賽迪：5G專網在工業互聯網中的應用(28頁).pdf

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1、 - 1 - 2019 年年 11 月月 25 日日 第第44期期 總第總第 427 期期 5G專網在工業互聯網中的應用專網在工業互聯網中的應用 【譯者按】【譯者按】2019 年可以說是 5G 元年，不僅是基于 C 端消費的 5G 應 用開始出現，而且也引發人們對 5G 在 B 端特別是工業領域的應用充滿期 待。今年 7 月，美國咨詢機構 Heavy Reading 攜手高通公司發布5G 專網 在工業互聯網中的應用白皮書，系統描述了 5G 專網的特點，討論了 5G 專網的關鍵問題， 提出了 5G 專網的部署模式， 重點分析了 5G 專網的頻譜 分配方式，以期為 5G 在方興未艾的工業互聯網建設

2、與應用分享技術資訊 和部署資源。智庫信息化與軟件產業研究所對該白皮書進行了編譯， 期望對我國有關部門有所借鑒。 【關鍵詞】【關鍵詞】 高通公司高通公司 工業互聯網工業互聯網 5G 專網專網 白皮書白皮書 - 2 - 一、一、5G 在工業互聯網中的應用在工業互聯網中的應用 專為企業級用戶設計部署的專網能夠優化和重新定義企業業 務流程，實現當前有線網絡和 Wi-Fi 網絡所不能實現的功能。對 工業用戶來說，這種專網能夠滿足生產關鍵應用在覆蓋范圍、性 能和安全生產等方面的工業需求，是以工業 4.0 為代表的信息物 理系統（CPS）的基礎設施。 專網的戰略重要性在 5G 研發中得到了體現。在前幾代網絡

3、 中， 專網只是公共蜂窩系統的附加功能， 而現在能夠直接依靠 5G 網絡實現未來專網的要求。這確保 5G 技術在未來能夠滿足客戶 對專網的要求，也提高客戶對 5G 網絡發展路線圖的信心，有助 于加快企業對 5G 網絡的部署和應用。 本白皮書認為， 5G 專網技術的可預測性和可靠性特別適合工 業用戶。本文討論了 5G 專網如何滿足工業應用的嚴苛要求，以 及 5G 網絡如何幫助各行業實現流程自動化，包括智能工廠和倉 庫、港口、石油和天然氣生產、化工廠、能源生產和配送等行業。 本文研究了 5G 專網的關鍵問題，包括終端用戶機構如何部署和 運行 5G 技術、專網和廣域公共網絡的整合，以及頻譜對于實現

4、專網的重要性。此外，本文還討論了如何在多樣授權、共享授權 和免授權頻譜頻段內部署 5G 專網。 - 3 - （一）（一）5G 專網的推動因素專網的推動因素 企業設計和部署專網的目的是優化或執行商業流程?？偟膩?說，有三個因素推動企業部署專網： 確保覆蓋范圍確保覆蓋范圍：通常部署在射頻（RF）或公共網絡覆蓋 范圍有限/不存在的地方（如偏遠地區）。 實現網絡控制實現網絡控制：5G 專網能夠實現公共網絡難以實現的網 絡控制，安全和數據隱私非常重要，尤其對高科技工業企 業而言，在本地服務器上保留敏感數據的能力至關重要。 獲得配置文件獲得配置文件： 企業需要能夠支持要求嚴苛的應用程序的 配置文件。在信息

5、物理系統中，與 LTE 和 Wi-Fi 相比，5G 具有明顯的性能優勢。 經過多年的發展，一個強大的 LTE 專網市場正在興起，其部 署遍及全球多個行業。 一方面， LTE 專網充分利用了其在全球 LTE 生態系統的優勢，包括高容量、標準化技術，并擁有能夠設計和 部署網絡的穩定供應商等。另一方面，全球 3GPP 技術的規模經 濟和互操作性優勢也適用于特定行業的設備使用 LTE 專網， 如傳 感器、自動導引運輸車（AGV）、安全攝像頭、安全裝備等。在 這方面，許多公司已擁有完善的供應鏈和成熟的實踐經驗。 LTE 專網也支持多種工業應用。 但當用戶在可用性、 可靠性、 延遲、抖動、設備密度、吞吐量

6、等方面有更高性能要求時，5G 專 - 4 - 網比 LTE 專網更適合。5G 在無線電領域和系統層面所具有的的 創新特征，也使其能更好地滿足高性能工業應用的要求。這些創 新具體包括： 無線電領域的創新無線電領域的創新：靈活的數字技術、超高可靠低時延通 信（URLLC）、空間分集、定位、服務質量（QoS）和頻 譜靈活性等。 系統層面的創新系統層面的創新：網絡切片、改善安全、新的身份驗證方 法、邊緣部署、應用程序編程接口（API）等功能。 基于上述原因，Heavy Reading 認為， 當工業用戶有苛刻的應 用需求時，將采用 5G 專網代替其他無線技術，相關試驗和商業 試點已在進行中。特別是，3

