產業數位化勢在必行，5G行動網路成為無線連接關鍵。產業專用無線網路須透過授權頻譜以保證穩定連接，對電信商而言，掌握5G技術並取得頻譜，將會是滿足產業連接需求的最佳方案。
許多產業將5G視為第四次工業革命的關鍵基礎，透過該技術促進各式產業創新、提升效率並創造成長。5G對於電信商來說，將是擴大市場的好機會。
建構行動通訊網路需要透過授權頻譜(Licensed Spectrum)來取得可靠的連接性，各國也正在討論產業專用頻譜的制定方式。一些國家已開始提供產業專用頻譜，但也有部分國家不採用此策略。本文不欲對頻譜策略進行利弊探討，而是專注於需要特定區域界限內的行動通訊網路的產業。本文試圖說明，無論政府是否為產業保留專用頻譜，電信商都可以透過掌握5G網路，找到滿足產業連接需求的最佳方案，和以產業為主的商業模式。對於打算實施產業專用頻譜的監管機構，本文將說明此策略最好以簡明原則及大多數國家已具備的完善立法基礎來進行的原因。
3GPP行動網路技術推動產業自動化
電信商擁有絕佳機會，能以基於第三代合作夥伴計畫(3GPP)的行動網路技術滿足工業網路連接需求。此技術可達成不同領域的不同要求，包含製造業、採礦業、航運業、能源和公用事業、汽車和運輸、公共安全、媒體和娛樂、醫療保健和教育產業等。上述產業中，已有許多企業成為電信商客戶。2030年5G市場潛力報告指出[1]，電信商在這些產業中的5G相關潛在市場的營收將於2030年達近7,000億美元[2]。
本文的目標之一是解決早期採用3GPP定義之行動網路的產業面臨的頻譜連接問題，特別是製造業、採礦業和航運業，以及其他有機會使用行動網路，但尚未廣泛採用的產業，例如機場、石油和天然氣、倉儲、醫院、教育和營建業。以製造業為例，製造業典型的商業模式以控制生產流程、改進材料管理、提高安全性和引入新工具為主，藉由提高產量和品質創造收入成長(2~3%)，並透過提高資本效率(5~10%)和降低製造成本(4~8%)來節約成本[3]。全球研究機構ABI Research顯示，製造商可預期行動網路工業4.0解決方案的投資報酬率(ROI)增加10倍，而倉庫所有者可預期ROI達14倍[4]。另外，全世界有超過2,300個經營中的礦場[5]，以博利登(Boliden)的露天Aitik礦山為例，單靠鑽機自動化便可將生產率提高40%[6]，不僅提升設備效能，還額外節省採礦的資本支出(Capital Expenditure)，並為員工提供更安全的工作環境。最後一項例子，全球總共有835個營運中的港口[7]，其中針對中國青島港自動化5G專用網路試驗的個案研究顯示，如果全面實施5G自動化，可以節省70%的勞動成本[8]。除此之外，愛立信(Ericsson)在意大利里窩那港(Porto di Livorno)進行的研究得出相似結果，自動化可顯著節省港口和碼頭的運作成本，並減少船舶靠泊時間和貨物放行所需時間。
產業網路需求增加 無線連接挑戰重重
無線連接日漸成為製造流程中的關鍵，用於裝配線和其他生產所需設備。對於產量大且產品價值高的汽車製造商而言，網路的易取得性和可靠性至關重要。考慮到汽車製造商大約每60秒生產一個價值20,000~80,000美元的新產品[9]，就算只是幾分鐘的裝配線停機也可能造成嚴重損失。對許多產業而言，服務層級協定(SLA)可確保網路的正常運行時間和品質，避免停機情況發生。尋求專用頻譜的製造商認為專用頻譜是改善產線運作的關鍵。以風險管理的角度來看，若製造商未能持有授權頻譜，便須向外尋找服務供應商，取得頻譜供應商具法律效力的服務保證。若業者面臨最糟糕的情況，可能須承擔連接故障、資料竊取或人身傷害等問題導致的產線停機後果，因此須要求外部服務和頻譜供應商承擔法律責任。
此外，生產設備通常具有15~20年的生命週期，製造商會在此期間尋求易連接、可靠的網路。考量企業偏好在挑選網路供應商時具備自由選擇的權力，最終企業很可能會希望能在擁有供應商選擇權的前提下，同時取得15~20年不中斷的服務。這種情況下，製造商須考慮如何解決長期的設備協議問題。為協助製造商應對這項挑戰，電信商開發可支援產業長期服務需求的新商業模式。隨著產業數位化程度提升，企業也越來越需要易取得且可靠的網路連接(圖1)。各個產業對於網路連接的需求不盡相同，如電子元件工廠需要的是支援數千個簡單感測器的節能方案，同時要求低延遲、基於雲端的機械臂操控。因此，網路連接解決方案須同時滿足各類網路需求，並以符合成本效益的方式實現公用網路(Public Network)範疇內的要求及服務，例如語音服務、網際網路存取以及追蹤服務。
