工業互聯網現狀及頻譜分配政策研究

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

工業互聯網的實質是將工業化和信息化進行深度融合，將機器、人、數據連接起來實現工業智能化。工業互聯網的提出，整合了傳統工業領域和網絡信息領域兩大優勢，以物聯網、移動互聯網為代表的新興信息技術加速向傳統工業制造領域發展。全球多個工業大國結合本國制造業發展現狀，紛紛加大了對本國工業互聯網技術突破、戰略布局、政策服務的支持力度，如“德國工業4.0”“美國工業互聯網”“中國制造2025”“英國制造2050”“新工業法國”“日本互聯工業”戰略等，各國工業互聯網相關政策不斷出臺，加速產業轉型升級以及實施落地。其中《中國制造2025》明確指出：新一代信息技術與制造業深度融合，正在引發影響深遠的產業變革，形成新的生產方式、產業形態、商業模式和經濟增長點[1]。信息化與工業化的融合對其基礎的無線通信網絡提出更深更廣的支撐能力要求。

近幾年來，我國工業互聯網的發展和建設不斷穩步推進。2017年11月，國務院發布《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》[2]，成為工業互聯網的綱領性文件。隨后，工信部印發《工業互聯網發展行動計劃（2018-2020年）》[3]，明確了工業互聯網發展初期的重點任務，為未來工業互聯網的發展提供了指引方向。2020年3月，工信部出臺《關于推動工業互聯網加快發展的通知》，提出的多條舉措為我國加快工業互聯網創新發展提供了指南[4]。2020年11月，2020中國“5G+工業互聯網”大會在武漢開幕[5]，習近平總書記為大會發來賀信，充分體現了國家對5G和工業互聯網未來協同發展的高度重視。

然而，頻譜資源短缺和用頻環境復雜多變等問題使得工業互聯網的發展面臨嚴峻挑戰[6]。一方面，隨著無線通信技術廣泛應用于工業制造業等領域，工業廠區內巨大的數據傳輸量會對頻譜資源需求急劇增加，由于頻譜資源是有限的，且用頻技術的發展存在不足，會導致頻譜資源短缺的問題日趨嚴重。另一方面，在工業互聯網時代，工業場景不再是單一特定的用頻環境，廠區內會存在大量無線終端設備，繼而使得用頻環境變得復雜多樣，無線信號在廠區內傳播產生的多徑效應以及工廠內機械設備運行產生的噪聲造成的電磁干擾，都會影響工廠內數據傳輸的可靠性和準確性[7]。

因此，為了更好地應對工業互聯網發展帶來的頻譜需求和使用問題，了解并根據工業互聯網的發展要求，梳理無線頻譜在工業領域中的分配和使用現狀十分必要。本文針對工業互聯網高傳輸速率、密集接入、高可靠性等需求，調研工業互聯網領域典型場景的頻譜使用需求，研究全球范圍內工業領域無線頻譜的分配和使用現狀及政策法規限制。并參考全球工業領域的相關成果，探究工業互聯網頻率分配及發展應用中遇到的痛點和難點，進而根據我國具體國情，對如何優化當前的頻譜資源分配方式給出合理化建議。

1 工業互聯網應用頻譜需求

無線網絡是工業互聯網的基礎網絡，頻譜是無線網絡部署的重要資源。目前，很多工業企業現有內部網絡無法支撐新型工業智能化場景中海量數據的實時傳輸和網絡同步[8]，亟需進行底層網絡升級改造，增加網絡傳輸帶寬。所以明確工業互聯場景中業務的用頻需求，是工業領域頻譜規劃與分配的基礎。

全球工業制造商和工業互聯網聯盟在考慮到運營和數據安全、性能需求、經濟成本等多方面因素的情況下，也正在對工業互聯網的發展方向和頻率需求進行相關研究。

國際電工委員會（IEC）2017年發布了IEC 62657-1，在“無線 通信要求和頻譜考慮”部分提出至少需要76 MHz帶寬的專用頻譜，且在ETSI/TR 102 889-2，中給出了帶寬評估的假設和結果。考慮到降低干擾，IEC/TS 62657-1建議工業領域頻段考慮在1.4 GHz以上。在德國工業4.0相關的頻率調研中，汽車工業運營者反饋工廠的機械控制功能至少需要100 MHz的頻譜資源，在汽車軟件灌裝環節則需要650 MHz左右的頻率資源。中國工業互聯網產業聯盟調研了汽車制造場景和電子信息制造場景兩種典型工業場景下的頻譜需求，其中汽車制造工業場景的頻譜需求在200—600 MHz之間，當使用全向小區時，頻譜需求高達1 800 MHz；電子信息制造工廠的頻譜需求則在60—350 MHz之間。根據調研結果可以看出，不同業務場景的頻譜需求相差懸殊，所以應綜合考慮中頻段和毫米波結合的頻率規劃，在中低業容量需求的場景中使用中頻段滿足覆蓋需求，利用毫米波頻段的大帶寬來滿足工廠內熱點區域較大業務容量需求。

