Genomförbarhetsstudie Lokala Nät Och Lokal Spektrumanvändning För Industriella Radiosystem

RAPPORT Dokumentdatum Vinnovas diarienummer TRITA-EECS-RP-2021:1 2021-04-22 2020-03680

Skapat av Jan Markendahl

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.

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 regleringsmyndigheten 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 systemprestanda, 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 radiokommunikation 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).

6.2 Vilka aktörer kan ansvara för olika delar Olika aktörer (stakeholders) och roller beskrivs på ett bra sätt i en 5G Smart rapport [35] i avsnitt 3.3 ”Operational models”. Nedan sammanfattas detta och kompletteras med resultat av projektgruppens egna diskussioner.

6.2.1 Samverkande icke-publika och publika nät När det gäller det lokala icke-publika nätet enligt i föregående avsnitt 7.1 kan vi urskilja tre olika ansvarsområden: - Att planera och bygga nätet (deployment) - Att driva och underhålla nätet (maintainance) - Att ansvara för tjänsteleverans, (service provisioning), detta innefattar att tillse att krav på tillgänglighet och prestanda upprätthålls.

Tittar vi på de olika alternativen med samverkan mellan icke-publikt och publikt nät (7.1.1) utgår vi från att det i samtliga dessa fall är fråga om att en mobiloperatör äger nätet och ansvarar för dessa delar.

Vi kan identifiera några alternativ när det gäller typ av spektrum och tilldelning som man använder sig av: - En mobiloperatörs nationella spektrum - En mobiloperatörs lokala spektrum (om detta är tillämpbart) - Användarföretagets lokala spektrum (om detta är tillämpbart) Vidare kan ovanstående varianter av licensierat spektrum kombineras med olicensierat spektrum.

6.2.2 Fristående och isolerat icke-publikt radionät När det gäller fristående icke-publikt nät finns i princip olika alternativ för vem som ansvara för vad. Förutom mobiloperatör eller själva användarföretaget kan en tredjepartsaktör vara inblandad, och kan t.ex. vara en ”systemintegratör” som SAAB Combitech och AFRY eller en nätverksleverantör som Ericsson och Nokia.

Även när det gäller ägande kan olika varianter identifieras: - En mobiloperatör äger och driver det lokala nätet - En tredjepart äger och driver det lokala nätet - Användarföretaget äger det lokala nätet, en mobiloperatör eller tredjepart driver det

När det gäller tillgång till och användning av spektrum kan vi identifiera följande varianter - Man hyr en mobiloperatörs spektrum på specifik plats - Man utnyttjar en tredjeparts lokala spektrum (om detta är tillämpbart) - Man utnyttjar sin egen (användarföretagets) lokala spektrum (om detta är tillämpbart) - Man använder olicensierat spektrum

7 Viktiga tekniska faktorer för lokala nät för industri

I detta kapitel tar vi upp fyra områden kopplade till tekniska faktorer och spektrum för lokala nät tänkta för industrin, gällande krav och förutsättningar: - låg fördröjning och tidssynkronisering för industriella tillämpningar - synkronisering av mobilnät - interferens och samexistens för mobila nät - tillgång till och val av spektrumband De tre sistnämnda faktorerna är inbördes kopplade men beskrivs i olika avsnitt.

7.1 Time sensitive networking (TSN) TSN nätverk är en uppsättning öppna standarder som definieras av IEEE 802.1 Time- Sensitive Networking Task Group. TSN-funktioner som kan ses som en verktygslåda för att tillhandahålla tjänster via IEEE 802-nätverk för att möjliggöra låg paketförlust, garanterad leverans av datapaket, kort och begränsad fördröjning samt variation vad gäller fördröjning. En första uppsättning TSN-standarder publicerades mellan 2015 och 2018 innehåller en uppsättning funktioner för att tillgodose behov och krav för industriell automatisering. Arbete pågår inom 3GPP för att möjliggöra 5G stöd för TSN13. Från och med version 16 av 3GPP standardisering har man i ett 5G-system introducerat funktioner för att stödja inter- working med TSN-baserade trådbundna nätverk. Inom 5G smart har man nyligen (2021) adresserat denna fråga och presenterat beskrivning och analys [37] av hur man kan integrera 5G + TSN för de olika varianterna av lokala icke-publika nät, se 6.1.

Det är intressant att studera hur projektet 5G smart presenterar och beskriver dessa “TSN components”: - Bounded low latency - Time synchronization - High availability, ultra-reliability - Dedicated Resources I stort överensstämmer dessa områden väl med de industrikrav som vi listat i avsnitt 5.1 och 5.2 i föreliggande rapport.

7.2 Synkronisering TDD-teknik innebär ett antal olika utmaningar för industriella tillämpningar. Valet av TDD och vissa designval för 5G gör att olika användare inte kan använda olika delar ett frekvensband utan att vidta omfattande åtgärder. Om ingen av dessa åtgärder vidtas kommer olika användare att störa varandra, se vidare avsnitt 7.3 om samexistens. Detta gäller både olika användare inom samma frekvenskanal men också olika användare inom hela frekvensbandet i olika frekvenskanaler. Det sätt på vilket detta förväntas hanteras i publika mobilnät är genom full synkronisering av olika tillståndshavares mobilnät.