7、GPP 版本 16 中的功能和生態系統可 用以后， 5G 專網規模將迅速擴大。 版本 16 定于 2020 年上半年發 布，從 2021 年起進行大規模推廣。同時，LTE 專網作為一種功能 強大的技術，也為 5G 專網提供了清晰且有保障的升級路徑。當 前，市場上已經出現允許部署后升級的供應商解決方案，可以將 當下部署的 LTE 專網升級到 5G 專網或多模式 LTE/5G 專網。 （二）（二）5G 性能適用于多種工業應用性能適用于多種工業應用 專用工業設備在操作技術（OT）系統中使用各種有線或無線 網絡技術控制設備、過程和事件，并與設備進行交互。在某些情 況下，控制系統和物理執行器之間的鏈路性

8、能要求非常高，LTE - 5 - 和 Wi-Fi 無法滿足這種性能要求。 在工業領域，控制系統與車間中的物理生產設備之間的可靠 通信，通常依賴于各種現場總線通信技術。如今，這些通信現場 總線一般使用準專有工業以太網有線連接，傳輸用于控制器和執 行器通信的各種協議。然而，協議的多樣性和有線連接的限制， 使得操作環境極為復雜。 因此， 5G 的到來也可能會簡化工業網絡。 綜上所述，性能和整合復雜性的要求是工業領域使用 5G 網絡的 兩大驅動因素，如圖 1 所示。 高性能工業應用 各種通信協議和服務 5G專用網絡平臺 來源：Heavy Reading 圖 1：通過 5G 平臺整合工業網絡 比如，多個

9、行業現正在合作將各種現場總線轉換為一種通用 以太網標準，也稱為時間敏感網絡（TSN）。3GPP 標準機構了解 了該網絡鏈路的性能要求，并將其納入了 5G 規范。表 1 顯示了 機器人運動控制，以及控制到控制應用案例的性能要求。兩者都 是 5G 旨在支持的最嚴苛的應用領域，其要求遠遠超出 LTE 或 Wi-Fi 所能達到的極限。需要注意的是，利用 5G 建立的高性能網 絡專用于小型服務區域（如工廠車間），其中的用戶設備（UE） - 6 - 密度大于廣域網絡中的用戶設備密度。而廣域公共蜂窩網絡不可 能支持建立類似高性能網絡。 表 1：評估時間敏感網絡對 5G 新無線電技術的性能要求 服務可用性：服

10、務可用性： 目標值目標值 平均故平均故 障間隔障間隔 時間時間 消息大小消息大小 允許的允許的 端到端端到端 延遲延遲 持續持續 時間時間 用戶設用戶設 備速度備速度 用戶用戶 設備設備 數量數量 服務區域服務區域 99.999% - 99.99999% 約 10 年 50 個字節 500s 500s 75km/h 20 50m 10m 10m 99.9999% - 99.999999% 約 10 年 40 個字節 1ms 1ms 75km/h 50 50m 10m 10m 99.9999% - 99.999999% 約 10 年 20 個字節 2ms 2ms 75km/h 100 50m 1

11、0m 10m 來源：第三代合作伙伴計劃技術標準（3GPP TS）22.104，摘自表 5.2-1 第三代合作伙伴計劃技術標準（3GPP TS）22.104： “垂直領 域中信息物理控制應用的服務要求”，確定了若干工業應用和案 例的性能要求。 具體來說， 5G 專用局域網絡可支持以下具有嚴苛 性能要求的工業應用： 自動導引運輸車（自動導引運輸車（AGV）：）：自動導引車是工廠和倉庫中的主 要無線應用案例。在每個服務區域，與 Wi-Fi 和 LTE 相比，5G 技術可支持更多數量的自動導引車。 此外， 5G 還支持更高級的應 用，如視頻遙控燃料和化學品罐車等危險負載。 智能眼鏡：智能眼鏡：這一新興

12、儀器正在快速發展。智能眼鏡可用于遠 程為維護復雜工業設備的工程師提供專業知識，此外，還可用于 工業培訓。 - 7 - 超高清攝像機和機器視覺：超高清攝像機和機器視覺：在工業互聯網中，該技術可用于 預防性維護，以減少設備故障，例如，識別金屬疲勞或制造過程 中的故障。 5G 可支持高密度超高清攝像機生成的大量數據， 縮短 超高清攝像機識別缺陷并通知生產線所需的時間。 配電網：配電網：高壓配電網使用負荷控制系統，具有非常嚴格的延 遲要求和 5x9s 的可靠性要求， 否則可能會影響供電連續性。 目前， 高壓配電網通常依賴于老化的有線時分復用 （TDM） 網絡， 而 5G 能夠將為上述傳輸系統提供更現代