2 全球工業頻率分配政策

工業領域行業專網作為5G賦能垂直領域的主要應用場景和支撐企業數字化轉型的關鍵基礎設施，已成為各國關注的重要領域，如何根據產業需求來科學合理分配頻譜資源的難題亟待解決。一些國家開始探索頻譜區域（local）牌照模式，美、英、德、日等國相繼出臺專用頻譜政策[9]，為5G+垂直行業專用網絡規劃專用頻段，加速推動垂直行業創新發展。據GSA統計，截至2020年12月，全球已經有37個國家/地區完成了基于5G/LTE的專用網絡的頻譜分配及部署。本節列舉了法國、德國、英國、芬蘭、日本等國外工業互聯網頻譜研究情況，為進一步提出我國工業互聯網頻譜劃分和運營模式提供參考。

2.1 德國

隨著德國工業4.0戰略的發展，德國的大型工業企業開始逐步關注5G技術 與工業互聯網的結合。2019年起，德國聯邦網絡管理局（BNetzA）開始考慮面向垂直行業分配5G專用頻譜，并規劃將3 700—3 8 00 MHz頻段和24.25—27.5 GHz頻段分批次分配用于建設5G企業專網。

BNetzA經過了前期多輪征求意見，于2019年11月正式發布了3 700—3 8 00 MHz頻段的申請程序、管理規定及技術要求。其中要求：5G專網頻率申請主體須為物權所有人，專網可在局部地區（如工業廠區、農林業用地等）提供無線接入服務，但不得用于公眾網絡；申請主體需要與相關頻率使用主體達成頻率協調協議以減少干擾；3 700—3 800 MHz頻段采用技術中立原則；明確了5G專網的頻率使用費用[10]。截至2020年9月底，BNetzA已發放了74張區域5G頻譜許可，博世（Bosch）、寶馬（BMW）、巴斯夫（BASF）、漢莎（Lufthansa）和德意志展覽公司等將該頻率用于工業自動化園區、博覽會場地、農業和林業用地等局部地區的無線接入業務。

此外，考慮到垂直行業不同場景的頻率需求差異，德國目前也考慮將毫米波24.25—27.5 GHz頻段用于局部區域的專網5G建設，由于26 GHz附近存在多種原有同頻無線電業務，未來盡量避免干擾，故專網5G頻率的申請BNetzA將采用一事一議的方式。

2.2 英國

英國面向工業自動化以及局部區域物聯網用戶的專用通信需求，于2019年通過頻譜共享技術引入了新的許可方法，可使新的本地移動接入用戶與已授權用戶共享頻譜資源。

英國通信管理局（OFCOM）于2019年7月公布了“通過本地許可實現無線創新”聲明，其中定義了兩種類型的許可證：（1）本地訪問許可證：對一些許可給英國移動網絡運營商（MNO）但尚未規劃使用的特定頻譜進行二次授權，為其他用戶提供指定區域范圍的許可證。（2）共享訪問許可證：允許在先到先得的基礎上訪問OFCOM管理的1 781.7—1 785 MHz/1 876.7—1 880 MHz、2 390—2 400 MHz、3.8—4.2 GHz和24.25—26.5 GHz共四個頻段的本地許可證，并按信道帶寬支付許可費用。為了給新用戶提供多種選擇，OFCOM提供了低功率和中功率兩個不同版本的共享訪問許可證。

2.3 日本

為了滿足垂直行業用戶（如工廠、鐵路、港口、礦業）在區域范圍內的個性化和靈活化的通信需求，日本總務省（MIC）于2018年開始考慮在特定使用場景下為某些個人或區域應用預留5G頻段。2019年12月，日本開始發放2 575—2 595 MHz（自營BWA，可部署NSA錨點站）和28.2—28.3 GHz頻段的本地5G頻率牌照。經過對頻段原有衛星通信系統和公共系統的清頻，日本于2020年12月開放4.6—4.9 GHz和28.3—29.1 GHz兩段本地5G頻率的牌照申請。

