Slutrapport: Genomförbarhetsstudie
Lokala nät och lokal spektrumanvändning för industriella radiosystem
Författare:
Peter Burman, Boliden Mineral AB
Jan Boström, Bengt Mölleryd, Post och telestyrelsen Anna Stiwne, Peter Enmalm, Åkerströms Björbo AB Claes Beckman, Jan Markendahl, KTH
Detta arbete har finansierats av det strategiska innovationsprogrammet Smartare
elektroniksystem - en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.
RAPPORT Dokumentdatum Vinnovas diarienummer
TRITA-EECS-RP-2021:1 2021-04-22 2020-03680 Skapat av
Jan Markendahl
Sammanfattning
I denna rapport sammanfattar vi utfört utredningsarbete för den studie som vi genomfört under perioden november 2020 – mars 2021 avseende lokala 5G-nät för industrin. Rapporten rymmer två typer av material, dels beskrivning av nuläge dels analys och slutsatser.
Nulägesbeskrivningen för 5G innefattar: status för spektrumtilldelning och utbyggnad av nät i några länder samt om forskning och standardisering vad gäller lokala 5G-nät för industrin.
Analysdelen består av resonemang och resultat inom fyra olika områden: i) krav och behov, ii) möjliga scenarier och alternativ för systemlösningar, iii) kort summering av centrala
tekniska faktorer för lokala nät avsedda för industrin, samt iv) sammanställning av utmaningar för olika aktörer och för spektrumtilldelning.
Icke-publika nät (Non-public networks, NPN) är ett globalt fenomen med stort stöd och intresse från existerande ekosystem inom industri och telekom men även från helt nya spelare från tex IT industrin. NPN drivs av industrins behov av säker och tillförlitlig uppkoppling för digitalisering och automatisering av sina processer. Idag är industrins uppkoppling främst trådbunden, alternativt så använder man sig av ”proprietära”- eller WiFi baserade system i icke-licensierade band (alternativt smala frekvensband specifikt dedicerade för olika
industriprocesser). Trådbunden uppkoppling är långsiktigt inte önskvärt för industrin då det begränsar rörligheten.
För tillverkare av industriell radiostyrning är slutsatsen att man långsiktigt måste förbereda sig på att migrera från punkt-till-punkt kommunikation till användning av cellulära nätverk. För att industriföretag skall kunna ta beslut om investering i cellulär teknik för uppkoppling istället för tex WiFi, krävs långsiktighet både tekniskt och affärsmässigt. Det är därför viktigt att man kan tillhandahålla frekvenser för industriellt bruk.
Bandet 3,72-3,80 GHz är i många länder tilldelat för lokala tillstånd. Detta band är definierat för TDD och behöver synkroniseras med operatörernas nät samt även använda samma fördelning av trafik mellan upp-och nedlänk som dessa nät. Industrins kapacitetsbehov är främst i upplänk medan operatörsnäten främst tillhandahåller video i nedlänk. Vidare finns ett antal andra utmaningar för samexistens mellan lokala nät och operatörsnät. Det är i nuläget oklart om man via endast TDD-tillstånd i 3,5 GHz eller högre frekvensband kommer att kunna tillfredsställa alla behov inom området industriell radiostyrning och icke publika nät.
Sammanfattningsvis kan vi konstatera att detta projekt har identifierat ett antal osäkerheter och utmaningar avseende lokala 5G-nät för industrin. Vår bedömning är att dessa är så stora att det i nuläget saknas underlag för att definiera ett större utvecklingsprojekt. För att kunna definiera ett relevant projekt för att utveckla och testa 5G baserad system för industriell radiostyrning behöver ytterligare underlag tas fram. Dessutom bör man även invänta beslut från PTS avseende allokering av frekvenser för industrin.
Innehåll
1 Inledning ... 4
1.1 Om LOKA-studien ... 4
1.2 Bakgrund och historik för industriell radiostyrning ... 5
1.3 Nya frekvensband och lokala spektrumtillstånd ... 7
2 Metodik och indata ... 9
2.1 Allmänt om Indata och arbetsgång ... 9
2.2 Om intervjuer och workshops... 9
3 Nuläge för 5G – spektrumtilldelning och nätbyggnad ... 11
3.1 Allmänt om spektrumband för 5G status ... 11
3.2 5G status i några länder ... 12
3.3 Exempel på lokala nät i Sverige ... 15
4 Nuläge för 5G – forskning och standardisering... 17
4.1 Spektrum och lokala operatörer ... 17
4.2 Icke-licensierat spektrum ... 18
4.3 Nätarkitektur och non-public networks ... 19
5 Krav och behov ... 21
5.1 Leverantörsperspektiv ... 21
5.2 Användarperspektiv ... 22
6 Möjliga scenarier och alternativ för systemlösningar ... 23
6.1 Olika sätt att fördela funktioner i radionät ... 23
6.2 Vilka aktörer kan ansvara för olika delar ... 24
7 Viktiga tekniska faktorer för lokala nät för industri ... 25
7.1 Time sensitive networking (TSN) ... 25
7.2 Synkronisering... 25
7.3 Samexistens ... 27
7.4 Tillgång till och val av spektrumband ... 29
8 Sammanfattning av utmaningar och frågeställningar ... 32
8.1 För industriföretag ... 32
8.2 Leverantör av utrustning för industrin ... 33
8.3 Tilldelning av lokala licenser ... 34
9 Slutsatser och fortsättning ... 35
10 Referenser ... 37
10.1 Forskningspapper till tidskrifter och konferenser ... 37
10.2 Rapporter från forskningsprojekt, white papers ... 39
10.3 Dokument om standarder och telekomreglering ...40
Appendix 1. Workshops och seminarier ... 41
Appendix 2. Exempel på krav från 5G ACIA och 5GSmart ... 42
1 Inledning
Detta dokument utgör slutrapport för genomförbarhetsstudie om ”Lokala nät och lokal spektrumanvändning för industriella radiosystem” (fortsättningsvis kallad LOKA-studien) som utförts under perioden november 2020 till mars 2021. Studien har finansierats av det strategiska innovationsprogrammet Smartare elektroniksystem - en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.
I detta inledande kapitel beskrivs upplägg och syfte med LOKA-studien samt bakgrund och historik. Detta innefattar marknad och system för industriell radiostyrning, radiospektrum, nya frekvensband för 5G och om lokala spektrumtillstånd. Vidare listar vi de frågeställningar som vi behandlar och avsett besvara med studien. Kapitel två handlar om metodik, arbetsgång samt olika datakällor och intervjuer. Därefter innehåller rapporten två olika typer av
material, dels beskrivning av nuläge dels analys. Nulägesbeskrivning för 5G innefattar kapitel 3 med status för spektrumtilldelning och utbyggnad av 5G-nät i några länder samt kapitel 4 om forskning och standardisering vad gäller lokala 5G-nät för industrin. Analysdelen består av resonemang och resultat inom fyra olika områden tillika kapitel:
Krav och behov för industriella tillämpningar och dessa aktörer (kap 5)
Möjliga scenarier och alternativ för uppbyggnad av lokala icke-publika nät (kap 6)
Styrande och begränsande tekniska faktorer för lokala industrinät (kap 7)
Sammanställning av utmaningar för olika aktörer och för spektrumtilldelning (kap 8)
1.1 Om LOKA-studien
I projektet ingår en leverantör (Åkerströms) och en användare (Boliden) som båda ingår i värdekedjan. Ekosystemet kompletteras genom medverkan av den svenska reglerings- myndigheten för elektronisk kommunikation, PTS. Projektet koordineras av KTH som även bidrar med huvuddelen av analysarbetet och beskrivning av krav, förutsättningar, scenarion och systemansatser.