13 5G for Industry 4.0 (3gpp.org)

För lokala nät så finns det fler alternativ men det är beroende på hur användningen ser ut. Synkronisering mot omgivande makronät, användning i områden som är geografiskt separerat från andra användare i frekvensbandet, användning av låg effekt inomhus eller användning inom ett väl RF-avskärmat område t.ex. inne i en fabrikslokal som anpassats för att uppnå hög radiodämpning, eller användning under jord.

I många fall kommer lokala nät med lokala frekvenser behöva synkroniseras med omgivande ”makronät”, oavsett vilken aktör som innehar den lokala frekvensen. Detta gäller särskilt om man vill ha lokal utomhusanvändning i områden där det finns täckning av ett eller flera publika mobilnät i samma frekvensband.

En anpassning till synkroniseringen i de publika mobilnäten medför dock begränsningar. De publika näten är normalt dimensionerade för att kunna leverera mycket data nedströms, vilket innebär att den använda tidssynkroniseringen använder mer av tiden för sändning nedströms än uppströms till exempel 3:1 tre gånger så mycket tid nedströms som uppströms. Många lokala tillämpningar har dock behov av att sända mycket data uppströms. Om man måste anpassa sig till makronätets tidsanvändning kommer man få en begränsad uppströmskapacitet samtidigt som man har en kraftig överkapacitet i nedlänken. Den ramstruktur som förväntas användas i det publika mobilnätet medför även begränsningar gällande hur kort tidsfördröjning nätet kan garantera, det finns därför en risk att användningar med mycket stringenta fördröjningskrav inte kan garanteras över ett nät som är synkroniserat med det publika mobilnätet.

I Sverige har PTS gett anvisningar om hur man ska kunna samordna olika nät. I 3,5 GHz- bandet ges möjlighet för blocktillståndshavarna att själva komma överens om vilken ramstruktur som ska användas. I det fall man inte kan eller vill komma överens om något annat så finns det en angiven ramstruktur och krav på gemensam tidsreferens inskrivna i tillståndsvillkoren. I Tyskland har man liknande anvisningar för närliggande lokala icke-publika nät [47]. Ägarna till dessa nät ska först kartlägga ömsesidig interferens och vidta åtgärder för att inte störa varandra. Om man inte kan komma överens så har regleringsmyndigheten föreskrivit en högsta signalnivå vid gränsen av det lokala nätet.

Som nämnts ovan är alternativet till synkronisering att man kan införa extra dämpning mellan den lokala användningen och andra användare i frekvensbandet. Detta kan antingen ske genom skärmning (skärmande byggnad eller användning under jord) eller genom geografisk separation. I många verksamheter finns dock även önskemål om viss utomhusanvändning t.ex. fjärrstyrda truckar som delvis rör sig utanför/ mellan industrilokalen eller ovanför jord, vilket då skapar problem för den lokala tillämpningen

7.3 Samexistens Förutom input från PTS sammanställs nedan resultat och resonemang från 5GSmart rapporten D1.4, ”Radio network deployment options for smart manufacturing” [34].

7.3.1 Allmänt - många olika aspekter på störning En svårighet i sammanhanget är att både problem och lösningar innefattar olika dimensioner och faktorer och dessutom många olika kopplingar och samband mellan dessa faktorer. I D1.4 diskuteras och analyseras följande faktorer.

Kopplat till spektrumanvändning - Olika alternativ för tilldelning och användning spektrum: Mobiloperatörernas licensierade spektrum, NPN som använder egen lokal licens och/eller hyr spektrum från en mobiloperatör, olicensierade band - En eller flera ”carriers”, olika kombinationer av TDD - FDD, mid- eller high-band

Kopplat till typ (och dimension) av störning - Typ av interferens mellan upp-länk och eller ned-länk i olika mobila nät: DL->DL (near-far), UL->UL (near-far), UL-DL (cross-link), DL->UL (cross-link) - Interferens inomhus-> utomhus, inomhus-> inomhus, utomhus-> inomhus - Störning i frekvensdomänen för olika ”kanalfall”: samkanalstörning, grannkanalstörning och fallet med ”isolerade” frekvenser. - Om TDD system är synkroniserade eller ej

Olika nät-scenarion för samexistens - Separat (standalone) NPN eller NPN som samverkar med operatörsnät - Samexistens mellan olika NPN - Samexistens mellan ett NPN och ett publikt nät

7.3.2 Fristående NPN Mångfalden av olika faktorer medför att vi måste dela upp resonemanget olika fall. På översta nivån delar vi upp det i samexistens mellan olika NPN och mellan NPN och ett publikt nät.

