章中讨论了对服务提供商的建议。他们将需要寻求因连接故障，数据失窃或人身伤害而导致流水线停机的责任。在《通信服务提供商的成功关键要素》一章中讨论了对服务提供商的建议。他们将需要寻求因连接故障，数据失窃或人身伤害而导致流水线停机的责任。在《通信服务提供商的成功关键要素》一章中讨论了对服务提供商的建议。

另一个要求是长期主张。生产设施通常需要15到20年的生命周期投资，制造商可能会在此期间寻求连接的可用性和可靠性。考虑到企业在选择供应商时倾向于选择自由，因此要求可能是要保证15至20年的服务不间断，同时还要保持供应商规模的灵活性。制造商在这种情况下可能会考虑的另一点是，如何在如此长的时间内处理设备的商业协议。因此，一项建议是，CSP应探索新的业务模型来支持行业对长期服务的需求。

随着行业数字化的发展，它们对连通性的依赖性增加，并且对可用性和可靠性提出了毫不妥协的要求。毫不奇怪，所需的连接类型有不同的需求。例如，一家电子零件厂实际上可能需要以节能的方式为数千个简单传感器供电，而同时又需要低延迟，基于云的机械臂操纵。这里的连接解决方案将需要同时满足各种网络需求，并以经济高效的方式满足苛刻的用例和服务（通常是公用网络的一部分），例如语音服务，Internet访问以及跟踪服务。

但是，给定制造站点上可用的连接性可能不足以满足行业的全部要求。因此，为了在售后市场中进行经济高效的升级并改善客户体验（例如），制造商可能希望具有在现场升级和跟踪产品的能力-仅凭本地连接性是不够的。

最后，不同的行业和公司对于哪些业务是其业务的核心，应将其保留在内部（而不是作为服务购买的那些），可以有不同的策略。这很可能会在他们解决连通性的方式中得到体现。因此，需要迎合那些希望自己拥有和操作设备以及相反倾向的行业，这些行业的服务可以通过自己的私有网络或从共享的公共网络外包和提供。

频谱协调–挑战

协调跨地区的频谱使用对于实现大众市场条件至关重要，这反过来又可以实现具有成本效益和竞争力的工业设备。许多国家/地区已经开始为5G广域蜂窝网络分配频谱，事实证明，快速的法规行动和决策对所有生态系统各方都非常积极，这使服务提供商和设备制造商能够进行技术投资以及使消费者受益有可能更早地享受新一代技术。一些国家也开始考虑将许可频谱作为工业数字化和工业应用的一部分。例如，德国已在2019年将3700–3800 MHz频段范围内的本地许可频谱分配给各行业，供其应用，日本同样宣布了28 GHz频段的分配。法国和意大利等其他国家/地区则主要考虑将频谱分配给CSP，然后CSP需要确保工业频谱的可用性*。监管机构之间采取的方法差异很大，分配的频段在许多情况下与现有企业共享。

*注：法国和意大利主要致力于通过分配给国家服务提供商来确保工业应用的频谱。

关于主管部门考虑的本地许可频谱，这些不同的分配给构建用于工业应用的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）设备的生态系统来支持，而且还需要包括在不同频谱上具有不同复杂性的工业设备的生态系统来支持。但是，这些生态系统仍在形成中。在附录A1中，可以在本文撰写之时（2020年5月）找到有关工业应用专用频谱分配的频谱分配和监管讨论的快照。

对本地许可频谱的监管原则的要求

监管者和决策者面临着一系列不同的挑战。在已经决定（或计划决定）本地许可的行业范围的国家中，监管机构和政策制定者必须找到易于理解且具有成本效益的监管模式。如果出于行业目的实施本地许可频谱，则他们必须确保其利用效率。此外，重要的是要注意，在国家内部管理许可频谱的方式也会影响3GPP路径的吸引力。当为了满足行业需求而在本地提供许可频谱时，应满足一些基本要求。

这些要求包括：

频谱访问必须长期可预测，以支持不间断的运行以及对生命周期通常为15至20年的生产过程和工业设施的重大投资。

应该避免授予过多的先发优势的计划，以免行业或其他参与者通过频谱ho积来阻止频谱。

尽管仍具有足够的安全余量以确保现有的本地网络不会受到干扰，但仍应保留尚未获得行业许可的本地频谱，以提高频谱许可证持有人（例如CSP）的频谱利用率。

应该注意的是，除非将设备和生态系统的可用性纳入本地许可频谱专用频率的决策中，否则无线电网络提供商和设备制造商可能会面临开发独特频段解决方案的挑战。

CSP成功的关键因素

CSP在MBB市场上长期以来一直很成功，并且能够利用蜂窝解决方案，3GPP能力，灵活的频谱资产，公共网络基础结构以及开发新的创新业务模型，在新兴的行业连接市场中赢得价值。