圖1 智慧工廠使用多種無線設施，需要多點無線連接
製造商可取得的網路連接不見得能夠滿足產業所有要求，因此，為了符合成本效益並改善客戶體驗，製造商可能會希望能夠直接升級並有效追蹤產品去向，而僅靠本地連接並無法滿足這項要求。
最後，針對哪些作業應歸於企業核心，因而須使用企業網路，而非電信商提供的網路服務，不同產業和企業有不同看法，這將影響企業採取的連接策略。因此，需要同時滿足以下兩種企業的需求，即希望確保資料安全而使用企業網路的企業，以及願意將服務外包，使用專用網路或公用網路的企業。
授權/租賃：頻譜多樣化分配
跨地區協同頻譜對於實現大眾市場條件至關重要，這反過來又可以打造具有成本效益和競爭力的工業設備。許多國家已經開始為5G廣域行動網路分配頻譜，而過往經驗已證明，盡快完成立法程序及決策對所有生態圈的相關團體都十分有幫助，讓服務供應商、設備製造商能夠進行技術投資，而消費者也可盡早享受新一代技術。一些國家也開始考慮將授權/租賃頻譜作為產業數位化和產業應用的一部分(圖2)，例如德國在2019年將3,700~3,800MHz頻段的頻譜分配給產業使用；日本也同樣宣布分配28GHz頻段給企業專用；其他國家如捷克共和國和丹麥則選擇以另一種方式提供產業專用頻譜，即根據預先訂好的價格向產業提供頻譜租賃。各國監管機構採取的方法大相逕庭，分配的頻段在許多情況下與現有機構共享。
圖2 進行中的產業頻譜或已分配的專用本地頻譜，包括監管機構通過租賃方式提供的頻譜
本地授權/租賃頻譜多樣化的分配對建構設備生態系統提出挑戰。設備晶片組不僅需要支援傳統行動寬頻(MBB)設備生態系統，還需要支援在不同頻譜頻段上，具備各種複雜度的設備所構成的生態系統，而這些生態系統仍在逐漸成形中。歐洲執委會(EC)已確定垂直使用者和無線區域網路對中頻段授權頻譜的需求，並已授權歐洲郵電管理委員會(CEPT)調查在地無線連接3.8~4.2GHz頻段共享使用和頻率協調的情形[10]。這項任務須在2024年3月前完成，並於2022年11月和2023年7月提交報告。
本地頻譜監管原則
監管機構和政策制定者面臨不同挑戰。在已決定或計畫採用本地授權/租賃產業頻譜的國家，監管機構和政策制定者必須找到一種容易理解且具成本效益的監管模式，並且必須確保其能有效投入產業應用。此外，國家管理授權/租賃頻譜的方式也會影響3GPP的吸引力。為滿足產業需求而在當地提供授權/租賃頻譜時，應滿足一些基本要求，包括：
．頻譜的使用必須在很長一段時間內是可預測的，以支援不間斷的營運，且生產過程中的重大投資和工業設施應通常具有15~20年的生命週期。
．頻譜是稀有資源，確保頻譜資源有效運用是各國監理機關關注的基本原則，應定期查核頻譜資源使用效益。
．應保留尚未授權/出租給業者的本地頻譜，以提高頻譜授權持有者的頻譜利用效率，但應確保在地既有合法網路不受干擾。
此外，除非設備的易得性和生態系統已預先納入決定在地授權頻譜分配頻率的考量因素中，無線網路供應商和設備製造商可能面臨為獨特頻段找出解決方案的挑戰，此情形格外需要注意。
電信商網路部署彈性十足物聯網連接效益高
電信商長期以來在行動寬頻市場取得成功，並有能力在新興的產業網路連接市場中，利用行動網路解決方案、統一的3GPP標準、彈性的頻譜執照、公用網路基礎架構以及創新商業模式來創造價值。與行動寬頻不同，工業網路連接需求非常多元，因此，為了以系統性的方式實現所有產業的行動網路連接，愛立信定義四個連接用物聯網(IoT)，可在單個5G網路中有效共存，包括：
針對大量低成本、窄頻設備的連接。這些設備具有極廣的覆蓋範圍和較長的電池壽命。大規模物聯網生態系統基於窄頻物聯網(NB-IoT)和LTE-M(Cat-M)連接，運行於分頻雙工(FDD)頻段[11][12]。常見例子包括各類低成本感測器、儀表、致動器和追蹤器。