Genomförbarhetsstudien syftar till att skapa kunskap om möjligheter och förutsättningar för att kunna designa, leverera, installera och använda framtida radiosystem för industriellt bruk.
Fokus ligger på lokala nät för industrins interna användning, s.k. ”non-public networks”, NPN. Utmaningar finns både vad gäller radioteknik och vilka spektrumband som kan
användas samt ett förändrat affärslandskap för denna typ av produkter och tjänster. Industrin går från en situation där uppkoppling och radio ingår som en integrerad del av ett företags IT- infrastruktur till scenarion där både spektrum och lokala nät kan ägas och kontrolleras av andra aktörer än den industriella användaren i sig.
Ett NPN kan ägas och drivas av industriföretaget självt, en operatör eller en tredje part. I alla dessa alternativ kan man utnyttja mobiloperatörers licensierade frekvensband, lokal licenser, icke-licensierat spektrum (spektrum med undantag från tillståndsplikt), eller en blandning av dessa alternativ.
Förstudien och eventuellt uppföljande projekt ska bidra till ökad tillväxt för svensk industri samt att stärka internationell konkurrenskraft, detta genom att resultaten ska möjliggöra för svensk industri att ”vara tidigt ute” och därmed kunna identifiera nya utmaningar och ta fram nya lösningar. Förstudien ska kartlägga och övergripande analysera tekniska, spektrum- och marknadsmässiga förutsättningar, vilket sammantaget ska ge underlag för framtida projekt samt att tillföra följande värden:
För slutanvändare inom industrin: Möjlighet att förbättra systemprestanda vad avser kapacitet, tillförlitlighet och tillgänglighet för interna kommunikations- och IT-system som stöder den egna verksamheten. Även affärsmässig tillförlitlighet och flexibilitet kan förbättras genom ökad egenkontroll och minskad risk för inlåsning.
För leverantörer av utrustning för radiostyrning: Möjlighet att erbjuda förbättrad system- prestanda, kapacitet, tillförlitlighet och tillgänglighet genom att använda 5G teknik.
Man ska även få en översikt över den mångfald av spektrumband och tekniska lösningar som måste stödjas på olika marknader, samt de olika kompetenser som krävs för att kunna erbjuda helhetslösningar till slutkunder.
För regleringsmyndigheten PTS: En översikt av scenarion, möjliga problem och konsekvenser som kan uppkomma vid användning av industriella radiosystem i olika scenarion. En övergripande bedömning av om befintliga och planerade möjligheter1 för industriella användare att få tillgång till radiospektrum lämpligt för 5G användning är ändamålsenliga och tillräckliga
1.2 Bakgrund och historik för industriell radiostyrning
1.2.1 Marknad och system
”Industri 4.0” är en etablerad benämning på den omvandling som f.n. pågår inom
tillverkningsindustrin världen över där maskiner och produkter kontinuerligt kommunicerar med varandra och internet ger förutsättningar för en mer kostnadseffektiv produktion.
Kommunikation är en central del i denna process och utförs företrädesvis ”trådbundet” på olika vis via system som ofta varit i drift sedan flera decennier. En svensk framgångssaga är Halmstadsbolaget HMS Networks2 som blivit världsledande på att koppla upp olika system från olika leverantörer.
En vision från många aktörer, inte minst bland svenska industriföretag som SKF, VOLVO m.fl. är att dessa uppkopplingar skall kunna ske trådlöst. Med introduktionen av 5G finns olika förslag på hur delar av frekvensband skulle kunna allokeras för industriellt användande med eller utan telekomoperatörernas medverkan. Radiostyrning är dock sedan mer än 50 år ett av den tunga industrins viktigaste och mest beprövade verktyg inom alla former av produktion i Sverige och i omvärlden. Nyttan av radiostyrning i de industriella processerna är stor
eftersom radio möjliggör berörings- och kontaktfri styrning av tunga och farliga processer, som t ex traverser, kranar, lok, borrar i t.ex. gruv-, pappers-, process- och skogsindustri.
1 I form av mobiloperatörers befintliga nationella tillstånd, planerade möjligheter för att erhålla lokala tillstånd samt befintlig och planerad utökning av frekvensband med undantag från tillståndsplikt.
2 https://www.hms-networks.com/
Enbart i Sverige omsätter marknaden för industriell radiostyrning mer än 500 MSEK på årsbasis. Det existerar ett flertal svenska aktörer varav Åkerströms Björbo med sina mer än 50 år inom industriell radiostyrning kan ses som den ledande leverantören till svensk industri.
Tillsammans med andra svenska bolag som Scanreco, Teleradio och Olsberg utgör idag industriell radiostyrning ett svenskt spjutspetsområde med export till marknader i alla delar av världen. Enbart Åkerströms har idag mer än 20 000 radioutrustningar installerade i svensk industri! Användarna är alla de stora företagen inom Svensk tung industri, som t.ex.: Boliden, Sandvik, Stora Enso, Korsnäs, Green Cargo, LKAB, SSAB, ABB
1.2.2 ”State of the art” - Spektrum och radiokrav för industriell radiostyrning
Tekniskt måste radioutrustningen vara konstruerad för att kunna erbjuda extremt hög
tillförlitlighet (typiskt 99,999% tillgänglighet). Datahastigheten är dock relativt låg och kravet på fördröjning är ej heller särskilt hård i jämförelse med t.ex. radiosystem för mobilt
bredband. På grund av extremt stora krav på tillgänglighet och brist på tillgängligt radiospektrum finns idag inga standardiserade plattformar för industriell radiostyrning.
Marknaden för industriell radiokommunikation är idag baserad på proprietära radiolösningar, ofta specialutformade för respektive tillämpning. Detta beror på att de olika industriella miljöerna besitter olika förutsättningar för att kunna genomföra tillförlitlig
radiokommunikation dels vad gäller radiovågors utbredning, dels vad gäller störningar genererade i industriprocesserna [1].
Industriell radiostyrning är idag främst hänvisad till en rad olika licenspliktiga frekvensband särskilt avsedda för industriell radiokommunikation. Dessa varierar från land till land och är inte EU-gemensamma. Typiskt i Sverige används frekvensbanden 438-440MHz samt 443- 445MHz. Eftersom de licenspliktiga frekvensbanden är få och skiljer sig mellan länder samt gäller endast för en specifik geografisk position medför det att man också i stor utsträckning använder de licensfria frekvensbanden. Det är 434MHz, 868 MHz och 2400MHz banden vilka inte licenspliktiga och kan användas över hela Europa, men eftersom det ofta finns många andra radioutrustningar på dessa frekvenser blir samexistens en stor utmaning för den ofta säkerhetskritiska industriella radiostyrningen. Samtliga frekvensband är reglerade avseende effekt, arbetsfaktor, kanalbredd m.m., men de licenspliktiga banden har ofta högre ställda krav som driver kostnaden på komponenter till radioutrustningen.
I övrigt saknas gemensamma standarder och protokoll. Avsaknaden av harmoniserat spektrum och gemensamma radiostandarder gör att marknaden för industriell radio- kommunikation är väldigt splittrad med ett stort antal olika leverantörer av radiostyrning vars produkter bygger på ett stort antal proprietära lösningar.
1.3 Nya frekvensband och lokala spektrumtillstånd 1.3.1 Internationellt
I många länder pågår diskussioner om omfördelning av och tilldelning av spektrum avsedda för ”privata” nät, dvs företag som driver nät för internanvändning, vilket innebär att det inte är fråga om publik access.