与MBB不同，行业的连接需求极为多样化。因此，为了以系统的方式实现所有行业的蜂窝连接，爱立信定义了四个IoT连接段，这些段可以有效地共存于单个5G网络中。这些包括：

大规模物联网，其连接目标是大量低成本，窄带宽设备，具有极高的覆盖范围和较长的电池寿命功能。大规模的物联网生态系统基于窄带物联网（NB-IoT）和LTE类别M（Cat-M）接入，到2020年将有数千万的商业用户在FDD频段运行。常见的用例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，与大规模物联网相比，连通性可提供比大规模物联网更高的数据速率和更低的延迟，同时可延长设备电池寿命并覆盖带宽比大规模物联网设备宽得多的设备。基于频分双工（FDD）和时分双工（TDD）频段中的各种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。当前，宽带物联网的使用主要由车辆，可穿戴设备，小工具，相机，传感器，执行器和跟踪器组成。

关键的IoT连接性，在特定的延迟目标内以所需的保证级别为数据传输提供时间紧迫的通信。关键物联网将与所有5G NR的时间紧迫的高级通信功能一起引入所有5G频段，并将通过5G核心（5GC）进一步增强。它包括5G最强大，最可靠和/或超低延迟的功能。典型的时间紧迫的用例包括基于云的AR / VR，云机器人技术，自动驾驶汽车，实时故障预防，触觉反馈，实时控制以及机器和流程的协调。

工业自动化物联网，支持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。这些功能要求5G NR和5GC。

物联网连接细分市场具有成本效益，顺畅且面向未来的发展，旨在加速在生态系统中的采用并最大程度地降低总拥有成本（TCO）。

每个IoT细分市场都满足了跨不同行业垂直领域的一组独特的连通性要求，从而最大程度地提高了CSP的投资回报率（ROI）。

CSP灵活的频谱资产使他们能够以最佳的方式满足行业需求，即使在拥有本地许可的行业频谱的国家中也是如此。不同的频段具有互补的特性，低频段是覆盖范围和可用性的理想选择，并且具有最多样化的设备支持（尽管带宽通常比中频段要小），中频段可以显着提高容量，并具有良好的覆盖范围，高频段提供重大的容量提升（尽管覆盖范围有限）。

对于TDD频段，要在容量，延迟和覆盖范围之间进行权衡，这取决于TDD传输模式的选择。另外，当使用TDD频带时，重要的方面是关于相同或相邻频谱上的网络的同步TDD模式。由于无线电波的传播特性，毫米波频段具有低于6 GHz的隔离度，因此具有相对宽松的TDD共存约束。

利用CSP的灵活频谱资产在性能，多样化用例，系统容量以及室内/室外覆盖范围内（无论是否具有本地频谱）提供最佳结果的好处。在大多数地区，本地许可的频谱位于mmWave频段，低于6GHz的TDD频段，或mmWave和低于6GHz的TDD频段。利用具有互补特性的CSP频谱资产可以提供主要好处，包括改善覆盖范围和可用性，Cat-M / NB-IoT访问和低延迟。对于低于6GHz TDD频段范围的本地频谱，CSP mmWave频段还可以潜在地提高容量并减少延迟。另一个好处是，CSP可以利用其公共频谱资产为行业提供优质的MBB和语音服务。就其本身而言，

根据有关什么业务是其业务的核心并保留在内部（而不是作为服务购买的业务）的行业策略，通信服务提供商可以通过各种方式部署蜂窝网络。广义上讲，有两种主要的网络部署概念可满足工业连接需求：

非公共网络（NPN）与公共网络（PN）结合使用，其中公共和非公共用户之间共享网络资源

其中将独立的独立网络部署为非公共用途与公共网络一起部署非公共网络可以重用网络基础结构，有效利用频谱并实现无缝移动。网络基础结构可以部分或全部部署在企业内部或外部，并且可以在公共和非公共用户之间共享。有三种实现方法：