提供比大規模物聯網更高的資料處理速率和更低的延遲，同時延長設備電池壽命，且覆蓋範圍涵蓋頻寬比大規模物聯網設備更廣的設備。基於FDD和分時雙工(TDD)頻段中範圍廣的LTE設備類別(LTE Cat-1及以上)，寬頻物聯網擁有超過5億使用者。寬頻物聯網目前的應用以車輛、可穿戴設備、小裝置、相機、感測器、致動器和追蹤器為主。
為特定延遲目標內的資料傳輸提供時間關鍵型通訊，具有穩定水準[13]。關鍵型物聯網將與5G NR的先進時間關鍵型通訊能力一起，在所有5G頻段引入，並進一步透過5G核心網(5GC)增強其功能，具備5G高可靠低延遲的特性。典型的時間關鍵型應用實例包括基於雲端的AR/VR、雲端機器人、自動駕駛汽車、即時故障處理、觸覺回饋以及即時控制，也應用於機器和流程的協調。
將行動網路連接無縫整合至用於即時進階自動化的有線工業基礎架構中。此物聯網包括將5G系統與即時乙太網路(Ethernet)和時效敏感型網路(TSN)[14]結合的能力。這些能力為5G NR和5GC賦能[11]。
物聯網連接領域具有成本效益高、平穩且不過時的演進特性，旨在加速生態系統中的應用並降低整體擁有成本(TCO)。如圖3所示，IoT滿足不同垂直產業特有的連接要求，提高電信商的ROI。
圖3 透過行動網路實現產業數位化
電信商靈活的頻譜執照滿足產業需求，即使在擁有本地授權/租賃產業頻譜的國家也是如此。不同頻段具有互補的特點，低頻段是高覆蓋率和廣泛取用的理想選擇，並且具有多樣化的設備支援，只是通常頻寬較小；中頻段提供顯著提升的容量和良好的覆蓋平衡；高頻段則在有限的覆蓋範圍內大幅提升容量。
對於TDD頻段，需要在容量、延遲和覆蓋範圍之間進行權衡，具體取決於TDD傳輸模式。此外，使用TDD頻段時，須考量相同或相鄰頻譜上的網路，其TDD的同步情況。由於無線電波傳播特性，毫米波頻段具有比中頻段更好的隔離度，因此具有相對寬鬆的TDD共存限制。
圖4顯示無論是否使用本地專用頻譜，電信商的頻譜資源在性能、多元應用、系統容量和室內/室外覆蓋範圍方面所具備的優勢。在大多數地區，本地授權/租賃的頻譜位於毫米波頻段和6GHz以下(sub-6GHz)TDD頻段。利用具互補性的電信商頻譜執照，可獲得高覆蓋率和易得性、Cat-M/NB-IoT連接與低延遲等好處。雖然sub-6GHz頻段範圍內的頻譜可以帶來良好的覆蓋範圍和容量，毫米波頻譜依舊具備提升容量並減少延遲的優勢。此外，電信商可以利用其公用頻譜執照為產業提供優質的行動寬頻和語音服務。
圖4 利用電信商的頻譜執照實現產業數位化，無論是否具有本地專用頻譜
5G跨頻(Inter-Band)載波聚合可作為有力工具，藉由動態轉換頻段(電信商頻譜/本地專用頻譜)紓解資料傳輸壓力，成為覆蓋範圍、可靠度、延遲情況、頻譜效率和容量的解決方案。
根據企業對核心業務的網路連接策略，不管是本地專屬連接或使用第三方服務，電信商皆能以多種方式部署行動網路。廣義上來說，有兩個主要的網路部署概念可解決產業連接需求[16][17]：
．結合非公用網路與公用網路，兩者的使用者共享網路資源。
．獨立非公用網路，部署獨立組網(SA)以滿足非公開使用需求。
與公用網路一起部署非公用網路可實現網路基礎架構再利用、頻譜高效利用和行動網路無縫銜接。網路基礎架構可在企業或非企業端部署，並且可由公用和非公用網路使用者共享。實現這一點的方式有以下三種：
共享無線接取網路(Radio Access Network, RAN)
RAN由公用和非公用使用者共享，而網路的其餘元件保持區隔，亦即所有非公開資料和流量控制依然保留在企業端。
共享無線接取和控制平面(Control Plane)
除了共享RAN，核心網路控制平面也託管在公用網路中。非公開的使用者資料保留在本地端，而流量控制離開企業端，允許非公用網路使用者無縫漫遊。
非公開使用者資料離開企業端，同時仍允許企業從電信商的基礎架構獲取專用資源，例如橫跨無線電、傳輸、核心網路的端到端專用網路，並且符合服務層級協定。採用此網路模式，出於無線覆蓋範圍和性能的原因，電信商還能夠在企業端部署無線接取節點。