I Tyskland har man redan infört lokala tillstånd i 3,7-3,8 GHz och företag som Bosch och Siemens är intresserade av tillstånd i bandet Mycket av fokus för dessa tillstånd har varit på att möjliggöra lokala, privata nät, vilka benämns som ”campus networks” och då särskilt för industrin och Industri 4.0. I Tyskland har man även öppnat upp möjligheten att ansöka om lokala tillstånd för tex industrin i 26 GHz bandet
I Storbritannien har regulatorn Ofcom initierat en process där man kan ansöka om lokala tillstånd i bandet 3,8-4.2 GHz. Bandet är delat med befintlig användning som är fast radio och satellitmottagning, vilket gör att nya tillstånd planeras in mellan de befintliga användarna.
Vidare planerar Ofcom att reservera en del av 26 GHz-bandet för privat nät eller delad spektrumaccess. Ofcom har också introducerat ett upplägg där man kan ansöka om lokala tillstånd i frekvensband där mobiloperatörerna har nationella blocktillstånd, men där
mobiloperatören geografiskt inte själva använder frekvenserna. Detta är särskilt intressant då det redan var tillåtet för operatörerna att hyra ut detta frekvensutrymme lokalt: I praktiken konstaterar OFCOM att uthyrning av mobiloperatörernas spektrum inte varit en framgångsrik metod, utan man inför nu en ytterligare möjlighet att i stället erhålla tillstånd från OFCOM under förutsättning att frekvensutrymmet är lokalt oanvänt av mobiloperatören.
I USA har man genom introduktionen av CBRS (Citizens Broadband Radio Service) band på 3,5 GHz öppnat upp för privat och delad användning. I USA har regulatorn FCC även just avsatt 1200 MHz i 6 GHz-bandet för olicensierad användning, både för WiFi och 5G new radio (5G NR-U).
Ett flertal andra länder både i Europa och Globalt har redan påbörjat eller planerar tilldelning av lokala tillstånd särskilt med fokus mot industrin. Det är dock viktigt att notera att det idag inte finns något internationellt harmoniserar frekvensband för dessa tillämpningar. Varje land har mer eller mindre identifierat frekvensutrymme som varit över nationellt och börjat tilldela tillstånd i detta frekvensband.
Det stora intresset internationellt gör också att det pågår en hel del forskning kring lokala nät, lokalt tilldelat spektrum samt om lokala operatörer, se vidare avsnitt 4. I denna forskning tar man ett brett grepp med 5G, industrivertikaler, ekosystem och framför allt förändringar i ekosystem och vilka aktörer som har eller kan ha kontroll på spektrum. Man konstaterar att mycket arbete om nya former av spektrumtilldelning handlar om att ge befintliga operatörer mera spektrum. Det finns således ett behov att tillåta tilldelning av spektrum till nya typer av aktörer.
1.3.2 Tilldelning av nationella och lokala tillstånd i Sverige
Under våren 2019 efterfrågade PTS synpunkter från intressenter på överväganden och förslag inför tilldelning av frekvensutrymme i 2,3 GHz- och 3,5 GHz-banden. PTS efterfrågade också
synpunkter på inriktningen att tilldela frekvensutrymmet 3,7–3,8 GHz, eller alternativa frekvensband, för lokala tillstånd. Konsultationen besvarades av 26 intressenter.
PTS mål med tilldelningen är att frekvensutrymmena 3400–3700 MHz och 2300–2380 MHz förbereds och tilldelas för nationella blocktillstånd genom urvalsförfarande (initialt skulle detta ske före utgången av år 2019). Frekvensutrymmet 3700–3800 MHz förbereds för lokala blocktillstånd, dessa tilldelas utan urvalsförfarande.
När det gäller svar på PTS konsultation våren 2019 är många intressenter positiva eller har inga invändningar mot målen med tilldelningen. Däremot framhöll många aktörer åsikter om frekvensbandet 3,7–3,8 GHz och om det ska tilldelas för lokala- eller nationella tillstånd.
Specifika synpunkter som inkommit gällande lokala tillstånd i frekvensbandet 3,7–3,8 GHz eller alternativa band bemöts av PTS i [44]. Sammanfattningsvis kan man säga följande om åsikter om lokala tillstånd i frekvensbandet 3,7–3,8 GHz:
”Telekom branschen”, leverantörer och operatörer, förordar att detta tilldelas som nationella tillstånd. Huvudskälet är att operatörer ska kunna erhålla frekvensutrymme på 100 MHz eller mer. I svaren tar man inte upp frågan om nya aktörer och hur detta kan påverka marknaden.
Industriföretag, som t.ex. Boliden, LKAB och Stora Enso samt LRF stöder tilldelning av lokala frekvenser. Allmänt framhålls att detta ska kunna utveckla svenskt näringslivs konkurrenskraft och att det finns ett behov av en fungerande marknad för telekomtjänster för industriella kunder.
Lokala spektrumtillstånd anses nödvändigt för att nya aktörer ska kunna ta sig in på marknaden och öka konkurrensen och tillhandahålla ett bredare utbud. Vidare önskar man att tilldelning sker ”nu” i delbandet 3,7-3,8 GHz. Det ingår i det primära 5G-bandet och har fördelen av att vara harmoniserat. Det anses viktigt att delband för lokala tillstånd blir tillgängligt samtidigt med frekvensband för de nationella tillstånden. En sådan samordning skulle medföra att utrustning och komponenter utvecklas och tillverkas för hela bandet.
Under 2019 gjorde PTS en utredning om lokala tillstånd i frekvensutrymmet 3,7–3,8 GHz eller alternativa band. Myndigheten kom då fram till att det fanns förutsättningar att tilldela lokala tillstånd i frekvensutrymmet 3720–3800 MHz. I oktober 2020 meddelade dock PTS att man inte kommer att tilldela några lokala tillstånd för 5G under 20203. Det tidigare
presenterade förslaget om att tillgängliggöra frekvenser till enbart fastighetsägare har vid närmare utredning visat sig inte helt ändamålsenligt. PTS utreder för närvarande hur tilldelning av lokala tillstånd skulle kunna ske istället.
Auktion för nationella tillstånd för 5G på 2,3 GHz och 3,5 GHz banden genomfördes januari 2021. Hi3G Access, Net4Mobility (Tele2 och Telenor), Telia Sverige vann tillstånd i
auktionen med 100-120 MHz vardera. Teracom erhöll 80 MHz på 2,3 GHz bandet4.
3 Ingen tilldelning av lokala tillstånd för 5G under 2020 | PTS
4 Auktionerna i 3,5 GHz- och 2,3 GHz-banden är avslutade | PTS
2 Metodik och indata
2.1 Allmänt om Indata och arbetsgång
I denna rapport har vi använt olika typer av indata och källor, vilket redovisas nedan:
a. Egen litteraturstudie om lokala nät och spektrum, 5G, lokala operatörer
b. Utredningar och analyser utförda inom större forskningsprojekt om lokala nät och
”icke-publika” nät, primärt avseende industriella system
c. Egen omvärldsbevakning avseende spektrumtilldelning och utbyggnad av 5G-nät inklusive deltagande i workshops om privata nät, spektrum och 5G utbyggnad d. Intervjuer med svenska företag både användare och leverantörer av telekomsystem
avseende kravbild, utmaningar, möjliga lösningar både tekniskt och affärsmässigt e. Intressenters synpunkter till PTS om tilldelning på 2,3 GHz och 3,5 GHz banden [44].
f. Diskussion med projektpartners avseende krav, utmaningar och alternativa lösningar Inledningsvis arbetade vi med ”krav och behov” för att bilda oss en uppfattning om nuläget.