13、、更靈活的通信系統。 混合物聯網：混合物聯網：在工業領域中，有無數物聯網設備。有些設備 對延遲并不特別敏感， 或者不需要很高的帶寬和可用性， LTE （如 窄頻物聯網NB-IoT和 LTE-M）和 Wi-Fi 足以支持這些設備。但 是，隨著設備密度的增加，5G 網絡更具優勢（事實上，窄頻物聯 網可作為 5G 系統的一部分，與新無線接入NR技術一起使用）。 工業設備遙控：工業設備遙控：例如，移動式起重機、移動泵和固定門式起 重機。這些用戶設備通常處于靜止狀態或緩慢移動，其分布范圍 可能較大（如貨運碼頭）。 二、二、5G 專網部署模式專網部署模式 移動網絡技術幾乎都由獲許可的公共運營商部署和運營。

14、專 網是對這種機構的重大變革。關于哪一方應該設計、部署、運營 - 8 - 和擁有專網是一個存在爭議的問題。5G 專網（在 3GPP 術語中稱 為非公共網絡）有兩種基本形式。Heavy reading 預計市場將采用 這兩種方案： 不依賴獲許可的公共運營商或廣域網的獨立專網。不依賴獲許可的公共運營商或廣域網的獨立專網。 可以選 擇是否與公共網絡整合。 與公共網絡一起使用的專網。與公共網絡一起使用的專網?？蛇M行各種級別的整合。 在物理部署方面，術語“專網”是指專用于企業的無線電網 絡、核心網絡和資源傳輸網絡，甚至是由企業控制的網絡。這通 常意味著不管哪一方負責日常管理，網絡設備都將部署在客戶的 經

15、營場所。 專網對于關鍵工業設施運營技術 （OT） 尤其重要， 因為停機、 服務降級或安全漏洞等事故可能對企業經營和安全造成災難性 后果。該專網模式如圖 2 所示。 - 9 - 公公共共網網絡絡 專專用用網網絡絡 用戶控制網關服務 用戶控制網關服務 可 選 連 接 防火墻 來源：高通公司 圖 2：獨立的 5G 專網 另一個問題是：企業是否需要將專網和公共廣域網進行集 成？如果需要，應該如何集成？許多企業需要部署外部廣域移動 網絡，這種情況通常需要與專網連接。另外，一些工業流程也需 要將廣域網連接到專網，例如，跟蹤到達工廠的部件和查詢后續 供應鏈的貨物。專網和公共網絡之間這種聯系是一個需要關注的

16、領域。盡管 LTE 中存在相應的解決方案（例如，雙用戶識別模塊 SIM設備/訂閱和漫游接口），但仍有改進的空間。5G 系統架構 能支持更好地實現集成，使企業用戶漫游到公共網絡時，可以對 其數據和用戶進行更細粒度的控制。 - 10 - 圖 3 是與公共網絡更緊密整合的 5G 專網模式。這種方式下， 無線接入網（RAN）、網關、本地服務和防火墻都部署在專用區 域，但控制基礎設施（即用戶數據庫、策略服務器、IP 多媒體子 系統IMS等）由公共運營商托管。原則上，在公共網絡和專網切 換時，這種安排更易于策略維護和用戶配置文件維護。 公公共共網網絡絡 專專用用網網絡絡 用戶控制網關服務 本地 數據 網關

17、服務防火墻 來源：高通公司 圖 3：與運營商網絡整合的專網 這個集成模型有幾個不同的版本?；ヂ摴I和自動化 5G 聯 盟（ACIA）已確定工業互聯網專網的四個應用場景，每個都映射 到不同行業的服務中。這些模型旨在幫助 OT 公司將 5G 應用到 他們的業務，使工業互聯網成為 5G 服務的一部分。 - 11 - 總之，Heavy Reading 預計，對于智能制造而言，由于延遲、 控制和安全性要求，部署在本地的專網最為普遍；在物流和運輸 等領域，廣域網覆蓋更為重要，他們對共享公共網絡中的專用服 務有很大需求。 三、工業互聯網中的三、工業互聯網中的 5G 創新創新 對于 5G 的設計而言，信息物理