2020年12月11日，根據征求意見的結果，日本發布了“引入本地5G的準則”，定義了本地5G頻率使用要求、費用以及技術規范：本地5G頻率只有物權所有人可申請，全國性的運營商不可申請本地5G頻率，本地5G只能集中在局部地區進行網絡部署；須與附近的本地5G許可證持有者進行區域協調，并與運營商協調同步操作；對本地5G頻段使用技術條件和頻率使用費用進行了規定。截至目前，日本富士通、豐田、東京都政府等均已獲得本地5G頻率許可，紛紛開始區域5G專網的建設，促進行業的數字化轉型。

2.4 其他國家和地區

法國電信監管機構（ARCEP）決定規劃2.6 GHz頻段中的（2 570—2 620 MHz）共40 MHz TDD頻譜用于建設私有LTE網絡，每家可以使用5、10、20 MHz的頻譜資源。

荷蘭電信管理局（OPTA）打算在2022年至2026年，提供3 400—3 450 MHz和3 750—3 800 MHz的頻譜供本地使用。該監管機構還在考慮將部分26 GHz頻段預留給專用網絡的本地牌照。

瑞典郵政和電信管理局（PTS）保留了3 720—3 800 MHz之間80 MHz的頻率，供本地和區域許可證使用。

美國聯邦通信委員會（FCC）在2020年4月23日批準開放5 925—7 125 MHz頻段供非授權使用。美國FCC為公眾無線寬帶服務（CBRS）在3.5 GHz頻段（3 550—3 700 MHz）提供150 MHz的頻譜，建立了三層頻譜共享接入體系監管模式。

2.5 全球各國工業頻率分配模式的啟發

根據全球工業互聯網頻率劃分和使用管理模式的總結可以發現，在工業互聯網的頻率劃分方面：工業互聯網應用的頻譜分配具備低頻和高頻頻段相結合的使用趨勢，借助低頻段網絡覆蓋優勢和高頻段局域熱點補充方式，滿足不同數據流量需求的工業場景。在工業互聯網頻率的使用和管理模式方面：從專網頻率的使用范圍來看，與電信運營商的全國性5G公網頻譜相比，大部分專網頻譜都限定了使用區域范圍；從分配對象來看，目前專網頻譜主要面向工業等垂直行業主體；從分配方式來看，主要有以下兩種模式：一是分配未被占用的專用頻譜用于5G專網部署，二是通過監管機構二次授權的方式向企業分配專網頻譜。

3 國內工業領域無線頻譜分配現狀與可用頻譜梳理

隨著工業互聯網浪潮席卷全球，工業領域的應用變得更加復雜多樣，對于頻譜資源的需求也更旺盛。然而目前國內中低頻頻譜資源的應用已處于極度飽和狀態，高頻產業鏈的不成熟使得日益膨脹的工業網絡用頻需求與可用頻譜資源短缺之間的矛盾日益突出，所以如何根據工業領域產業需求來分配現在及未來可用工業頻譜的難題亟待解決。

目前我國已規劃和分配的頻率資源，分別包括公眾移動通信系統頻率（2G/3G/4G/5G）、專用移動通信系統頻率、免授權的無線局域網（無線接入系統）頻率以及免授權的微功率短距離無線電設備使用頻率（微功率頻率）。其中，我國為城市軌道交通、機場、港口、公共安全、應急通信等特殊場景規劃了部分專用頻譜資源，也為微功率短距離設備提供了免許可頻譜。然而，已規劃的專用許可頻率在使用條件上具備嚴格的行業和場景限制，并不適用于工業智能制造的多種復雜用網場景。

截至目前，國內四家移動運營商均已經獲得全國范圍5G中低頻段頻率/試驗頻率使用許可。中低頻兼備的頻率分配方案兼顧了覆蓋和速率，100 MHz連續大帶寬的頻率分配方案也可以充分發揮5G的技術優勢。但由于運營商公網資源擁擠且寶貴，在公網無法完全承載工業領域業務的情況下，尚未分配的頻譜資源也可成為工業領域專網候選頻率。因此，我國目前工業領域潛在可用的頻譜資源主要分為兩類，可作為未來國內工業互聯網頻率規劃的參考依據，如表1所示。