Krav och behov innefattar både funktions- och prestandakrav samt input till våra industriella projektpartners avseende system- och teknikval. Vi har både beaktat användarperspektivet (Boliden) och leverantörsperspektivet (Åkerströms).
Nulägesanalysen innefattar omvärldsbevakning avseende spektrumtilldelning för lokala nät, uppbyggnad och drift av 5G-nät, både allmänt samt för lokala (icke-
publika) nät. Vidare har vi sammanställt litteratur och forskning inom området. Syftet med nulägesanalysen är att skapa en bild vad som ”är på G”, samt vad man ”vet” och
”inte vet” inom området.
Efter detta har vi arbetat med två andra områden, utmaningar samt olika scenarion.
Identifierade utmaningar handlar primärt om begränsningar kopplade till tillgängliga radioteknologier och frekvensband för 5G, detta inkluderar samexistens mellan lokala nät och omgivande ”macro-nät”. Andra utmaningar är kopplade till tillförlitlighet och hur lokala nät kan (bör) byggas samt hur man kan får tillgång till spektrum.
I rapporten beskrivs olika scenarier för uppbyggnad av lokala nät, vilket innefattar både nätuppbyggnad samt vilken typ av aktör som ansvara för de olika delarna.
2.2 Om intervjuer och workshops
Vi har varit i kontakt med ett antal företag inom näringslivet. Dessa aktörer kan delas in i tre olika grupper enligt nedan. För dessa grupper har vi ställt olika frågor.
Industriföretag som är användare, typiskt Åkerströms kunder eller partners:
Volvo Wheel Loaders, SSAB Special Steel, Midroc Automation, Outokumpu Stainless. Frågor till dessa handlar om:
a) vilka prestandakrav som är styrande,
b) status eller planer för att inkludera 5G baserade system,
c) om man själva bygger och driver lokala nät eller om detta sköts av annan aktör.
Telekomföretag som kan tillhandahålla utrustning och tjänster för mobila nät:
U-Blox, Frequencz, Ericsson och Telia. Frågor handlar om:
a) allmän syn på lokala nät och lokalt spektrum för industrin,
b) val av teknik och spektrumtilldelning, licensierat eller olicensierat, 4G, 5G NR och/eller WiFi,
c) vad man kan erbjuda industriföretag och hur man ser sin roll
Systemintegratörer som kan bidra med expertkunnande i upphandling eller erbjuda skräddarsydda nät:
AFRY (fd ÅF), Saab Combitech samt Northstream (del av Accenture).
Frågorna här är desamma som de ovan ställda till telekomföretag, a) –c) samt följande:
d) hur får ”ni” tillgång till spektrum?
e) hur samverkar ni med mobiloperatör?
Vi har under projekttiden deltagit i ett antal workshops, konferenser och ”webinarier”. I appendix A1 sammanställs de olika evenemang som vi bedömer ha relevans för föreliggande projekt. Dessa workshoppar är i många fall av karaktären marknadsföring där man visar upp vad man gör och/eller kan erbjuda, det handlar mindre om lösningar och prestanda. Dock är det av värde att får information om status och planer hos mobiloperatörer runt om i världen.
Några workshops har dock gett värdefull input till projektet inom områdena tidsfördröjning, synkronisering, kostnadsstruktur, 5G kärnnät samt fristående NPN.
3 Nuläge för 5G – spektrumtilldelning och nätbyggnad
3.1 Allmänt om spektrumband för 5G status
5G är en direkt vidareutveckling av 4G (LTE) och standarden har tagits fram inom ramen för 3GPP. Även om mycket arbete redan gjorts tidigare så är 3GPP Release 15 den första
standarden som definierar 5G. Release 15 färdigställdes 2018 och de första utrullningarna av 5G-nät påbörjades i Korea, USA och Kina under 2019. Europa följde efter med utrullningar under 2020. 3GPP definierar primärt tre stycken olika frekvensområden för 5G:
- ”Lowband”: 700MHz - ”Midband” 3,5 GHz
- ”Highband” 26-28 och 39GHz
700 MHz bandet är ett FDD band som tillför relativt lite nytt spektrum (i allmänhet totalt 2x30MHz) till mobiloperatörerna, och därmed ganska lite kapacitet. Å andra sidan innebär tillgången till ett frekvensband under 1 GHz god yt-täckning.
3,5 GHz, eller ”C-bandet”, innebär dock ett ansenligt tillskott av nya frekvenser till
mobiloperatörerna. I allmänhet försöker man att allokera bandet 3400-3800MHz, varav 3700- 3800 i vissa europeiska länder har avsatts till lokala licenser. 3,5 GHz bandet är dock allokerat för TDD (tidsmultiplexering) och för att undvika störning krävs att samtliga nät är
synkroniserade med varandra. Ett annat problem med 3,5GHz-bandet är att dess yt-täckning är mindre än de band som redan är i drift hos mobiloperatörerna. För att kompensera för den svagare vågutbredningen används ofta gruppantenner med i allmänhet 64 aktiva
antennelement (s.k. masssive MIMO antenner) varefter operatörerna kan återanvända sina siter för LTE på 2600MHz bandet och använda 3,5GHz bandet för en kapacitetshöjning i existerande celler (sk. non-stand alone 5G)
26-28GHz banden, eller ”mmVåg”, är band som tillför avsevärt mycket mer spektrum och därmed väsentligt mer kapacitet. Dock har mmVåg en oerhört kort räckvidd varför det i princip enbart finns tillgängligt i ”hot-spots”. USA och Korea var snabba med att rulla ut 5G i 28GHz bandet medan mmVåg ännu allokerats för något enstaka land i Europa
Lokalt spektrum
Både i Europa och USA har spektrum allokerats för lokala frekvenser i C-bandet. I Europa är det främst bandet 3700-3800MHz som har tilldelats för lokalt spektrum och industriella tillämpningar medan det i USA varit det s.k. CBRS bandet (3550 - 3700 MHz).
En översikt av läget juni 2020 för genomförd och planerad tilldelning av lokala tillstånd finns i [39], detta innefattar både ”mid-band” (2,3 GHZ och 3,5-4GHz) och ”high-band” (26 GHz).
Värt att notera är den hur man från projektet 5G Smart kommenterar detta [34]:
“It is also worth highlighting that the local licenses have typically been implemented within the TDD bands, which means that the opportunities for an industrial party to deploy a non- public network in FDD spectrum are very limited”.
3.2 5G status i några länder 3.2.1 Sverige
Den svenska 5G auktionen omfattade banden 3400-3720 MHz i C-bandet samt 80MHz i 2,3GHz-bandet. Förutom de existerande mobiloperatörerna, varav Tele2 och Telenor agerade genom sitt gemensamma nätbolag Net4Mobility, deltog även statliga Teracom i auktionen.
Sammanlagt resulterade auktionen i att de som förvärvärade spektrum sammanlagt betalde strax över 2,3 miljarder kronor, varav Telia, Tre och Net4Mobility erhöll varsin licens i 3,5GHz bandet. Teracom förvärvade 80 MHz i 2,3GHz bandet.
Lokal spektrumtilldelning
Redan inför auktionen av 3400-3720 MHz så publicerade PTS sina planer på att tilldela lokala tillstånd i frekvensutrymmet 3720-3800 MHz. Arbetet med att öppna upp denna del av
frekvensbandet för tilldelning har dock dragit ut på tiden. Det tidigare presenterade förslaget om att tillgängliggöra frekvenser till enbart fastighetsägare har vid närmare utredning visat sig inte helt ändamålsenligt. PTS utreder för närvarande hur tilldelning skulle kunna ske istället.
