工业互联网现状及频谱分配政策研究

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

工业互联网的实质是将工业化和信息化进行深度融合，将机器、人、数据连接起来实现工业智能化。工业互联网的提出，整合了传统工业领域和网络信息领域两大优势，以物联网、移动互联网为代表的新兴信息技术加速向传统工业制造领域发展。全球多个工业大国结合本国制造业发展现状，纷纷加大了对本国工业互联网技术突破、战略布局、政策服务的支持力度，如“德国工业4.0”“美国工业互联网”“中国制造2025”“英国制造2050”“新工业法国”“日本互联工业”战略等，各国工业互联网相关政策不断出台，加速产业转型升级以及实施落地。其中《中国制造2025》明确指出：新一代信息技术与制造业深度融合，正在引发影响深远的产业变革，形成新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点[1]。信息化与工业化的融合对其基础的无线通信网络提出更深更广的支撑能力要求。

近几年来，我国工业互联网的发展和建设不断稳步推进。2017年11月，国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》[2]，成为工业互联网的纲领性文件。随后，工信部印发《工业互联网发展行动计划（2018-2020年）》[3]，明确了工业互联网发展初期的重点任务，为未来工业互联网的发展提供了指引方向。2020年3月，工信部出台《关于推动工业互联网加快发展的通知》，提出的多条举措为我国加快工业互联网创新发展提供了指南[4]。2020年11月，2020中国“5G+工业互联网”大会在武汉开幕[5]，习近平总书记为大会发来贺信，充分体现了国家对5G和工业互联网未来协同发展的高度重视。

然而，频谱资源短缺和用频环境复杂多变等问题使得工业互联网的发展面临严峻挑战[6]。一方面，随着无线通信技术广泛应用于工业制造业等领域，工业厂区内巨大的数据传输量会对频谱资源需求急剧增加，由于频谱资源是有限的，且用频技术的发展存在不足，会导致频谱资源短缺的问题日趋严重。另一方面，在工业互联网时代，工业场景不再是单一特定的用频环境，厂区内会存在大量无线终端设备，继而使得用频环境变得复杂多样，无线信号在厂区内传播产生的多径效应以及工厂内机械设备运行产生的噪声造成的电磁干扰，都会影响工厂内数据传输的可靠性和准确性[7]。

因此，为了更好地应对工业互联网发展带来的频谱需求和使用问题，了解并根据工业互联网的发展要求，梳理无线频谱在工业领域中的分配和使用现状十分必要。本文针对工业互联网高传输速率、密集接入、高可靠性等需求，调研工业互联网领域典型场景的频谱使用需求，研究全球范围内工业领域无线频谱的分配和使用现状及政策法规限制。并参考全球工业领域的相关成果，探究工业互联网频率分配及发展应用中遇到的痛点和难点，进而根据我国具体国情，对如何优化当前的频谱资源分配方式给出合理化建议。

1 工业互联网应用频谱需求

无线网络是工业互联网的基础网络，频谱是无线网络部署的重要资源。目前，很多工业企业现有内部网络无法支撑新型工业智能化场景中海量数据的实时传输和网络同步[8]，亟需进行底层网络升级改造，增加网络传输带宽。所以明确工业互联场景中业务的用频需求，是工业领域频谱规划与分配的基础。

全球工业制造商和工业互联网联盟在考虑到运营和数据安全、性能需求、经济成本等多方面因素的情况下，也正在对工业互联网的发展方向和频率需求进行相关研究。

国际电工委员会（IEC）2017年发布了IEC 62657-1，在“无线 通信要求和频谱考虑”部分提出至少需要76 MHz带宽的专用频谱，且在ETSI/TR 102 889-2，中给出了带宽评估的假设和结果。考虑到降低干扰，IEC/TS 62657-1建议工业领域频段考虑在1.4 GHz以上。在德国工业4.0相关的频率调研中，汽车工业运营者反馈工厂的机械控制功能至少需要100 MHz的频谱资源，在汽车软件灌装环节则需要650 MHz左右的频率资源。中国工业互联网产业联盟调研了汽车制造场景和电子信息制造场景两种典型工业场景下的频谱需求，其中汽车制造工业场景的频谱需求在200—600 MHz之间，当使用全向小区时，频谱需求高达1 800 MHz；电子信息制造工厂的频谱需求则在60—350 MHz之间。根据调研结果可以看出，不同业务场景的频谱需求相差悬殊，所以应综合考虑中频段和毫米波结合的频率规划，在中低业容量需求的场景中使用中频段满足覆盖需求，利用毫米波频段的大带宽来满足工厂内热点区域较大业务容量需求。