Samexistens mellan två närliggande NPN I detta fall antar vi att det är två helt separata nät utan överlappande täckning och att användare enbart finns inom ”sina egna” nät. Användning av samma frekvenser är möjlig om näten drivs av samma mobiloperatör eller olika NPN operatörer. Användning av närliggande kanaler är också möjlig. Vi utgår från att de olika NPN vill styra över sitt eget TDD-mönster, dvs fördelning av trafik upp- och ned-länk. Det kan vara problematiskt att använda osynkroniserade TDD-system, särskilt vid störning utomhus-till-utomhus eftersom det skulle kräva stora separationsavstånd mellan näten och en noggrann nätplanering. Synkroniserade TDD-mönster är ett effektivt sätt att minska störningar mellan två närliggande lokala nät. Om man vill ha egna NPN-specifika TDD- mönster krävs noggrann planering av radionäten och överenskommelser om högsta sändareffekt.

Samexistens mellan ett NPN och ett publikt nät I detta scenario utgår vi från att det ör överlappande täckning mellan två nät. Här kan man identifiera olika del-fall beroende på om man enbart avser täckning inomhus (t.ex. inne i en fabrik) eller utomhus, samt om man vill erbjuda användare av det publika nätet tillgång till tjänster även inom täckningsområdet för det icke-publika nätet.

Fall I. Det lokala nätet har enbart inomhustäckning - Inga publika användare ”i fabriken” Här är de största samexistensproblemen kopplade till störning i nedlänk av högeffektsbasstationer i makronätet. Användning av osynkroniserad TDD system är möjlig om isoleringen mellan näten är tillräckligt effektiv; detta kan antingen uppnås med visst separationsavstånd, hög väggdämpning eller separation i frekvens.. I detta fall är det därför möjligt för NPN nätet att lösa problem med samexistens utan hjälp av mobiloperatören, detta särskilt om man för NPN använder en egen (isolerad) frekvens som inte används av det omgivande makronätet.

Fall II. Det lokala nätet har enbart inomhustäckning - Publika användare ”inne i fabriken” Om man tillåter användare av det publika nätet att ”komma in i” fabriken erhålles en mycket svårare situation avseende samexistens. Användning av samma kanal för NPN och det publika nätet medför problem och rekommenderas inte. Användning av närliggande kanaler minskar nivån av störning mellan näten men är inte alltid tillräcklig. I detta fall är hög väggdämpning inte till någon hjälp, istället medför denna att det lokala nätet utsätts för högre stör-nivåer från de ”besökande” mobilerna som är uppkopplade mot makronätet. Problem med störning (cross-link) kan undvikas genom att synkronisera TDD näten, men det eliminerar inte problem med ”near-far” störning. För att lösa detta kan man erbjuda de ”besökande” makronätsanvändarna att koppla upp sig mot det lokala nätet. Detta ställer dock krav på synkronisering av det lokala nätet.

Fall III. Det lokala nätet har både inomhus- och utomhustäckning Samexistens blir betydligt svårare om det icke-publika nätet har basstationer utomhus. Användning av samma frekvenser är inte möjlig med höga nivåer av störning från osynkroniserade TDD system. Användning av olika kanaler är heller inte möjligt när man använder osynkroniserade TDD system då detta skulle kräva mycket stor separation i avstånd, eller användning av en helt egen ”isolerad” frekvens i det lokala nätet. Således är synkronisering mellan TDD system av största vikt.

7.3.3 NPN som samverkar med operatörsnät Här avses de olika varianter där man använder gemensamma funktioner i icke-publikt och publikt radionät, se avsnitt 6.1.1. I dessa scenarier kan det lokala NPN-nätet innehålla både delade och icke-publika basstationer. Eftersom NPN kan erbjuda både icke-publika och publika tjänster kan samexistensproblem av typen ”near-far” minskas avsevärt för användare av det publika nätet som kopplas upp mot the lokala nätet. ”Cross-link” störning kommer fortfarande att kvarstå. Används samma frekvensband för NPN och det publika nätet så kvarstår även här ”near-far” problemet.

När det gäller lösningar med delat RAN, eller när det icke-publika nätet ingår i det publika nätet kan de basstationer som används för NPN använda flera TDD eller FDD frekvensband. Detta möjliggör både högre kapacitet och minskad risk för interferens. TDD-tjänster som delar samma basstation men använder närliggande kanaler måste synkroniseras. När det publika och icke-publika nätet delar samma TDD-band måste de följa samma TDD-mönster. Om en det publika och det icke-publika nätet är helt okoordinerade bör NPN använda en helt egen frekvens.

Eftersom mobiloperatörer i dessa scenarier alltid är inblandade blir det i allmänhet lättare för det icke-publika nätet att stödja olika typer av tjänster, och en blandning av dessa. Exempelvis kan en mobiloperatör upplåta låg- eller mellanbands-FDD-spektrum för M-MTC-tjänsterna, medan mellan- eller högbands TDD-spektrum kan användas för industriella eMBB- och URLLC-tjänster.