Den senaste informationen publicerad i november 20205 indikerar att ett förslag gällande utformningen av tillståndsupplägget kan förväntas konsulteras med marknaden under första kvartalet 2021. Något som inte har skett.
3.2.2 Nederländerna
I Nederländerna slutförde man sin första 5G-auktion under sommaren 2020. Totalt har 26 licenser delats ut i banden 700, 1400 och 2100 MHz. Operatörerna Royal Dutch Telecom (KPN), T-Mobile Netherlands och VodafoneZiggo har spenderat över 1,2 miljarder Euro för detta. Både KPN och VodafoneZiggo har tilldelats 20 MHz på 700 MHz bandet, 15 MHz på 1400 MHz bandet och 40 MHz på 2100 MHz.
T-Mobile har erhållit 20 MHz i 700 MHz-bandet och 10 MHz i 1400 MHz-bandet. Vidare behåller man de 40 MHz som man redan innehar på 2100 MHz bandet.
Lokal spektrumtilldelning
Auktionen av spektrum i 3,6 GHz-bandet är planerad att ske 2022 eftersom bandet för närvarande används för satellitkommunikation. Spektrum i 3400-3450 MHz och 3750-3800 MHz är avsett att göras tillgängligt för lokal användning. En intressant skillnad gentemot t.ex.
Sverige när det gäller frekvensbandet 3,4-3,8 GHz är att det inte längre är ett frekvensband som är tilldelat för sattelitanvändning i Sverige. Den tidigare sattelitanvändningen som fanns i bandet i Sverige fasades ut inför tilldelningen av BWA tillstånd i bandet redan 2006.
3.2.3 Tyskland
Tyskland genomförde sin 5G auktion under 2019 vilken inbringade 6,5 Miljarder Euro från fyra operatörer för bandet 3400-3700MHz. Den mest intressanta händelsen i auktionen var att förutom de existerande mobiloperatörerna Deutsche Telekom, Vodafone och Telefonica (O2), förvärvade även en ny operatör Drillisch 5G-spektrum.
5 Ingen tilldelning av lokala tillstånd för 5G under 2020 | PTS
Lokal spektrumtilldelning
En annan intressant aspekt av den tyska 5G spektrumtilldelningen var att 100 MHz, 3700- 3800 MHz avsattes för lokala licenser, främst tänkta för industriellt bruk. I september 2020 hade man tilldelat 74 lokala licenser om typiskt 10MHz, detta till industriföretag som
Siemens, Bosch, Mercedes BMW etc. För att skydda makronäten har regleringsmyndigheten BNetzA (Bundetsnetzagentur) infört ett specifikt regelverk [47]. I korthet kan man
sammanfatta regelverket med följande punkter:
- Lokala spektrumtillstånd ges för fastigheter
- Lokalt spektrum är separerat från de publika mobilnäten - TDD-ramstruktur och synkronisering ensas med mobilnäten
- Vid störning mot mobilnäten skall problemet först och främst lösas bilateralt, Om detta inte fungerar kan regulatorn införa EIRP begränsningar
3.2.4 Korea
Utrullningen av 5G i allmänhet i landet
Korea ligger långt fram i utveckling och utbyggnad av 5G. Spektrum för 3,5 GHz och 28 GHz tilldelades via auktioner i Juni 2018. Operatörerna har byggt ut 5G till stora delar av Korea och det var sammanlagt 12 miljoner 5G-abonnemang i slutet av 2020. Av Korean Telecoms (KT) 22,3 miljoner mobilkunder hade 3,6 miljoner 5G abonnemang i slutet av 2020. Bolaget förväntar sig att 5G blir allmänt spritt under 2021 och att andelen 5G av det totala antalet abonnemang blir 45 procent. SK Telecom rapporterade ökade marknadsdelar på 5G och hade 5,5 miljoner 5G-abonnemang i slutet av 2020, och räknar med att nå 9 miljoner 5G
abonnemang i slutet av 2021.
Tillståndsgivning och utrullning av lokala industriella nät
Tilldelningen av spektrum i 3,5 GHz-bandet och 28 GHz-bandet har hittills bara varit avsett för telekomoperatörer och deras nationella nät. Inget spektrum har hittills avdelats för lokala nät. Men det finns stora ambitioner med lokala nät och 5G i Korea. Myndigheten i Korea har meddelat att de avser att tilldela spektrum för 5G ”special networks”, som påminner om tillämpningen av lokala nät i Tyskland. Det kommer endast att avse spektrum i 28 GHz- bandet. Det sker ett antal mindre piloter med privata nät i 28 GHz. Det kommer ställa krav på reglering och att aktörer hanterar och reducerar problem med interferens. Det kommer att kräva koordinering mellan makronät och privata/lokala nät för att reducera risker med interferens, men detta arbete är inte utan utmaningar.
Ambitionerna med 5G i Korea är stora och t.ex. KT Corp, en av de två ledande operatörerna i Korea arbetar med olika användarfall som smart fabrik, hälsovård, varv och tung industri.
Men det finns utmaningar att etablera bra och lönsamma tillämpningar för privata nät med särskilt avsatta core network, mobile edge computing och samtidigt utnyttja fördelar med korta svarstider för 5G. Kostnaderna är förärvande höga för sådana tillämpningar och det behövs slicing och dedikerade logiska nät för att göra det affärsmässigt lönsamt. Utveckling pågår och flera aspekter behöver vara på plats vilket inkluderar såväl regulatoriska, tekniska, affärsmässiga och organisatoriska för att de lokala näten ska kunna rullas ut i större skala.
3.2.5 USA
Utrullningen av 5G i allmänhet i landet
USA var tillsammans med Korea de första länderna i världen att rulla ut 5G (dock initialt i 28GHz bandet). 5G har dock en väldigt splittrad frekvensallokering i USA vilket ev. kan vara en konsekvens av att det s.k. C-bandet inte varit tillgängligt. C-bandet 3700 MHz till
3980MHz har dock under 2021 auktionerats ut med licenser över hela USA. Auktionen genererade total 81 miljarder dollar för sammanlagt 5684 licenser. C-bandet har dock redan existerande användare som nu skall köpas ut av FCC och man räknar med att det kommer att dröja mellan 1 och 4 år innan hela bandet är utrymt och tillgängligt för 5G.
Figur 3.1 Spektrumtilldelning till mobiloperatörer i USA
Lokal spektrumtilldelning
I USA har man valt att allokera lokala spektrum i en del av C-bandet för CBRS, ”Citizens Broadband Radio Service”. CBRS bandet ockuperar 150 MHz mellan 3550 och 3700 MHz, med ett komplicerat licenstilldelningssystem. Bandet har tre olika typer av tillståndshavare:
1. incumbent; 2. priority access license (PAL); general authorized access (GAA).
”Incumbent users” är främst radar för amerikanska flottan, som skall skyddas från övriga tillståndshavares sändningar. För att hålla rätt på dessa licenshavares prioritet och tillstånd, som för GAA är väldigt lokala, krävs ett relativt komplicerat databassystem av som
kontinuerligt uppdaterar alla olika licensinnehavares licenser. CBRS är idag ett frekvensband som används för LTE och eftersom det ofta rör sig om små lokala nät så har marknaden skapat ett ekosystem av alternativa leverantörer.
Man kan eventuellt påstå att CBRS marknaden givet stöd till utvecklingen av OpenRAN6 eftersom det skapar förutsättningar för nya aktörer och innovation i utformning av det tidigare slutna radioaccess-systemet. Baserat på Open RAN har ett antal bolag från IT industrin
etablerat sig som alternativa leverantörer av RAN-utrustning. Huruvida dessa leverantörer kan komma att bli av intresse för den Svenska marknaden för lokala industrinät återstår dock att se.