2 全球工业频率分配政策

工业领域行业专网作为5G赋能垂直领域的主要应用场景和支撑企业数字化转型的关键基础设施，已成为各国关注的重要领域，如何根据产业需求来科学合理分配频谱资源的难题亟待解决。一些国家开始探索频谱区域（local）牌照模式，美、英、德、日等国相继出台专用频谱政策[9]，为5G+垂直行业专用网络规划专用频段，加速推动垂直行业创新发展。据GSA统计，截至2020年12月，全球已经有37个国家/地区完成了基于5G/LTE的专用网络的频谱分配及部署。本节列举了法国、德国、英国、芬兰、日本等国外工业互联网频谱研究情况，为进一步提出我国工业互联网频谱划分和运营模式提供参考。

2.1 德国

随着德国工业4.0战略的发展，德国的大型工业企业开始逐步关注5G技术 与工业互联网的结合。2019年起，德国联邦网络管理局（BNetzA）开始考虑面向垂直行业分配5G专用频谱，并规划将3 700—3 8 00 MHz频段和24.25—27.5 GHz频段分批次分配用于建设5G企业专网。

BNetzA经过了前期多轮征求意见，于2019年11月正式发布了3 700—3 8 00 MHz频段的申请程序、管理规定及技术要求。其中要求：5G专网频率申请主体须为物权所有人，专网可在局部地区（如工业厂区、农林业用地等）提供无线接入服务，但不得用于公众网络；申请主体需要与相关频率使用主体达成频率协调协议以减少干扰；3 700—3 800 MHz频段采用技术中立原则；明确了5G专网的频率使用费用[10]。截至2020年9月底，BNetzA已发放了74张区域5G频谱许可，博世（Bosch）、宝马（BMW）、巴斯夫（BASF）、汉莎（Lufthansa）和德意志展览公司等将该频率用于工业自动化园区、博览会场地、农业和林业用地等局部地区的无线接入业务。

此外，考虑到垂直行业不同场景的频率需求差异，德国目前也考虑将毫米波24.25—27.5 GHz频段用于局部区域的专网5G建设，由于26 GHz附近存在多种原有同频无线电业务，未来尽量避免干扰，故专网5G频率的申请BNetzA将采用一事一议的方式。

2.2 英国

英国面向工业自动化以及局部区域物联网用户的专用通信需求，于2019年通过频谱共享技术引入了新的许可方法，可使新的本地移动接入用户与已授权用户共享频谱资源。

英国通信管理局（OFCOM）于2019年7月公布了“通过本地许可实现无线创新”声明，其中定义了两种类型的许可证：（1）本地访问许可证：对一些许可给英国移动网络运营商（MNO）但尚未规划使用的特定频谱进行二次授权，为其他用户提供指定区域范围的许可证。（2）共享访问许可证：允许在先到先得的基础上访问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共四个频段的本地许可证，并按信道带宽支付许可费用。为了给新用户提供多种选择，OFCOM提供了低功率和中功率两个不同版本的共享访问许可证。

2.3 日本

为了满足垂直行业用户（如工厂、铁路、港口、矿业）在区域范围内的个性化和灵活化的通信需求，日本总务省（MIC）于2018年开始考虑在特定使用场景下为某些个人或区域应用预留5G频段。2019年12月，日本开始发放2 575—2 595 MHz（自营BWA，可部署NSA锚点站）和28.2—28.3 GHz频段的本地5G频率牌照。经过对频段原有卫星通信系统和公共系统的清频，日本于2020年12月开放4.6—4.9 GHz和28.3—29.1 GHz两段本地5G频率的牌照申请。