圖5顯示非公用網路部署選項的高級模擬架構(HLA)，圖中展現不同網路元件的邏輯關係。
圖5 非公用網路的部署選擇
電信商在設計、布建、管理和維護行動網路的經驗有助產業取得成功，並確保其專用網路與相鄰公用網路可交互操作。考慮到這一點，愛立信鼓勵電信商與產業合作並開發商業模式，以滿足產業對品質和營運獨立性的需求。這些新的商業模式必須確保在生產設備的生命週期內，產業可穩定取用頻譜，並擁有在合理時間間隔更換網路服務供應商的自由。滿足這些要求後，電信商可消除企業選用3GPP授權技術的大部分擔憂。
房地產原則管理頻譜 避免耗時費力拍賣過程
透過運作良好的市場及其為爭奪消費者而提供的具競爭力的服務，為電信商分配橫跨多區域的授權頻譜已證實是成功且具成本效益的事情，此外，3GPP網路覆蓋範圍現已涵蓋約95%的世界人口[15]。另一方面，企業運用專用頻譜於企業專網，多有特定區域及目的，不太需要一般廣域的行動網路。若是特許企業使用大區域的網路覆蓋，不但對企業形成網路建設的負擔、降低國家整體頻率使用效益，也會造成公眾網路頻譜資源碎片化；本地授權頻譜的情況則有所不同，因為部署通常是在私有場域上進行，且通常是在室內，而室內網路連線的服務尚缺乏穩定性。
本文建議，若各國決定提供專用的本地授權/租賃頻譜，則「場域範圍持有人原則」(Real Estate Principle，或稱房地產原則)將會是不錯的選擇。簡而言之，該原則採取優先權概念，將本地授權/租賃頻譜與場域(房地產)所有權(或共有所有權，視國家法規而定)結合。這個簡單的原則滿足前面提到的三個要求，即具有可預測的頻譜取用權、避免獎勵先行者，以及確保尚未使用的本地頻譜具備可取用性。場域範圍持有人原則能夠隨時間推移預測頻譜的流量，保證後來者獲得本地頻譜的可能性，並且保留未使用的頻譜供短期使用。
使用場域範圍持有人原則的其他好處如下。首先，房地產的相關法律在大多數國家皆已建立完備、明確定義、受廣泛理解並數位化，而場域範圍和頻譜間的關係也很容易理解，適合本地高性能系統的需求。此外，允許租賃本地授權頻譜可確保頻譜的易得性。
舉例來說，若是以企業所在土地或建物範圍原則，給予該場域範圍的專屬網路頻譜使用權，就是所謂的場域範圍持有人原則。企業可運用專用頻譜建立專屬的網路，有多種模式可供選擇，比方說委由電信商來協助企業行動網路的建造及營運管理，以及由電信商提供外加的約定服務，例如漫遊、廣域行動、語音/IMS等，像有些特定場域除了專用的物聯網，還需要連結三個以上的公用網路的情況下，就可能考慮使用這種公網加專網的混合模式，比如機場或醫院。在這種情況下，電信商需要取得場域範圍持有人的同意，才能使用專網頻譜，也要符合公眾網路的服務要求。
另一個主要優點是，基於場域範圍持有人原則的頻譜授權/租賃管理可輕鬆進行，因為場域持有人必須承擔使用責任，並應為本地授權/租賃頻譜支付初始費用和年費，避開複雜且耗時的拍賣程序。一旦確定子頻段並做出監管決定，產業就可以開始規畫和部署設備。這種模式要成功，頻譜管理系統必須能夠自動管理大量本地授權/租賃情況以及監管條件，如基於已標準化LSA系統，並且於歐洲電信標準協會(ETSI)RRS進行標準化作業的eLSA方法[18]。
尚未由場域持有人取得的頻譜也可短暫提供給電信商和第三方，以便用於臨時需要擴大覆蓋範圍或提升容量的場合，如體育賽事或音樂會，但前提是必須充分保證現有的本地授權/租賃頻譜使用不受影響。
電信商是產業有利的合作夥伴，針對產業需求量身定做解決方案，滿足長期、高品質和獨立營運等不同需求。對於那些提供產業本地授權/租賃頻譜的國家，本文就如何以簡單和結構化的方式完成此方案提出建議，即前述的「場域範圍持有人原則」。該原則中，場域範圍持有人應當享有其所有土地的頻譜優先使用權，同時也有權使用電信商在地提供的授權/租賃頻譜，為產業專網奠定運行基礎。
(免責聲明：本文內容由台灣愛立信授權新通訊雜誌刊載，部分內容來自愛立信白皮書5G spectrum for local industrial networks。本文由愛立信專家針對全球企業專網所使用之5G頻譜提出綜合評析，不代表愛立信對任何單一市場的看法。)