18、系統和工業互聯網應用的要 求至關重要。自技術研發工作開展以來，3GPP 就發布了相關開 發規范。圖 4 是 5G 系統的部分主要功能，可為工業用戶提供 5G 專網。 5G專用網絡 唯一網絡ID 獨立與整合架構 無縫返回公共網絡 頻譜 免授權新無線電技術、5G新無線電將支持： 授權頻譜 共享頻譜 免授權頻譜 超高可靠 低時延通信 低時延 超高可靠性 多點協作傳輸接收技術 服務多路復用技術 移動性增強 時間敏感網絡 5G以太網 可靠性網絡 設備時間同步 定位 基于網絡和設備 工業物聯網的需求 來源：高通公司 圖 4：工業互聯網的 5G 新無線電功能 第一版 5G 標準 （3GPP R-15 版本）

19、 規定了許多支持工業互聯 - 12 - 網的關鍵功能，包括靈活的數字技術和超低延遲。然而，雖然基 礎功能已經具備， 但第一代商用 5G 網絡只被部署到移動寬帶中， 并不支持工業通信網絡所需的所有高級功能。為了應對上述問 題，下一版 5G 標準，即 R-16 版正在緊鑼密鼓的開發過程中。其 計劃于 2020 年 3 月進行功能固定，并于 2020 年 6 月進行 ASN.1 固定（即協議固定）。 （一）（一）3GPP 支持工業互聯網的舉措支持工業互聯網的舉措 全球 3GPP 社區(成員包括領先的技術供應商、研究機構和網 絡運營商等)對工業互聯網格外關注。 這種多年的持續關注不僅吸 引匯聚了來自社

20、區成員的研發能力，更將在未來給予工業互聯網 用戶信心。 上述方案涉及的范圍十分廣泛。表 2 是 3GPP R-16 版標準中 致力于發展工業互聯網專網的方案， 主要包含第一層增強、 5G NR 技術，以及更高層的應用程序編程接口（API）等。這些 API 可 使第三方應用程序（如由 OT 企業開發的應用）在 5G 專網上實 現運行。 表 2：支持工業互聯網 5G 專網的 3GPP 方案 方案方案 內容概述內容概述 5G 局域網 （LAN） 將基于以太網的局域網（LAN）與 5G 整合 研究 R-16 版的要求（TR 22.821） 垂直領域的自動 化通信 垂直領域的自動化通信 研究 R-16

21、版的要求（TR 22.804） - 13 - 方案方案 內容概述內容概述 垂直領域中信息 物理控制 確定垂直領域中信息物理控制的要求 包括對專用于工業應用案例的局域網服務的支持 完成 R-16 版的要求（TS 22.104） 增強 5G 系統的垂 直局域網 改進 5G 系統支持的垂直局域網的架構 支持時間敏感網絡、時間同步和服務質量 專注非公共網絡，考慮連接公共網絡 通過應用程序編程接口為第三方應用提供服務 完成對 R-16 版標準的研究（TR 23.734） NR 工業互聯網 工業互聯網的無線電領域 示例包括工廠自動化、運輸行業和配電 包括 2/3 層級優化、時間敏感網絡、同步、服務質量、報

22、頭壓 縮等。 完成對 R-16 版標準的研究（TR 38.825） NR 移動性增強 0ms 中斷和高可靠性，實現切換性能 適用于不同頻率之間/頻率內切換 也有益于面臨切換難題的高速列車和航空應用案例 解決方案應記錄在多項規范中（如 TS38.300 和 TS38.331） NR 超高可靠低時 延通信 NR 可改善超高可靠低時延通信和工業互聯網 通過第 1 層增強功能滿足超高可靠低時延通信的要求 目標是更高可靠性（6x9s）、更強可用性（連接后可獲得所需 性能的用戶設備百分比）、更短時延（0.5ms 到 1ms） 完成對 R-16 版的研究（TR 38.824） NR 多輸入多輸出 技術 NR

23、 多輸入多輸出技術的各種增強功能 包括多個傳輸接收點傳輸，以提高可靠性和穩健性 包括用于超高可靠低時延通信的多個傳輸接收點技術（對于工 業互聯網至關重要） 解決方案應記錄在多項規范中（如 TS38.213） 免授權 NR 技術 2018 年 12 月，完成了技術報告（TR38.889） 研究在 7GHz 以下的免授權頻譜中基于 NR 的運行 考慮連接到 LTE 或 NR 授權錨點的基于 NR 技術的授權協助接 入（LAA）單元 覆蓋連接到 5G 核心網絡的免授權頻譜中基于 NR 技術的獨立 網絡 非公共網絡 非公共網絡的無線電領域 2019 年 8 月，開始 R-16 版工作 非公共網絡管理