7.4 Tillgång till och val av spektrumband I detta avsnitt sammanfattas olika alternativ för hur olika aktörer kan använda olika typer av licensierat och olicensierat spektrum. Detta styrs i stort av vilken typ av aktör som bygger och driver nätet. I figur 7.1 illustreras detta för ”standalone” NPN samt för NPN som samverkar med ett med operatörsdrivet nät. Resonemanget utgår från avsnitten 3.2 och 4.2 i [34].

Lokalt NPN som Fristående samverkar med lokalt NPN ett operatörs-nät

NPN som NPN som NPN som en del i NPN utformat som byggs och drivs av byggs och drivs av publikt nät som ”Shared RAN” industriföretag mobiloperatör drivs av operatör

Licens Aktörer Aktörer Enbart hyrd av använder egna delar sina Egen operatörens operatör frekvenser frekvenser Företagets nationell frekvenser lokala licens licens Företagets MORAN MOCN lokala licens Multi-Operator RAN Multi-Operator Kombination Radio Access Network Core Network av företagets och operatörens licenser

Figur 7.1 Olika alternativ för användning av spektrum för ett lokalt icke-publikt nät (NPN)

”Standalone” NPN Här har vi två varianter beroende på vilken aktör som bygger och driver det lokala nätet, se vänstra delen av figur 7.1. Om industriföretaget ansvarar för nät kan det använda en egen lokal licens eller hyra frekvenser av en operatör. Om det lokala nätet byggs och drivs av en operatör kan denna använda sin egna (nationella) frekvenser eller, i förekommande fall, använda industriföretagets lokala licens. Man kan även tänka sig att man använder både företagets och operatörens frekvenser.

NPN som samverkar med ett med operatörsdrivet nät Även i detta fall finns några varianter beroende på om nätet realiseras som ”shared RAN” eller om det lokala nätet ingår som en del i ett operatörsnät. I det senare fallet kan operatören använda all sina egna frekvenser. För ”shared RAN” finns det i sin tur två varianter beroende på om aktörerna delar frekvens eller inte. I den lösning som kallas MORAN (Multi-operator RAN) används olika frekvenser för NPN och det samverkande operatörsnätet. Den andra varianten som kallas MOCN (Multi-Operator CoreNetwork) delar man samma frekvenser men är uppkopplad mot olika kärn-nät.

Blandade IoT tjänster Inom 5G smart har man även utrett möjligheten att blanda två olika typer av tjänster, Massive Machine-Type Communication ( M-MTC) och Critical Machine-Type Communication (C- MTC), där den senare innebär URLLC . Man studerar lösningar med både ett enda och flera frekvensband.

Single-band lösningar har ett antal utmaningar både för FDD och för TDD. En FDD lösning kommer att ha begränsad kapacitet, vidare bedöms det vara begränsade möjligheter att kunna hyra en FDD band av en mobiloperatör. Om TDD krävs synkronisering med andra TDD system. En möjlighet är att nyttja ”NR reduced capacity” (RadCAp)14 med mindre komplexitet och kostnad, och även ökad batteritid om det är begränsade datamängder. M-MTC kan stödjas av LTE-M och NB-IOT men om dessa i TDD-mod inte är synkroniserade med 5G NR så kommer interferens att hindra att man kan använda dessa på samma bärare. En annan svårighet är tillgänglighet på chip-sets för M-MTC. Enligt [34] finns i nuläget (2020) ingen användarutrustning för NB-IoT eller LTE-M på frekvenser över 3 GHz.

Flerbandslösningar kan skapas antingen genom att man kombinerar IoT tjänst på licensierat 5G band med M-MTC på olicensierat band, eller att man använder flera licensierade band. I det senare fallet kan ett band användas URLLC och eMBB och det andra för M-MTC och eMBB. Ett industriföretag har några olika varianter för hur man skapa att kombinera olika band: 1. Två ”mid-band” TDD bärare, man kan använda egen lokal licens eller hyra från operatör 2. Två TDD bärare, en ”mid-band” och en ”high-band”, egen lokal licens eller att hyra 3. Ett FDD-system, ”low-band ” eller ”mid-band” och ett TDD system, ”mid-band” eller ”high band”, här måste man hyra frekvens för FDD av mobiloperatör.

De två första varianterna har en utmaning i form av begränsat utbud av användarutrustning och chip-sets för TDD på dessa frekvenser. Det tredje alternativet har inte detta problem, däremot kan det vara svårt att hitta en mobiloperatör som är villig att hyra ut frekvenser för FDD användning.

14 What is reduced capability (RedCap) NR? - Ericsson

Summering av synpunkter från 5G Smart Mobiloperatörer har goda möjligheter att erbjuda lokala fristående 5G-nät för industriell IoT, detta pga tillgång till ett stort antal olika frekvensband. Exempelvis har man möjlighet att erbjuda två olika ”mid-band”, ett band som är konfigurerat för M-MTC (LTE-M/NB-IoT och RedCap) och den andra är konfigurerat för eMBB och URLLC.