6 https://www.o-ran.org/
3.3 Exempel på lokala nät i Sverige 3.3.1 Boliden
Boliden är ett svensk gruvföretag med verksamheter i främst Sverige och Finland. I Sverige har man två underjordiska gruvor och ett dagbrott. Sammanfattningsvis kan man säga att Boliden har kommit väldigt lång i sitt program för digitalisering och automatisering. Redan idag har man borriggar och gruvtruckar som är mer eller mindre autonoma och uppkopplade för fjärrstyrning via trådlösa nät.
Wi-Fi och Cellulära system
I nuläget sker dock huvuddelen av all trådlös kommunikation via Wi-Fi. I gruvan i Skellefteå har man fler än 3000 accesspunkter. Även i dagbrottet i Aitik har man sedan länge använt Wi- Fi men det har fungerat dåligt pga störningar vilket medfört stora problem i produktionen.
Problemen med Wi-Fi har lett till beslutet att införa cellulära system. I dagbrottet i Aitik har man därför anlitat Telia som installerat ett antal basstationer i området och som tillhandahåller LTE på 800 och 1800 MHz banden. Boliden har sedan installerat ett eget lokalt kärn-nät (Edge Core) vilket är i drift i produktionen i Aitik idag
I Bolidens verksamhet i Finland levererar den finska mobiloperatören Edzcom ett LTE nät, dels på 450MHz bandet, 2 x 4,5MHz, men också på 2600MHz bandet, där man har tillgång till ett större frekvensblock.
I Bolidengruvan har man sedan ett antal år tillbaka ett ”testnät” ihop med Telia och Ericsson7. Det var ursprungligen LTE men är nu uppgraderat till 5G. (Det är dock oklart vilka frekvenser som används). Dock bedrivs i dagsläget huvuddelen av driften i gruvan med hjälp av det existerande Wi-Fi nätet.
Uppfattning om lokala tillstånd
Boliden anser att det är oerhört viktigt att företaget själv får tillgång till licenser för lokala spektrum. Detta för att själva kunna motivera nödvändiga långsiktiga investeringar samt för att undvika ev. inlåsningseffekter.
3.3.2 SAAB Combitech och SAAB
Flygplanstillverkaren SAAB har byggt upp ett icke-publikt nät i en av företagets fabriker i Linköping8. Uppbyggnaden av nätet har projektletts av SAAB Combitech, inklusive frågor som rör spektrum och kontakter med systemleverantören Nokia.
Spektrum
Inledningsvis använder SAAB LTE på den icke-licensierade delen av 1800 MHz bandet.
Man planerar att migrera systemet till 5G när lokalt spektrum för industrin görs tillgängligt.
SAAB Combitech har ett avtal med operatören Tre om att kunna hyra spektrum i 2,6 GHz
7 Världens första 5G-nät under jord - Telia
8 Saab först med fullskalig drift via privat mobilnät för 5G - Combitech.se
bandet9. En utmaning här är att verkligen få tillgång till frekvenser då operatören oftast i tätort vill spara dessa som kapacitetsreserv i området. SAAB Combitech har fått en ”test licens” på 3,72 GHz bandet av PTS för att (from april 2021) kunna sätta upp inomhusnät.
Uppfattning om lokala tillstånd
SAAB Combitech anser att det är viktigt att PTS ”snarast” tar beslut om "något"
frekvensband för lokal tilldelning. Som det är nu vågar inte industrin göra nödvändiga investeringar. Det viktiga är att man kommer i gång och får ett frekvensband för svensk industri/näringsliv; Effekterna av att dra ut på detta i tiden är betydligt större än de negativa marginaleffekter vi eventuellt skulle kunna få i vissa begränsade områden.
9 Three Sweden leases public spectrum for private usage to stop spectrum carve-up (enterpriseiotinsights.com)
4 Nuläge för 5G – forskning och standardisering
4.1 Spektrum och lokala operatörer
Det finns ett flertal akademiska papper som ger en bra översikt av områdena Dynamic Spectrum sharing (DSA) och Licensed Shared Access (LSA), t.ex. [3][4] och [7]:
Papper [7] är en ”overview” med många (147) referenser. Förutom att lista ett antal olika exempel från olika länder tar man upp olika aspekter på ”protecting the incumbent” (primary license holder) och samexistens. Arbetet publicerades 2016 och fokus ligger på samexistens mellan olika varianter av LTE, License Assisted Access (LAA) and LTE-Unlicensed (LTE-U) och WiFi.
Ett papper från 2017 [3] går igenom status för spektrumtilldelning och standardisering av LSA. Därefter jämför man LSA med CBRS (Citizens Broadband Radio Service) I USA. Man föreslår en lösning med en “mikro-operatör” för industriella ändamål (Factory of the Future).
För detta förslår man en utveckling av LSA med tillfällig tilldelning av frekvenser, LSAevo.
Härvid är en “spectrum manager” en central aktör.
Ett intressant forskningspapper för vår studie har titeln ”On regulations for 5G: Micro licensing for locally operated networks” [4]. Titeln till trots handlar det om mycket mer än
”reglering”. Det är bredare än så, och tar upp 5G, vertikaler, ekosystem och framför allt förändringar i ekosystem och vilka aktörer som har/kan ha kontroll på spektrum. Behov av att fokusera på andra aktörer än traditionella operatörer genomsyrar papperet. Ett citat som poängterar vikten av att tillåta nya aktörer är detta:
”In fact, the entire objective of the prior work on LSA has been to provide more spectrum for existing MNOs but new LSA work has started to address locally deployed high-quality 5G networks with temporary spectrum access. With the advent of addressing vertical sectors’
needs with local 5G networks, the current LSA framework is being expanded to address admitting of new entrants to the market”.
Utifrån detta analyserar man olika “regulatory elements” och för in begreppen mikro- operatörer, lokala licenser och ”micro licensing etc”. Exempel på dessa ”element ” är:
reglering för tillgång till nät och samtrafik, prisreglering, konkurrens, datasäkerhet, och olika licensieringsmodeller
Universitet i Oulu har gjort många bidrag vad gäller spektrumtilldelning för 5G, lokala nät och “mikro-operatörer”. Några papper handlar om själva “mikro-operatören” och dess affär [21][22]. Allmänt handlar det om hur olika aktörer kan ta rollen som operatör av ett lokalt nät för lokala behov av speciella tjänster och innehåll. I [22] beskrivs operatörens roll,
spektrumfrågor, tillgång till lokal infrastruktur samt olika strategier för att bygga 5G-nät inomhus. I [21] tar man upp operatörens olika möjliga roller och olika affärsmöjligheter att inte enbart erbjuda uppkoppling. I detta sammanhang presenteras olika aktörer i ett
affärsmässigt ekosystem, bl.a. fastighetsägare.
I en artikel från december 2002 [29] föreslås en nätarkitektur för en lokal 5G-operatör som tillhandahåller tjänster i ett avgränsat lokalt nät av typen industriell IoT. Arkitekturen beskrivs i termer av nätverksfunktioner (NFs) och olika element i radioaccess- och kärn-nät och stöder Industri 4.0-standarder. I artikeln diskuteras fördelarna med använda ett lokalt kärn-nät för att tillgodose specifika användarkrav (t.ex. fördröjning och tillförlitlighet). Detta som ett
alternativ till den vanliga metoden där enbart mobiloperatören har kontroll på kärn-nätet.