2020年12月11日，根据征求意见的结果，日本发布了“引入本地5G的准则”，定义了本地5G频率使用要求、费用以及技术规范：本地5G频率只有物权所有人可申请，全国性的运营商不可申请本地5G频率，本地5G只能集中在局部地区进行网络部署；须与附近的本地5G许可证持有者进行区域协调，并与运营商协调同步操作；对本地5G频段使用技术条件和频率使用费用进行了规定。截至目前，日本富士通、丰田、东京都政府等均已获得本地5G频率许可，纷纷开始区域5G专网的建设，促进行业的数字化转型。

2.4 其他国家和地区

法国电信监管机构（ARCEP）决定规划2.6 GHz频段中的（2 570—2 620 MHz）共40 MHz TDD频谱用于建设私有LTE网络，每家可以使用5、10、20 MHz的频谱资源。

荷兰电信管理局（OPTA）打算在2022年至2026年，提供3 400—3 450 MHz和3 750—3 800 MHz的频谱供本地使用。该监管机构还在考虑将部分26 GHz频段预留给专用网络的本地牌照。

瑞典邮政和电信管理局（PTS）保留了3 720—3 800 MHz之间80 MHz的频率，供本地和区域许可证使用。

美国联邦通信委员会（FCC）在2020年4月23日批准开放5 925—7 125 MHz频段供非授权使用。美国FCC为公众无线宽带服务（CBRS）在3.5 GHz频段（3 550—3 700 MHz）提供150 MHz的频谱，建立了三层频谱共享接入体系监管模式。

2.5 全球各国工业频率分配模式的启发

根据全球工业互联网频率划分和使用管理模式的总结可以发现，在工业互联网的频率划分方面：工业互联网应用的频谱分配具备低频和高频频段相结合的使用趋势，借助低频段网络覆盖优势和高频段局域热点补充方式，满足不同数据流量需求的工业场景。在工业互联网频率的使用和管理模式方面：从专网频率的使用范围来看，与电信运营商的全国性5G公网频谱相比，大部分专网频谱都限定了使用区域范围；从分配对象来看，目前专网频谱主要面向工业等垂直行业主体；从分配方式来看，主要有以下两种模式：一是分配未被占用的专用频谱用于5G专网部署，二是通过监管机构二次授权的方式向企业分配专网频谱。

3 国内工业领域无线频谱分配现状与可用频谱梳理

随着工业互联网浪潮席卷全球，工业领域的应用变得更加复杂多样，对于频谱资源的需求也更旺盛。然而目前国内中低频频谱资源的应用已处于极度饱和状态，高频产业链的不成熟使得日益膨胀的工业网络用频需求与可用频谱资源短缺之间的矛盾日益突出，所以如何根据工业领域产业需求来分配现在及未来可用工业频谱的难题亟待解决。

目前我国已规划和分配的频率资源，分别包括公众移动通信系统频率（2G/3G/4G/5G）、专用移动通信系统频率、免授权的无线局域网（无线接入系统）频率以及免授权的微功率短距离无线电设备使用频率（微功率频率）。其中，我国为城市轨道交通、机场、港口、公共安全、应急通信等特殊场景规划了部分专用频谱资源，也为微功率短距离设备提供了免许可频谱。然而，已规划的专用许可频率在使用条件上具备严格的行业和场景限制，并不适用于工业智能制造的多种复杂用网场景。

截至目前，国内四家移动运营商均已经获得全国范围5G中低频段频率/试验频率使用许可。中低频兼备的频率分配方案兼顾了覆盖和速率，100 MHz连续大带宽的频率分配方案也可以充分发挥5G的技术优势。但由于运营商公网资源拥挤且宝贵，在公网无法完全承载工业领域业务的情况下，尚未分配的频谱资源也可成为工业领域专网候选频率。因此，我国目前工业领域潜在可用的频谱资源主要分为两类，可作为未来国内工业互联网频率规划的参考依据，如表1所示。