4 工業互聯網解決方案

5G工業互聯網有三種解決方案，作為先進的通信技術手段，以其大帶寬、高速率、低時延、高可靠等諸多優勢，可滿足農業、醫療、礦業、制造等多種工業應用場景的需求，針對不同行業建設5G專網，找到適合不同場景的用頻解決方案，可以讓5G最大化賦能千行百業。

4.1 公網5G切片模式

當前工業領域用網場景多種多樣，故無法用統一的一張網絡來滿足千差萬別的需求。為了實現不同行業用戶的多樣化業務功能，可以用公網端到端切片方式靈活快速地按需進行網絡定制。不同的切片共用運營商的基礎設施，在邏輯上進行隔離，保證切片間相互獨立工作。

公網切片模式由公網運營商負責網絡運營支撐，不需要企業部署本地化的網絡硬件基礎設備，適合對數據安全性要求不高的企業進行5G專網部署。在滿足企業基本需求的同時有效減少投資，是網絡運營商進入5G專網領域的有效模式。

4.2 企業與網絡運營商共享模式

企業及運營商共建5G專網模式是由企業共享網絡運營商的現有公網核心網設備，在企業園區內建設接入網以及下沉本地的核心網。在使用時企業本地用戶數據在園區核心網內進行處理，公共網絡服務等控制面數據會接入到運營商公網核心網[11]。該模式可以使用運營商公網頻率，也可使用工業互聯網專用頻率。

在專網建設中可以選擇由網絡運營商代為建設及維護整套專網系統，由于有建網運營豐富經驗的運營商參與，該代建代維方式可相對減少企業的成本支出，也可以促使運營商和企業合作建網，充分發揮各自優勢，實現雙贏，但企業內部設備數據的私密性將不能被保證。在專網建設中也可選擇租用運營商公網核心網設備，由企業自行建設部署本地接入網及核心網并設專人進行本地網絡的維護，這種共建專網的模式雖然會增加企業的投資，但可以增強企業自主性，有效保障企業用戶數據的安全，但是對安全性要求極高的企業可能不太適合這種建網模式。

4.3 企業自建5G專網模式

使用5G工業互聯網專用頻率，由企業在廠區自行建設完備的接入網、承載網和核心網等端到端設施，由企業獨立進行專網的運營，與運營商公網完全隔離。這種企業自建5G專網的模式能夠有效保障企業專網的安全性及靈活性，用戶數據全部在本地廠區內安全的流轉[12]，同時可以在不干擾附近大網的情況下靈活使用專網頻率、安排廠區上下行時隙配比。

但企業自建專網模式會導致企業的建網和維護投資巨大，除此之外，由于頻譜資源具有稀缺性，目前國內已分配的頻譜資源中，并未包含5G專網頻率，我國仍在探索工業互聯網頻率分配的方式。故企業自建專網運營模式仍然需要較長的時間去探索。

5 結束語

根據我國具體國情，建議根據全球其他國家頻譜分配政策的經驗，限定頻譜使用主體和使用范圍，這將對未來工業互聯網頻率使用的監管更為有利。為滿足工業互聯網多樣化應用的用頻需求，因此，在未來工業互聯網頻率規劃與分配中，可參考國外頻譜分配的模式，按不同行業應用場景中高、中、低通信速率和可靠性的差異化需求適配可用的頻譜資源，提高頻率利用率。

根據目前我國的頻率分配及使用情況，建議我國頻譜管理機構將工業互聯網頻譜和與公網頻譜共享使用納入5G網絡規劃的框架需求，并對現有公網頻率用于工業等垂直行業領域網絡建設的可行性進行論證和研究，爭取為工業互聯網領域分配未使用的頻率。可考慮向工信部申請國內已分配的5G公網頻率與工業企業共建5G專網，同時考慮將國內未分配的頻譜資源用于專網建設。

國內的多家網絡運營商可通過對各頻段的使用和可行性進行論證和分析，可選取一種或多種方案結合的、靈活高效的工業網絡用頻解決方案。推動國內網絡運營商依據自己在通信方面豐富的網絡規劃、建設和維護經驗與企業合作共建5G專網，減少網絡干擾問題，增強5G專網網絡建設和維護的專業性，促進行業協同發展，實現合作共贏。

表1 工業領域潛在可用的頻譜