De industriföretag som enbart förlitar sig på lokalt ”mid-band” och ”high band” spektrum kommer att ställas inför utmaningar på grund av: i) krav relaterade till synkroniserade TDD- system och ii) bristen på M-MTC-enheter för TDD ”mid-band”. För att kunna använda alla industriella IoT-tjänster behöver man samarbeta med en operatör för att hyra spektrum eller att operatören tillhandahåller de M-MTC-tjänsterna till dem. Alternativt kan man använda olicensierad teknik för M-MTC-tjänster.

När det gäller lokala NPN nät som samverkar med ett operatörsnät framhåller man följande. Eftersom mobiloperatören är inblandad i samtliga varianter blir det lättare för det lokala NPN att erbjuda olika typer av industriella IoT-tjänster. Operatören kan således erbjuda FDD spektrum (low/mid band) för M-MTC-tjänsterna, medan TDD spektrum (mid/high band) från operatören eller industriföretaget kan användas för eMBB- och URLLC-tjänsterna.

Licensiering av lokalt spektrum har hittills endast skett i ett fåtal länder. Tilldelat lokalt spektrum har antingen varit i på 2,3 GHz eller 3,5-4 GHz) eller i högre band på 26 GHz. De lokala licenserna avser vanligtvis TDD, vilket innebär att möjligheterna för ett industriföretag att sätta upp ett lokalt NPN med FDD-spektrum är mycket begränsat.

8 Sammanfattning av utmaningar och frågeställningar

8.1 För industriföretag Genom att använda 5G teknik finns det stora möjligheter att erbjuda förbättrade och höga prestanda, detta gäller tillförlitlighet och tillgänglighet, kort fördröjning och kapacitet. I detta avsnitt inriktas vi oss på de utmaningar som måste adresseras för att industriföretag ska kunna ta till vara dessa möjligheter. a) Samexistens Det finns ett stort antal fall av interferens, t.ex. beroende på typ av icke-publikt nät och om det finns användare av publika operatörsnät inom samma område som det icke-publika nätet. För att hantera interferens och samexistens måste man synkronisera olika TDD system, detta oavsett om det icke-publika nätet använder en lokal licens eller mobiloperatörs licens. Utan synkronisering av TDD-nät krävs att man begränsar sändareffekt för det icke-publika nätet och/eller inför någon from av avskärmning. Detta innebär att icke-publika nät med utomhustäckning oftast kräver synkronisering b) Kapacitet För TDD system måste operatörer enas om fördelning av kapacitet mellan upp- och ned-länk. För publika nät har man vanligen större kapacitet nedströms. Det icke-publika nätet måste i de fall tidssynkronisering används/krävs anpassa sig till den fördelning som används i de publika näten oavsett vilken fördelning man själv önskar. c) Fördröjning 5G systemen och standard erbjuder möjligheter till mycket kort fördröjning. En begränsande faktor kan vara att för det icke-publika nätet använda en mobiloperatörs kärnnät. För att minimera denna typ av fördröjning kan man tillse att man har ett ”eget” kärnnät i lokal anslutning till det icke-publika nätet. Detta är även kopplat till punkt d) nedan. d) Tillförlitlighet, tillgänglighet och egen kontroll Det finns ett antal varianter på nätuppbyggnad där det icke-publika nätet delar gemensamma funktioner med ett publikt radionät, se avsnitt 6. För att garantera att industriföretaget själv kan övervaka, styra och kontrollera data och utrustning kan det icke-publika nätet utformas så att all funktionalitet finns inom företagets domäner. e) Kan ett industriföretag självständigt driva ett icke-publikt nät? Det får anses som tekniskt fullt möjligt för ett industriföretag att självständigt driva ett icke publikt nät. Om man väljer denna väg så måste man dock vara medveten om att det följer med viss komplexitet och att det kommer att finnas begränsningar som relaterar till de tillstånd som man troligen kommer att kunna få tillgång till. Dels är planering och drift av ett 5G-nät idag en relativt komplex process det är därför troligt att man kommer att behöva ta hjälp av en systemintegratör för nätdesign och installation samt eventuellt stöd för nätdriften. Om man använder lokala eller hyrda frekvenser i 3,5 GHz bandet måste man även som antyds ovan ta hänsyn till de begränsningar gällande synkronisering och effekter / störningar som