4 工业互联网解决方案

5G工业互联网有三种解决方案，作为先进的通信技术手段，以其大带宽、高速率、低时延、高可靠等诸多优势，可满足农业、医疗、矿业、制造等多种工业应用场景的需求，针对不同行业建设5G专网，找到适合不同场景的用频解决方案，可以让5G最大化赋能千行百业。

4.1 公网5G切片模式

当前工业领域用网场景多种多样，故无法用统一的一张网络来满足千差万别的需求。为了实现不同行业用户的多样化业务功能，可以用公网端到端切片方式灵活快速地按需进行网络定制。不同的切片共用运营商的基础设施，在逻辑上进行隔离，保证切片间相互独立工作。

公网切片模式由公网运营商负责网络运营支撑，不需要企业部署本地化的网络硬件基础设备，适合对数据安全性要求不高的企业进行5G专网部署。在满足企业基本需求的同时有效减少投资，是网络运营商进入5G专网领域的有效模式。

4.2 企业与网络运营商共享模式

企业及运营商共建5G专网模式是由企业共享网络运营商的现有公网核心网设备，在企业园区内建设接入网以及下沉本地的核心网。在使用时企业本地用户数据在园区核心网内进行处理，公共网络服务等控制面数据会接入到运营商公网核心网[11]。该模式可以使用运营商公网频率，也可使用工业互联网专用频率。

在专网建设中可以选择由网络运营商代为建设及维护整套专网系统，由于有建网运营丰富经验的运营商参与，该代建代维方式可相对减少企业的成本支出，也可以促使运营商和企业合作建网，充分发挥各自优势，实现双赢，但企业内部设备数据的私密性将不能被保证。在专网建设中也可选择租用运营商公网核心网设备，由企业自行建设部署本地接入网及核心网并设专人进行本地网络的维护，这种共建专网的模式虽然会增加企业的投资，但可以增强企业自主性，有效保障企业用户数据的安全，但是对安全性要求极高的企业可能不太适合这种建网模式。

4.3 企业自建5G专网模式

使用5G工业互联网专用频率，由企业在厂区自行建设完备的接入网、承载网和核心网等端到端设施，由企业独立进行专网的运营，与运营商公网完全隔离。这种企业自建5G专网的模式能够有效保障企业专网的安全性及灵活性，用户数据全部在本地厂区内安全的流转[12]，同时可以在不干扰附近大网的情况下灵活使用专网频率、安排厂区上下行时隙配比。

但企业自建专网模式会导致企业的建网和维护投资巨大，除此之外，由于频谱资源具有稀缺性，目前国内已分配的频谱资源中，并未包含5G专网频率，我国仍在探索工业互联网频率分配的方式。故企业自建专网运营模式仍然需要较长的时间去探索。

5 结束语

根据我国具体国情，建议根据全球其他国家频谱分配政策的经验，限定频谱使用主体和使用范围，这将对未来工业互联网频率使用的监管更为有利。为满足工业互联网多样化应用的用频需求，因此，在未来工业互联网频率规划与分配中，可参考国外频谱分配的模式，按不同行业应用场景中高、中、低通信速率和可靠性的差异化需求适配可用的频谱资源，提高频率利用率。

根据目前我国的频率分配及使用情况，建议我国频谱管理机构将工业互联网频谱和与公网频谱共享使用纳入5G网络规划的框架需求，并对现有公网频率用于工业等垂直行业领域网络建设的可行性进行论证和研究，争取为工业互联网领域分配未使用的频率。可考虑向工信部申请国内已分配的5G公网频率与工业企业共建5G专网，同时考虑将国内未分配的频谱资源用于专网建设。

国内的多家网络运营商可通过对各频段的使用和可行性进行论证和分析，可选取一种或多种方案结合的、灵活高效的工业网络用频解决方案。推动国内网络运营商依据自己在通信方面丰富的网络规划、建设和维护经验与企业合作共建5G专网，减少网络干扰问题，增强5G专网网络建设和维护的专业性，促进行业协同发展，实现合作共赢。

表1 工业领域潜在可用的频谱