4.2 Icke-licensierat spektrum
Sedan 2015 driver 3GPP arbete med specificering av Licensed-Assisted Access (LAA) med syfte att erbjuda ökade möjligheter att använda olicensierat spektrum. Begränsad tillgång på licensierat spektrum har medverkat till att man tar fram nya koncept såsom MulteFire10 och NR-U [13][14]. MulteFire är en utvidgning av LAA som möjliggör att man kan bygga fristående LTE nät i det olicensierade 5GHZ bandet [15]. 5G NR unlicensed spectrum (NR- U) erbjuder möjlighet att både bygga fristående 5G-nät som enbart använder olicensierat spektrum samt möjlighet att erbjuda 5G tjänster där man kombinerar användning av
licensierat och olicensierat spektrum. MulteFire och NR-U har introducerats för 4G i release 14 [53] respektive 5G i release 16 [52].
För NR-U har man studerat olika olicensierade band eller delade band som 2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz och 60 GHz som ursprungliga kandidater. Senare har 3,5 GHz- och 37 GHz-band
öppnats för delad åtkomst i USA. 3GPP klassificerar dessa band för NR-U som sub-7 GHz- och mmWave-band. Sub-7 GHz-band inkluderar 2,4-, 3,5-, 5- och 6 GHz-banden. Med mmWave avses frekvensbanden 37 och 60 GHz . 5GHz och 60 GHz-banden är attraktiva eftersom de fn inte är lika ”upptagna” som 2,4 GHz och kan erbjuda sammanhängande band.
3GPP har definierat tre huvudsakliga industriella arbetsmoder för NR-U, där de två första avser samtidig användning av både licensierat och olicensierat spektrum:
” Carrier Aggregation mode” är baserat på LTE-LAA i release-13.
I LTE-LAA används det olicensierade spektrumet för att öka nedlänkskapaciteten, medan upplänk- och ”control plane” skickas via licensierat spektrum.
”Dual Connectivity mode” och baseras på ”LTE-utökad LAA” (eLAA) i release-14 . Här används olicensierat spektrum för all datrafik i både upp-och nedlänk medan licensierat spektrum används för ”control plane”.
”Stand-alone mode” införs from release 16, i denna arbetsmod arbetar NR-U helt med olicensierat spektrum. Därför väcker NR-U stort intresse för industrinät eftersom det gör det möjligt att undanröja beroendet av publika nät [12].
För vår studie finns ett antal relevanta exempel på analys av samexistens. I [12] beskrivs användning av 5G i olicensierat spektrum för industriella tillämpningar. Man beskriver olika användningsfall och ger exempel på krav i form av fördröjning, tillgänglighet, datatakter samt
10 https://www.multefire.org/
antal IoT enheter som kan behöva anslutas. Vidare konstaterar man att det finns olika utmaningar i form av samexistens, men det är få arbeten som adresserar dessa problem i tre dimensioner; tid, frekvens och geografi. Man presenterar analys/diskussion av ett antal olika aspekter på samexistens: ”Listen before talk” (LBT) för 5G, samexistens mellan 5G och militära radar system ( i USA på 3,5 GHz) och med WiFi (5 GHz) samt problem att med samtidigt använda synkron och icke-synkron åtkomst (access). Ett nyckelbegrepp i detta sammanhang är ”channel occupancy time” (COT) och möjligheter att variera denna.
Samexistens mellan 5G-U och WiFi på 5GHz och 6GHz banden analyseras i [13]. Med simuleringar visas att NR-U kan erbjuda bättre kapacitet och fördröjning än Wi-Fi (802.11ac).
Prestanda i form av fördröjning och tillgänglighet studeras för ett fristående 5G-nät som använder olicensierat spektrum på 5GHz[16] . Den begränsande faktorn är de procedurer och krav som ställs på åtkomst (access) i olicensierade band. I papperet presenteras analys av olika varianter på LBT.
4.3 Nätarkitektur och non-public networks
I föreliggande rapport inriktar vi oss på lokala, icke-publika nät för kommunikation inom industriföretag, i litteraturen använder man termen ”non-public networks” (NPN). Detta kan vara ett helt eget isolerat nät (stand-alone NPN) eller ett lokalt nät som helt eller delvis ingår i ett publikt operatörsdrivet nät (Public network integrated NPN). Denna indelning används i de rapporter som publicerats i de två forskningsinitiativen 5G ACIA11 och 5G Smart12.
Olika sätt att bygga NPN och fördela funktioner beskrivs på en övergripande nivå i båda projekten [32][35]. Förutom ett ”stand-alone NPN” beskrivs tre varianter där ett publikt nät och icke-publikt NPN samordnas: i) Delat radioaccessnät, ii) Delat radioaccessnät och kontrollplan, och iii) Lokalt icke-publikt NPN som en del av ett publikt nät, se avsnitt 6.1.
I 5G Smart rapporten [34] finns en mer detaljerad beskrivning av olika alternativ för nätuppbyggnad och nätarkitektur för NPN. Här går man mer på djupet vad gäller a) olika alternativ för spektrumanvändning samt b) olika scenarier vad gäller samexistens. Det senare innefattar både samexistens mellan NPN och publika nät samt mellan närliggande NPN. I föreliggande rapport tar vi upp samexistens i kapitel 7.
I ett ”White paper” från Qualcomm ges en bra översikt av olika koncept och begrepp för privata 5G-nät. Liksom i [17] beskrivs olika varianter av att bygga privata nät med olika grad av samarbete med operatörsnät. Vidare ges en lista på 3GPP initiativ med inriktning på privata 5G-nät för industriell IoT. Man beskriver olika alternativ för val av spektrum, inklusive olicensierat och man redovisar läget (sommaren 2019) vad avser licensiering och planer för delat spektrum och lokala licenser avsedda för företagsnät. Man tar även upp funktionalitet av vikt för industriella tillämpningar;
Time sensitive networking (TSN) för tidskritiska tillämpningar
Coordinated MultiPoint (CoMP) för mycket hög tillgänglighet
11 www.5g-acia.org
12 5gsmart.eu – Smart Manufacturing
Tillvägagångssätt för att använda sig av Time-Sensitive Networking (TSN) för de olika varianterna av NPN beskrivs i [35]. Se vidare 7.1 om TSN. I (35) denna rapport beskrivs även olika ”operational models”, vilket innefattar aktörer, olika roller och hur dessa roller kan fördelas mellan aktörer. Se vidare avsnitt 6.2 i föreliggande rapport.
Förslag till klassificering av arkitektur för nätbyggnad för privata 5G-nät för industrin presenteras i[17]. Olika sätt att fördela funktioner i radioaccess – och kärnnätet mellan intern och extern aktör. Man tar även upp fördelning genom att koppla till ”Multi-operator RAN”
(MORAN) och ”Multi-operator Core Network” (MOCN). Detta ansluter i stort till vad som presenteras i [34][35].
Nätarkitektur för privata nät beskrivs i [19] utgående från att man har en lokal operatör av 5G- nätet (local 5G operator: L5GO). Man beskriver de nätverksfunktioner som krävs för olika användningsfall. Det stora värdet för vår studie är att man diskuterar behov och nytta med att ha ett lokalt kärnnät. För att illustrera detta presenterar man simuleringsresultat där man jämför fördröjning för den föreslagna L5GO modellen med fall där en mobiloperatör driver nätet och man använder dess kärn-nät.
5 Krav och behov
I detta avsnitt sammanställer vi krav och behov som framkommit vid intervjuer och vid diskussioner inom projektgruppen. Leverantörsperspektivet utgår från Åkerströms situation, ett relativt sett mindre företag som levererar utrustning till större (oftast tung) industri och som vill kunna utnyttja fördelar och möjligheter med ny 5G teknik. Användarperspektivet utgår från Bolidens kravbild, detta som ett exempel på ett större industriföretag med pågående digitalisering och automatisering.