kommer med användningen av frekvensbandet. Så även om ett företag har en egen lokal 5G licens i 3,5 GHz bandet är det inte garanterat att man på egen hand kan sätta upp och driva ett nät med önskade egenskaper och prestanda. f) Har en mobiloperatör fördelar när det gäller erbjudande av icke-publikt nät? En mobiloperatör har normalt tillgång till en bred portfölj av olika frekvensband, vilket inkluderar FDD frekvensband i låga och medelhöga frekvensband samt TDD frekvensutrymme i 3,5 GHz bandet. Detta gör att man om man vill och anser det ekonomiskt motiverat kan erbjuda en lösning som baseras på användande av flera olika frekvensband med olika egenskaper för att uppfylla kravbilden. Man kan därmed utnyttja mobiloperatörens alla resurser för att erbjuda en 5G lösning med alla varianter av ”tjänstefamiljer”; eMBB, URRLC och M-MTC. En mobiloperatör kan därför anses ha ett försprång när det gäller tillgång till tillgängliga frekvensresurser för att kunna implementera ett lokalt icke-publikt nät. Detta förutsätter dock att man är villig att avsätta dessa frekvensresurser till lokal användning i det geografiska område som är aktuellt, att avsätta frekvensresurser till lokal användning gör ju samtidigt att dessa inte kan användas i mobiloperatörens publika nät i närområdet. Med 5G som erbjuds enbart med TDD- teknik, verkar det som om användarföretag, oavsett om man har egen frekvens eller inte, är hänvisad till att samarbeta med en mobiloperatör. g) Risk för affärsmässig inlåsning Om industriföretaget köper det icke-publika nätet som en ”tjänst” av en mobiloperatör eller tredjepartsaktör bör man beakta riskerna med oklara SLA, långa kontrakt och risk för inlåsning till viss leverantör.

8.2 Leverantör av utrustning för industrin För ett företag som Åkerströms som avser att leverera 5G baserad utrustning till industrin kan vi identifiera följande utmaningar och behov:  Att kunna förstå och förhålla sig den mångfald av tekniska lösningar och möjliga problem som kan identifieras kopplat till icke-publika nät för industrin.  Att bygga upp kunskap om vilka tekniska standards och frekvensband man ska stödja  Att ha kännedom om för vilka frekvensband det finns färdiga 5G radiomodem.

De tekniska faktorer som vi diskuterat i denna rapport innebär en mängd osäkerheter kopplat till frekvensband, samexistens och val av nätarkitektur. Dock är detta primärt ett problem för industriföretag och mobiloperatörer som avser att bygga och driva icke publika 5G-nät. Om det visar sig att en industriell 5G sektor tar fart så finns en marknad och ett behov av att ”5G- isera” Åkerströms typ av produkter. I detta fall bör man ta fram utrustning och vara beredd på att se vilka olika tekniska standarder och alternativ man behöver förhålla sig till. Härvid gäller att identifiera vilka frekvensband som blir allmänt utnyttjade. Blir det en allmän användning av TDD på 3,5 GHz eller kommer operatörer att använda andra band med FDD? Omvänt, om 5G lösningar för industrin av olika anledningar försenas eller inte börjar spridas på bred front så bör Åkerströms göra bedömningar ”fall för fall”

8.3 Tilldelning av lokala licenser Att förlita sig på lokala licenser med TDD medför ett antal utmaningar och begränsningar för industriella tillämpningar, särskilt om man vill ha täckning både inomhus och utomhus. Som nämnts flera gånger handlar det om att lokala nät måste synkas eller ha låg effekt, dvs det blir ett renodlat inomhussystem. Alla TDD system måste synkroniseras oavsett om det är ett NPN eller inte och oavsett om det är operatörslicens eller en lokal licens. Vidare måste industrier med krav på mycket data i upp-länk anpassas till operatörers TDD system som sannolikt har mer data i ned-länken. Industriföretag som bygger ett eget lokalt nät riskerar då att inte kunna får den kapacitet man önskar för sina tillämpningar och/eller ha en stor del outnyttjad överkapacitet.

Det är 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. Om man vill möjliggöra för industrin att själv kunna bygga egna lokala icke publika nät som tillfredsställer alla sina behov utan att ta hjälp av en mobiloperatör kan det behövas kompletterande lokala tillstånd i harmoniserade FDD band. Det kunde därför vara intressant att utreda om det finns det andra band med FDD som är möjliga att frigöra för lokala licenser. Även ett relativt begränsat band skulle medge kapacitet då lokala licenser i hög grad ”återanvänds” geografiskt.

9 Slutsatser och fortsättning

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 utav ”proprietära”- eller WiFi baserade system i icke-licensierade band (alternativt smala industriband specifikt dedicerade för olika industriprocesser). Trådbunden uppkoppling är långsiktigt inte önskvärt för industrin då det begränsar rörligheten.

För att industriföretag skall kunna ta beslut om investering i cellulär teknik för uppkoppling istället för tex WiFi, krävs dock långsiktighet både tekniskt och affärsmässigt. Det är därför viktigt att PTS så snart som möjligt tillhandahåller lokala frekvenstillstånd för industriellt bruk.

Det frekvensutrymme som är aktuellt för de planerade lokala tillstånden i 3,72-3,80 GHz används redan för lokala tillstånd för främst industri i Tyskland. Det bredare frekvensbandet 3,4-4,2 GHz används även i flera andra länder för lokala tillstånd dock utan en specifik harmonisering, men kan i Sverige dock inte komma att bli aktuellt inom de närmaste åren.

Banden mellan 3,4 och 4,2 GHz är dock definierade för TDD och behöver vid utomhusbruk synkroniseras med operatörernas makronät samt även använda samma fördelning av trafik mellan upp-och nedlänk som dessa nät. Industrins kapacitetsbehov är dock främst i upplänk medan operatörsnäten främst tillhandahåller video i nedlänk.