24、擬研究非公共網絡管理 確定非公共網絡管理的應用案例和要求 提出規范工作建議 - 14 - 方案方案 內容概述內容概述 服務支持架構層 垂直領域服務支持架構層（TS 23.434） 為第三方應用補充通用應用程序編程接口框架（CAPIF） 應用支持性服務（例如，組管理、位置管理、網絡資源管理）。 可在垂直應用中重復使用 來源：Heavy Reading、3GPP （二）采用（二）采用 5G 多點協作技術，實現高可靠性多點協作技術，實現高可靠性 根據 TS22.104 描述，某些工業應用需要 99.9999的可靠性 和亞毫秒無線延遲，而使用傳統無線技術很難滿足這些要求。例 如，利用時域和頻域提高可靠

25、性的程度是有限的。時域的有限性 是因為對低延遲的要求不允許重傳丟幀；頻域的有限性是因為金 屬物體等障礙物在某種程度上可能會影響所有頻帶。為此，相關 人員提出了一種解決方案，即利用空間分集和多點協作（CoMP） 增強 5G 無線連接的可靠性。 多點協作技術通常會增加無線系統的容量，但這一技術可用 于實現更高的可靠性。多點協作技術可使用多個傳輸接收點 （TRP），協調用戶設備（如機器人或自動導引運輸車）與網絡 之間的并行數據流，從而將大大提高數據包的到達率。使用具有 多個傳輸接收點的多點協作提高可靠性的原理如圖 5 所示。 測試表明， 5G 多點協作技術可克服無線電環境中的阻塞， 從 而實現 3G

26、PP 設定的 99.9999可用性目標（即，僅丟失百萬分之 一數據包）。此外，從使用角度來看，在工廠車間等封閉環境中， - 15 - 采用多個傳輸接收點非常實用。在可靠性至關重要的工業應用 中，無論頻帶如何，空間分集的這種全新用途都很可能會起到重 要作用，這是多點協作技術在 5G 中的突破性應用。 分分布布式式5G基基站站 5G中中央央基基站站和和 多多點點協協作作服服務務器器 傳傳輸輸接接收收點點傳傳輸輸接接收收點點傳傳輸輸接接收收點點 來源：高通公司 圖 5：使用空間分集（多點協作）提高可靠性 （三）時間敏感網絡可滿足低時延性（三）時間敏感網絡可滿足低時延性 通過移動無線網絡傳輸時間敏感網

27、絡（TSN）的能力，有望 成為 5G 發展的主要技術成就之一。時間敏感網絡是電氣與電子 工程師協會（IEEE）制定的標準，旨在通過標準以太網網絡實現 可靠傳遞消息。時間敏感網絡是網絡第二層上的技術，通過集中 管理和協調調度以確保實時應用的可靠性能。這種性能對包括航 空航天、汽車、運輸、公用事業和制造業在內的許多行業都至關 - 16 - 重要。因此，時間敏感網絡很可能成為實時工業網絡的基線網絡 技術。 重要的是，R-16 版 5G 標準可與現有有線時間敏感網絡系統 交互工作。 如下圖 6 所示， 5G 定義了用于與時間敏感網絡設備和 系統交互工作的適配器。這些適配器可將時間敏感網絡的配置映 射到

28、 5G 服務質量框架中，從而通過報頭壓縮實現以太網幀的高 效傳輸。此外，許多工業設備需要達到微秒級的精確同步，而 5G 系統可以使用通用 5G 系統時間為這些工業應用提供所需的精確 同步。 以以太太幀幀頭頭有有效效載載荷荷 壓縮報頭 5G幀幀頭頭有有效效載載荷荷以以太太幀幀頭頭有有效效載載荷荷 時時間間敏敏感感 網網絡絡設設備備 以太 網絡 時時間間敏敏 感感網網絡絡 適適配配器器 時間敏 感網絡 適配器 用用戶戶 設設備備 空中 鏈路 服務質量 管理 5G 基基站站 ( (gNB) ) 回路 服務質量 管理 5G核核心心網網 用戶面 控制面 5G系系統統 時時間間敏敏感感 網網絡絡系系統統

29、以太 網絡 服務質量 管理 來源：高通公司 圖 6：5G 系統中的時間敏感網絡 （四）（四）5G 新無線電技術實現精確定位新無線電技術實現精確定位 3GPP 的 R-16 版引入 5G 定位技術， 未來將應用于多種應用。 - 17 - 工業市場需求調研發現，企業十分需要室內定位技術，以追蹤資 產、庫存和生產設備（如自動導引車）等。在多數情況下，GPS、 Wi-Fi 和 LTE 定位技術具有一定的局限性，在室內不夠可靠或不 夠精確。 5G 新無線電（NR）技術的許多特性都有助于實現精確定位， 包括使用多輸入多輸出天線陣列和寬帶寬等。尤其是在視距條件 下，這些特性使我們能夠相對準確地評估到達方向（