I båda fallen ingår två olika delar. ”Funktions- och prestandakrav” avser tekniken i sig, med
”Behov” menar vi andra förutsättningar och krav kopplade till kompetens, standards, avtal och samarbeten. Här tar vi även med några synpunkter från industriföretag som inkommit vid PTS konsultation 2019 om tilldelning av lokala tillstånd.
Inom 5G ACIA och 5G Smart har man tagit fram ett stort antal användningsfall samt tekniska krav för olika egenskaper. I appendix A2 ges några exempel på detta.
5.1 Leverantörsperspektiv
Funktions- och prestandakrav
När det gäller krav på utrustning för radiostyrning inom industri är tre områden väsentliga, både vad gäller krav i sig och möjligheter till förbättringar genom att utnyttja ny teknik:
Tillförlitlighet och tillgänglighet måste vara mycket hög, framför allt drivet av bl.a krav på maskinsäkerhet, vilket ges av EU:s maskindirektiv (2006/42/EG)
Fördröjning ska vara kort och förutsägbar
Kapacitet. Med större bandbredd kan man erbjuda högre kapacitet än idag.
Storleksordning på dessa typer av krav kan tas från projekt 5G Smart där man beskriver krav för ett antal olika användningsfall, se appendix A2. Exempel på storleksordningar är följande:
Tillgänglighet >99,99%
Fördröjning ”end-to-end” i intervallet 5 – 50 ms
Datatakt 0,5 -2 Mbps Övriga behov
Det handlar om kunskap om ny teknik och nya system och hur man kan använda detta:
Kunskap om vilka standarder som olika produkter för radiostyrning ska stödja, detta avser både funktioner och gränssnitt.
Kännedom om och kontakter med partners som kan tillhandahålla delar av eller hela 5G-system eller annan IT infrastruktur
Kännedom om behov och möjligheter för kundföretag att själva sätta upp och driva egna 5G-nät, detta innefattar möjligheter att stötta kundföretag i detta
5.2 Användarperspektiv
Funktions- och prestandakrav
För industriella användare kan vi identifiera samma väsentliga områden, dock har vi lagt till några kommentarer och förtydliganden.
Tillförlitlighet och tillgänglighet måste vara mycket hög
Fördröjning ska vara kort och förutsägbar
Datasäkerhet och skydd mot dataintrång
Kapacitet Med större bandbredd kan man erbjuda högre kapacitet än idag.
De tre första punkterna är till stor del kopplade till om dataöverföring och uppkoppling rent fysiskt sker inom företagets domäner eller ej. Att vara uppkopplad till ett 5G-nät där
kärnnätets noder är lokaliserade på stort avstånd innebär längre fördröjning och ökad risk för avbrott, t.ex. om en kabel grävs av. På samma sätt kan delat radioaccessnät innebära mindre egen kontroll, se avsnitt 6.
När det gäller kapacitet och bandbredd kan man förutse att merparten av datatrafiken avser upp-länk, t.ex. videoövervakning. Detta kan innebära problem om man av tekniska skäl måste anpassa sig till kommersiella nät anpassade för att erbjuda hög trafik nedströms, se vidare om TDD avsnitt 7.
Övriga behov och frågeställningar
Hur påverkas företagets kommunikations- och IT infrastruktur av införande av ett lokalt 5G-nät? Är detta en stor eller liten del av den samlade IT infrastrukturen?
Vilka möjligheter har man att i praktiken kunna utnyttja en egen lokal 5G licens?
Kännedom om och kontakter med partners som kan tillhandahålla delar av eller hela 5G-system eller annan IT infrastruktur
Vilka möjligheter har företaget att självt övervaka, styra och kontrollera data och utrustning?
Finns det risk att man blir utlämnad till någon leverantör eller tredjepartsaktör?
Vilka möjligheter har företaget till affärsmässig frihet och flexibilitet?
Finns det risk för inlåsning till viss leverantör och/eller långa kontrakt?
Från svar på PTS konsultation 2019 om tilldelning av tillstånd för 5G noterar vi detta:
Flera industriföretag anser att tilldelning av lokala spektrumtillstånd är nödvändigt för att nya aktörer ska kunna ta sig in på marknaden och öka konkurrensen och
tillhandahålla ett bredare utbud.
Vidare önskar man att tilldelning sker så snart som möjligt i delbandet 3,7-3,8 GHz.
Det har framhållits som väsentligt att delband för lokala tillstånd blir tillgängliga samtidigt med frekvensband för de nationella tillstånden. En sådan samordning skulle säkerställa tillgång till utrustning och komponenter för hela bandet.
6 Möjliga scenarier och alternativ för systemlösningar
I detta avsnitt tar vi upp olika affärsmässiga och tekniska alternativ och scenarier. Först beskrivs olika sätt att fördela funktioner i radionät mellan (publika) makronät och det lokala (icke-publika) nät. Sedan diskuterar vi vilka aktörer som kan ansvara för de olika delarna.
6.1 Olika sätt att fördela funktioner i radionät
Detta avsnitt bygger uteslutande på rapporten från projektet 5G ACIA ”5G Non-Public Networks for Industrial Scenarios” [32], vi hänvisar till denna för figurer och skisser.
6.1.1 Olika varianter på gemensamma funktioner i icke-publikt och publikt radionät
Nedan beskrivs tre olika alternativa nätalternativ där icke-publika och publika nät samverkar.
Delat radioaccessnät (Shared radio access network)
I detta scenario delar det icke-publika och ett omgivande publikt nät en del av radioaccess- nätet medan andra nätverksfunktioner förblir separerade. Alla dataflöden relaterade till den icke-publika delen ligger inom det fysiskt definierade området för det lokala nätet. Den publika delen av trafiken inom området överförs till det publika nätet. Det icke publika nätet baseras på 3GPP teknologi och har ett eget specifikt nätverks ID. Denna lösning innebär att det finns ett avtal om nätdelning (RAN sharing) med en operatör som driver ett publikt nät.
Delat radionät och kontrollplan (Shared radio access network & control plane)
I det här scenariot delar det icke-publika och det publika nätet radioaccess inom det angivna fysiska området. All nätstyrning sker i det publika nätverket, men alla dataflöden för det lokala nätet sker inom det fysiskt avgränsade området. Överföring av övrig publik trafik sker i det publika nätet. Detta kan implementeras genom ”network slicing”, dvs att man skapar logiskt separerade nätverk inom en enda delad fysisk infrastruktur.
Lokalt icke-publikt nät som en del av ett publik nät
I det här scenariot hanteras både den publika och den icke-publika trafiken utanför det fysiskt begränsade området. Detta kan uppnås genom virtualisering av nätverksfunktioner i ”molnet”, implementering kan ske genom ”network slicing”. Användare i det lokala icke-publika nätet är också ”abonnenter” i det publika nätet och alla data överförs via det publika nätet .
6.1.2 Fristående och isolerat icke-publikt radionät
I detta fall har vi ett ”isolerat” fristående radionät oberoende från andra (publika) nät. Alla nätverksfunktioner finns inom det lokala nätet (t.ex. på en fabrik) och är åtskilda från det publika nätet. Detta innefattar radioaccess nätet och kärnnätet (user plane and control plane).
Den enda kommunikationsvägen mellan det icke-publika NPN och det offentliga nätverket är via en brandvägg. Denna är en tydligt definierad och identifierbar avgränsningspunkt.
Den aktör som driver det lokala nätet och erbjuder själva tjänsten har ensamt och exklusivt ansvar för driften av nätet och för alla tjänsteattribut. Det icke- publika nätet är baserat på 3GPP och är helt oberoende med en egen mobilnätkod (NPN ID).