Det är i därför nuläget således 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. Tilldelning och användning av lokala 5G-frekvenser är en del av detta problemområde. Då nyttan för industriföretag med lokal tilldelning av frekvenser är stor rekommenderar vi därför att man bör:

1. Tilldela lokala frekvenstillstånd för industriellt bruk i bandet 3,72-3,80 GHz så snart som detta är möjligt.

2. Utreda möjligheter och strategier att underlätta för företag att utnyttja lokala licenser på 3,5 GHz bandet för att hantera de problem som framkommit i stora EU projekt t.ex. 5G Smart och som sammanfattas i föreliggande genomförbarhetsstudie

3. Utreda möjligheterna att hitta kompletterande lösningar till de planerade lokala tillstånden i 3,72-3,8 GHz. Som konstaterats i projektet finns det behov inom området industriell radiostyrning som kan vara svåra att tillfredsställa inom föreslagna ramverk. Det vore därför lämpligt att utreda om det finns möjligheter att frigöra kompletterande frekvensutrymme för lokala licenser i något harmoniserat FDD band.

För Åkerströms och andra 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. Man bör söka kontakt med större Europeiska forskningsprojekt och utnyttja resultat och/eller insikter om 5G för industrin, maskinsäkerhet och tidskritisk kommunikation. Man bör utgå från industriella lösningar, modem och chipsets som använder frekvensbandet 3,72-3,80 GHz. Samtidigt bör man ha beredskap för att anpassa sig till alternativa lösningar innefattande:

- Andra frekvensband för industriella tillämpningar

- Vilka typer av aktörer som kan tilldelas lokala tillstånd (mobiloperatörer, industriföretag, tredje-parts-aktörer)

Givet ovanstående gör vi i projektgruppen bedömningen att det i nuläget saknas tillräckliga underlag för att definiera ett större projekt för att utveckla och testa 5G baserad system för industriell radiostyrning. Under projektets gång har vi dock identifierat ett antal osäkerheter, problem och utmaningar. För att definiera ett utvecklingsprojekt bör först följande områden och utmaningar utredas:

 Definiera funktion och testfall för typiska användningsfall, exempelvis 1 - 2 fall för Åkerströms och 1-2 fall för industriell användare som Boliden.

 Tidsplaner för tillgång på chipset och radiomodem

 Tidsplan och möjliga osäkerheter för tillgång till lokala spektrumtillstånd

 Utreda möjligheter med att använda enbart olicensierat spektrum för ett icke-publikt nät

 I dialog med mobiloperatörer och tredjeparts aktörer utreda alternativa möjligheter att erbjuda icke-publika nät som uppfyller industrins krav på: prestanda och säkerhet, kontroll på egna data och system, kontroll på egna investeringar samt möjliga risker för inlåsning

10 Referenser

10.1 Forskningspapper till tidskrifter och konferenser [1] Ferrer Coll, J., “Channel Characterization and Wireless Communication Performance in Industrial Environments” Doctoral Thesis KTH 2014

Spectrum allocation and spectrum access options

[2] Ahmed, A. A. W., Markendahl, J., & Ghanbari, A. (2013, September). Evaluation of spectrum access options for indoor mobile network deployment. In 2013 IEEE 24th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC Workshops) (pp. 138-142). IEEE. [3] Kliks, A., Holland, O., Basaure, A., & Matinmikko, M. (2015). Spectrum and license flexibility for 5G networks. IEEE Communications Magazine, 53(7), 42-49. [4] Yrjölä, S., & Kokkinen, H. (2017). Licensed Shared Access evolution enables early access to 5G spectrum and novel use cases. EAI Endorsed Trans. Wireless Spectrum, 3(12), e1. [5] Matinmikko, M., Latva-aho, M., Ahokangas, P., & Seppänen, V. (2018). On regulations for 5G: Micro licensing for locally operated networks. Telecommunications Policy, 42(8), 622-635. [6] Matinmikko-Blue, M., Yrjölä, S., Ahokangas, P., Seppänen, V., Hämmäinen, H., & Jurva, R. (2019). Value of the spectrum for local mobile communication networks: Insights into awarding and pricing the 5G spectrum bands. [7] Matinmikko-Blue, M., Yrjölä, S., Seppänen, V., Ahokangas, P., Hämmäinen, H., & Latva-Aho, M. (2019). Analysis of spectrum valuation elements for local 5G networks: Case study of 3.5-GHz band. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 5(3), 741-753.

Dynamic spectrum sharing

[8] Bhattarai, S., Park, J. M. J., Gao, B., Bian, K., & Lehr, W. (2016). An overview of dynamic spectrum sharing: Ongoing initiatives, challenges, and a roadmap for future research. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, 2(2), 110-128. [9] Gupta, A. K., Andrews, J. G., & Heath, R. W. (2016). On the feasibility of sharing spectrum licenses in mmWave cellular systems. IEEE Transactions on Communications, 64(9), 3981-3995. [10] Ojanen, P., Yrjölä, S., & Matinmikko-Blue, M. (2020, March). Assessing the Feasibility of the Spectrum Sharing Concepts for Private Industrial Networks Operating above 5 GHz. In 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP) (pp. 1-5). IEEE. [11] Vuojala, H., Mustonen, M., Chen, X., Kujanpää, K., Ruuska, P., Höyhtyä, M., ... & Nyström, A. G. (2020). Spectrum access options for vertical network service providers in 5G. Telecommunications Policy, 44(4), 101903.