30、DoA）和到 達時間（ToA）。在應用多點協作技術實現多個傳輸接收點的情 況下，這種使用信號傳輸角度和時間的高精度定位尤其有效。 定位精度要求因應用而異。在某些情況下，僅需精確到米， 而在其他情況下，需要精確到幾十厘米。此外，定位精度要求還 受其他因素影響，如首次定位時間和被跟蹤物體的速度。例如， 定位某些類型的無人駕駛飛行器時可能需要精確到分米，而跟蹤 重型工業設備可能僅需要在精確到米。 根據網絡配置， 5G 網絡可 將精確度從幾米降低到 3GPP 設定的 20 厘米的目標。 為確保 5G 定位的穩健性和準確性，5G 框架可吸納非 3GPP 技術，制定混合定位方案，以提高準確性和可靠性。這通

31、常意味 著需要使用其他傳感器，如加速度計、陀螺儀、指南針、計算機 視覺和 GPS，與網絡定位協同工作。 - 18 - 四、四、5G 專網頻譜專網頻譜 專網需要頻譜。企業不經常使用移動網絡技術的主要原因之 一是，移動網絡必須在授權頻譜中運行，因此需要獲得國家監管 機構的授權，或與許可證持有者（通常是移動運營商）達成協議。 5G 技術將延續這種授權頻譜模式， 但同時一系列新的頻譜可選方 案正在涌現，這將有助于迅速提高專網的采用率。 （一）（一）工業互聯網的頻譜可選方案工業互聯網的頻譜可選方案 專網可以使用頻率范圍內的頻譜， 但需遵守不同的授權條款。 從工業互聯網的角度來看，重要的是頻譜被產品和集成

32、商生態系 統支持，并遵守具有長期規劃的穩定法規。這對于面向長生命周 期運行技術進行重大投資的工業用戶非常重要。 表 3 是 4 個可選項的主要頻譜，這些頻譜都向希望部署 5G 專網的工業公司開放。Heavy Reading 認為，這些頻譜都有效，且 在國家法規許可的情況下，都可能獲得廣泛應用。 表 3：工業互聯網頻譜 頻譜類型頻譜類型 說明說明 運營商所有的授權頻譜 延續經典頻譜授權模式 使用受保護頻譜對擔憂可靠性的用戶具有吸引力 正在制定用于出租/共享專網頻譜的機制 企業專用頻譜 許多市場都在嘗試該模式 例如，德國將 100MHz 頻寬（3.7-3.8GHz）分配給工業 用戶使用 有吸引力，

33、但小眾生態系統具有一定風險 - 19 - 頻譜類型頻譜類型 說明說明 免授權頻譜（w/異步共享） 主要頻段為 5GHz。美國將開放 6GHz，歐洲將緊隨其后 5GHz 免授權頻段的“先聽后說”規則 主要適用于不需要超高可靠低時延通信的 5G 專網 免授權頻譜 w/同步共享 在新的免授權頻譜分配（如 6GHz）中，有機會引入新 的共享機制 無線同步是改善共享的簡便途徑 在共址部署中實現更可靠的性能；使免授權頻譜適用 于超高可靠低時延通信應用 來源：Heavy Reading 美國 3.5GHz 頻段，即公民寬帶無線電服務（CBRS）頻段的 出現，表明人們對共享頻譜的態度正在發生變化。通過該頻段和

34、 免授權新無線電（NR-U）等創新，非運營商將更容易使用移動技 術。同樣，正在開發中的 5G 新無線電系統也可以使用多個共享 頻段。 （二）用于（二）用于 5G 專用的免授權頻譜（專用的免授權頻譜（NR-U） 3GPP 正在通過制定 R-16 版標準，努力規范 5G 新無線電在 免授權頻譜中的運行（即 NR-U），這有望使專網迅速擴展。免 授權 5G 共有兩種主要方案： 配置授權錨點的配置授權錨點的 5G NR 技術技術：這也被稱為授權頻譜輔助 接入（LAA）免授權 NR 技術。該 5G NR 技術最適合公 共網絡運營商，用于接入 5GHz 頻譜以獲得容量增益。隨 著時間的推移，該 5G NR

35、 技術將能夠在免授權 6GHz 和 毫米波（mmWave）頻譜上運行。 - 20 - 僅部署在免授權頻譜中的僅部署在免授權頻譜中的 5G NR 技術：技術：這也被稱為獨立 組網的 NR-U，對專網非常有用。在 5G 標準制定早期， 3GPP 就定義了 NR-U， 這在某種程度上使其更像是 5G 的 原生操作模式。 在免授權情況下，5G 共有兩種主要的頻譜共享模式： 異步共享頻譜：異步共享頻譜：使用這種頻譜，需遵循現有免授權頻譜共 存規則。也即，在這些頻帶中運行時，新無線電必須遵循 “先聽后說” (LBT)共享協議。 NR 可采用多種技術提高這 些共享頻譜的可靠性和可用性。 同步共享頻譜：同步共