共享RAN，其中RAN在公共和非公共用户之间共享，而其余网络组件则保持隔离（所有非公共数据和控制流量都在企业的逻辑前提内）

共享无线电访问和控制平面，其中核心网络控制平面除共享RAN外还托管在公共网络中（非公共用户数据保留在本地，而控制流量则离开企业办公场所，允许非公共用户无缝漫游）

由公共网络托管的非公共网络，其中非公共用户数据离开企业办公场所，同时仍允许企业从CSP的基础架构中获取专用资源（例如，通过跨无线电，传输，服务级别协议（在这种情况下，CSP还可以出于无线电覆盖和性能原因而在企业房屋内部署无线电接入节点）

在此，显示了网络不同组件之间的逻辑连接。

CSP在设计，构建，管理和维护蜂窝网络方面的技能和经验可对行业的成功发挥作用，并确保其专用网络与相邻的公共网络完美地互操作。

考虑到这一点，建议CSP开发新的业务模型，以解决行业的长期投资前景以及对质量和运营独立性的需求。这些新的业务模型还必须确保在生产设施的整个生命周期内均具有频谱可用性，并确保在合理的时间间隔内更改服务提供商的自由。满足这些要求，CSP可能会消除考虑选择3GPP许可技术路径的行业的主要问题之一。

本地许可的频谱成功原则

通过良好运行的市场和为消费者创造的竞争性服务，已证明将许可频谱用于有限数量的CSP的广域服务成功且具有成本效益，其中3GPP网络覆盖范围覆盖了全球95％的人口。工业领域的广谱将导致频谱的未充分利用和碎片化，从而降低其效率。至于本地许可频谱，情况则有所不同，因为部署通常是在私有财产上进行的，而通常是在室内进行的，因此无法自然地确保竞争性室内产品的可用性。

本文建议，如果各国决定专用于本地许可的频谱，则定义为“房地产原则”的想法应是在这样做时适用的首选原则。简而言之，这是指将获得本地许可的优先权与房地产所有权（或租户，取决于国家先决条件）联系起来。这个简单的原理满足了前面提到的三个要求：可预测的频谱访问，避免对先行者进行奖励以及确保未使用的本地频谱的可用性。房地产原则提供了随着时间的推移可预测的频谱访问权限，以及后期进入者获得本地频谱的持续可能性，并且仍然使未使用的频谱可供第三方短期或中期使用。

与不动产所有权原则相关的收益的其他一些示例包括：在大多数（如果不是全部）国家/地区中，围绕不动产的法律原则得到了确立，明确定义和理解，并被数字化。为了能够在拥有的财产上处置频谱而需要的逻辑连接也很容易理解，并且适合本地高性能系统的需求。应该允许租赁本地许可的频谱，以确保在所有情况下都可以使用频谱。

在房地产所有权模型中，CSP应该有可能使用预留频谱为房地产行业提供服务。大多数行业将希望由第三方来处理该操作，并且由于CSP提供的某些有吸引力的服务（例如漫游，广域移动性，语音/ IMS等）已优化了服务在他们的服务产品中，让房地产所有者特别自然的是，允许CSP在通常有三个左右的公共网络和一个逻辑IoT网络（例如在机场或医院）。CSP在这里可以轻松地将本地IoT网络作为组合网络进行处理，

另一个主要优点是，遵循此原则，房地产许可证的管理非常简单，因为房地产所有者必须简单地承担满足使用条件的责任，并（大概）为当地人支付初始费用和年费许可频谱的一部分，从而避免了复杂且耗时的拍卖程序。一旦确定了子频段并做出了监管决定，行业便可以开始计划和部署设备。为了使这种模式成功，将需要频谱管理系统来自动管理大量的本地许可证以及法规条件。

房地产所有者尚未声明的频谱也可以在有限的时间内提供给CSP和第三方（例如，用于体育活动或音乐会，需要临时增加覆盖范围或容量），但前提是要有足够的安全裕度保持充分保证现有的本地许可证不会受到干扰。

结论

CSP是行业定位良好的合作伙伴，具有多种独特优势，可独立于所采用的频谱原则赢得行业业务。为了获得成功，必须根据相关行业的需求量身定制产品，包括长期产品，高质量和运营独立性。

对于那些出于工业目的选择本地许可频谱路径的国家，本文提出了有关如何以简单和结构化的方式完成此工作的建议。我们将其称为“房地产所有者原则”，其中，房地产所有者应拥有基于所有者的工业频谱优先权，同时还有权利用本地CSP提供的公共服务授权频谱。
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