36、享頻譜：是目前正在評估和開發的更高級方案。該 模式有望使共享頻譜更有效， 并使其性能更可靠且可預測 性更強。 但是這種方法不僅需要運營商之間使用帶有通用 同步參照的共享機制，還需要監管機構的支持。這種方案 可以在 6GHz 頻段使用，計劃在美國優先實施，再推廣到 歐洲。 （三）共享頻譜的協調（三）共享頻譜的協調使用使用 根據定義，免授權頻譜是共享頻譜。功率限制（通常為低功 率）和基于競爭的“先聽后說”機制可控制其他用戶干擾。當頻 譜的競爭用戶有限時，基于競爭的系統效果最佳；但當用戶很多 時，終端用戶性能和頻譜效率都會受到影響。這些負面影響可通 - 21 - 過一些方案予以彌補（尤其是網絡設計）

37、，但對于嚴格要求可靠 性的工業應用來說仍具有挑戰性。 其中一種擬議解決方案： 以互利方式同步訪問網絡通話時間， 既具有免授權頻譜的優勢（即所有企業都可使用），又能解決共 享難題。與空間共享（多點協作）相結合，該方案還可增加容量 并使服務質量可預測，從而使免授權頻譜更適合工業用戶，以及 超高可靠低時延通信服務。 該協調共享方案需要不受現有規則限制的新頻譜，5GHz 頻 段并不符合這一要求。美國正在探索一個有趣的選擇：6GHz 頻 段。聯邦通信委員會（FCC）計劃將 6GHz 頻段作為免授權頻譜 使用。其中一種提議認為應在 6GHz 的一部分頻段中進行時間同 步共享，而其余部分則使用原有方式共享（

38、即與 5GHz 的共享方 式類似），如圖 7 所示。在該種共享模式中，如果有多個用戶使 用同步共享頻帶部分（如兩個工業互聯網用戶），可利用時間同 步進行協調。 - 22 - 美美國國6GHz共共享享示示例例 美國新的6GHz免授權頻段； 在其中一部分頻段中（特定 頻段），時間同步操作優先 在特定頻段，如果沒有網 絡使用時間同步，則按原 有方式共享整個6GHz頻段 在特定頻段，如果有網絡 使用時間同步，則其他網 絡必須使用時間同步，以 彼此兼容 7.125 GHz 6.875 GHz 6.525 GHz 5.925 GHz 時間同步 異步“先聽后說” 同步“先聽后說” 異步“先聽后說” 異步“先

39、聽后說” 來源：高通公司 圖 7：時間同步共享，提高效率和可靠性 為響應“建議制定 6GHz 相關規則的通知”，高通公司提交 給聯邦通信委員會一份模擬結果。該結果顯示，6GHz 技術可增 加容量： 室內：室內：與異步技術基線相比，同步免授權新無線電可多提 供25的容量增益。 室外：室外：與異步技術基線相比，同步免授權新無線電可多提 供40的容量增益 （四）企業專用頻譜（四）企業專用頻譜 在部分市場，監管機構正在探索，或已經將授權頻譜分配給 垂直領域，以運行專網，尤其是工業互聯網。這通常意味著在較 小地理區域內進行授權，以確保盡可能多的企業重復使用和訪問 - 23 - 專用頻譜。相鄰網絡之間的協

40、調也在一定程度上有利于這種分配 方式。 授權企業使用專用頻譜運行專網存在爭議。大型工業企業支 持這種模式，因為該模式可確保頻譜的使用期限和網絡性能的可 預測性，對于工業互聯網來說這是一種理想選擇。但一些運營商 對該模式表示抵觸，并擔心專用頻譜可能導致頻譜的碎片化和低 效使用。 Heavy Reading 認為， 專用頻譜對工業互聯網來說是具有 吸引力的提議。盡管存在合理擔憂，即認為專用頻譜的生態系統 太小，無法容納大量用戶，但隨著更多市場和企業的采用，該模 式將得到改善。 表 4 總結了到 2019 年中期，世界各國/地區就適用于專網的 頻譜的分配方案，以及所采取的監管活動。隨著更多國家進行評

41、 估、確定授權條款，并創建申請流程，該清單將不斷得到補充完 善。越來越多的國家采取監管活動，也顯示出這一模式的應用正 在逐步得到推廣。 表 4：用于專用企業網絡的共享頻譜 國家國家/ /地區地區 頻譜頻譜 協調類型協調類型 現狀現狀 全球 5GHz 免授權 可用 美國 3.5 GHz 公民寬帶無線電服 務頻段 專用和共享授權 2019 年下半年使用 6GHz 擬議免授權 評估中 57-71GHz 免授權 可用 - 24 - 國家國家/ /地區地區 頻譜頻譜 協調類型協調類型 現狀現狀 37-37.6GHz 共享頻譜；本地授權 評估中 116-123GHz、 174.8-182GHz、 185-

42、190GHz 和 244-246GHz 免授權 已批準， 但生效日期 待定 中國內地 5.9-7.1GHz 或該頻段的一 部分 僅用于室內 評估中 中國香港 24.25-28.35(400MHz) 本地授權；監管機構 許可 已批準，2019 年第 三季度生效 澳大利亞 24.25-27.5GHz 評估 評估中 日本 第 1 階段： 2575-2595MHz （作 為非獨立組網錨點）和 28.2-28.3GHz 本地授權 技術條件已經許可； 計劃于 2019 年 12 月立法 第 2 階段：4.6-4.8GHz 和 28.3-29.1GHz 本地授權；可能使用 監管機構數據庫，但 尚未最終決定

43、計劃于 2019 年 8 月 進行商討；于 2020 年第三季度立法 歐洲 6GHz 評估 評估中 26GHz 評估 評估中 德國 3.7-3.8GHz 本地授權 分配完成；2019 年 下半年可用 英國 3.8-4.2GHz（10MHz 多樣授 權） 本地授權（50 平方 米）；監管機構數據 庫 已正式決定；2019 年底開始接受申請 57-71GHz 免授權 可用 芬蘭 3.4-3.8GHz 的二次授權 從運營商處租賃的本 地授權 分配完成 瑞典 3.7-3.8GHz 協商 協商中 荷蘭 3.7-3.8GHz 本地授權 協商中 2.3-2.4GHz 授權共享訪問在線預 訂系統 編制程序和特

44、別活 動 （PMSE） 獲批準使 用 3.5GHz 本地授權；線上預訂 系統 工業用途； 用戶可能 需移至 3.7-3.8GHz 法國 2.6GHz（20MHz 的時分雙工 TDD） 監管機構數據庫和許 可 專業移動無線通信 （PMR）獲批準使用 來源：Heavy Reading - 25 - 五、結論五、結論 工業用戶的需求和工業應用的性能要求是開發 5G 系統的核 心內容。無線通信行業正積極拓展服務市場。與此同時，工業企 業也在為 5G 技術的發展做貢獻，希望有機會利用移動網絡技術 重新設計和優化生產流程。為了實現互利共贏的目的，雙方正在 開展積極合作。 5G 系統融合了無數創新， 以支持

45、部署在本地的專網， 許多創 新旨在滿足工業應用的要求。 3GPP 的 R-16 版標準將于 2020 年 3 月進行功能固定，這將成為 5G 技術標準的里程碑。此外，整個 行業對 R-16 版能力的研發投入，表明對工業互聯網極其重視， 這有助于增強用戶對技術路線圖的信心。 擁有頻譜是開辟專網市場的關鍵之一。在不依賴公共蜂窩系 統或獲許可運營商的情況下，企業一旦具有部署網絡的能力，將 能夠更有效地控制網絡運行，并消除市場摩擦。企業專用頻譜和 免授權共享頻譜，均有助于加速專網的應用。模擬和試驗表明， 多點協作和同步共享等新無線電創新，有助于實現共享頻段中一 致的、高度可靠的性能。 然而，專用和免授

46、權頻譜市場也需要運營商。Heavy Reading 認為，在許多情況下，頻譜與由誰設計、運營和維護將不再固化。 有證據表明，運營商在企業專用頻譜中看到了商機，有些運營商 - 26 - 正準備利用這些頻段提供專網管理服務。除專網市場外，面向工 業企業的廣域和多站點服務同樣擁有巨大的市場前景。 面向工業用戶的 5G 專網，正引領著 5G 應用。 目前人們對工 業研發的重點投資，充分表明了工業互聯網的戰略重要性。 譯自： Private 5G Mobile Networks for Industrial IoT, July 2019 by Heavy Reading & Qualcomm 譯文作者：工業和信息化研究院 許亞倩 聯系方式：18610510092 電子郵件： - 28 - 編 輯 部：工業和信息化研究院 通訊地址：北京市海淀區紫竹院路 66 號大廈 15 層國際合作處 郵政編碼：100048 聯 系 人：姚 丹 聯系電話：（010）88559684 13811086893 傳 真：（010）88558833 網 址： 電子郵件： 報：部領導報：部領導 送：部機關各司局，各地方工業和信息化主管部門，送：部機關各司局，各地方工業和信息化主管部門， 相關部門及研究單位，相關行業協會相關部門及研究單位，相關行業協會