5G unlicensed

[12] Bajracharya, R., Shrestha, R., & Jung, H. (2020). Future is unlicensed: Private 5G unlicensed network for connecting industries of future. Sensors, 20(10), 2774. [13] Hirzallah, M., Krunz, M., Kecicioglu, B., & Hamzeh, B. (2020). 5g new radio unlicensed: Challenges and evaluation. IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking. [14] Saxena, N., Roy, A., Maheswari, M. K., Rastogi, E., & Shin, D. R. (2021). DRX in New Radio Unlicensed: A Step Beyond 5G Wireless. IEEE Communications Magazine, 59(1), 82-88.

[15] C. Rosa, M. Kuusela, F. Frederiksen and K. I. Pedersen, "Standalone LTE in Unlicensed Spectrum: Radio Challenges, Solutions, and Performance of MulteFire," in IEEE Communications Magazine, vol. 56, no. 10, pp. 170-177, October 2018 [16] Mekuria, F.M.; Mfupe, L.M. Spectrum Sharing for Unlicensed 5G Networks. In Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference, WCNC, Marrakesh, Morocco, 15– 18 April 2019.

Private 5G networks

[17] Rostami, A. (2019, September). Private 5G networks for vertical industries: Deployment and operation models. In 2019 IEEE 2nd 5G World Forum (5GWF) (pp. 433-439). IEEE. [18] Brown, G. A. B. R. I. E. L., & PRINCIPAL, A. (2019). Private 5G Mobile Networks for Industrial IoT. Heavy Reading, White Paper, Qualcomm Inc. [19] Siriwardhana, Y., Porambage, P., Ylianttila, M., & Liyanage, M. (2020). Performance Analysis of Local 5G Operator Architectures for Industrial Internet. IEEE Internet of Things Journal, 7(12), 11559-11575.

Micro operators

[20] Matinmikko, M., Roivainen, A., Latva-aho, M., & Hiltunen, K. (2017, September). Interference study of micro licensing for 5G micro operator small cell deployments. In International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks (pp. 264-275). Springer, Cham. [21] Matinmikko, M., Latva-Aho, M., Ahokangas, P., Yrjölä, S., & Koivumäki, T. (2017). Micro operators to boost local service delivery in 5G. Wireless Personal Communications, 95(1) [22] Matinmikko-Blue, M., & Latva-aho, M. (2017, December). Micro operators accelerating 5G deployment. In 2017 IEEE International Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS) (pp. 1-5). IEEE. [23] Siriwardhana, Y., Porambage, P., Liyanage, M., Walia, J. S., Matinmikko-Blue, M., & Ylianttila, M. (2019, April). Micro-operator driven local 5G network architecture for industrial internet. In 2019 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) (pp. 1-8). IEEE [24] Badmus, I., Matinmikko-Blue, M., Walia, J. S., & Taleb, T. (2019, June). Network slice instantiation for 5G micro-operator deployment scenarios. In 2019 European Conference on Networks and Communications (EuCNC) (pp. 133-138). IEEE. [25] Jurva, R., Matinmikko-Blue, M., Niemelä, V., & Hänninen, T. (2020). Smart Campus 5G and IoT network preparations for operational mode: Specification to deploy data and network management. [26] Yasmin, R., Pouttu, A., Mikhaylov, K., Niemelä, V., Arif, M., & Liinamaa, O. (2020, May). NB- IoT Micro-Operator for Smart Campus: Performance and Lessons Learned in 5GTN. In 2020 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) (pp. 1-6). IEEE. [27] Natarajan, S., Khandelwal, T., & Mittal, M. (2020, April). MEC Enabled Cell Selection for Micro- Operators Based 5G Open Network Deployment. In 2020 IEEE Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW) (pp. 1-5). IEEE. [28] Jurva, R., Matinmikko-Blue, M., Niemelä, V., & Nenonen, S. (2020). Architecture and Operational Model for Smart Campus Digital Infrastructure. Wireless Personal Communications, 1-18. [29] Siriwardhana, Y., Porambage, P., Ylianttila, M., & Liyanage, M. (2020). Performance Analysis of Local 5G Operator Architectures for Industrial Internet. IEEE Internet of Things Journal, 7(12), 11559-11575.

10.2 Rapporter från forskningsprojekt, white papers

5G ACIA project reports (white papers) [30] 5G ACIA white paper, Key 5G Use Cases and Requirements: From the Viewpoint of Operational Technology Providers, Maj 2020 [31] 5G ACIA white paper 5G for Automation in Industry: Primary use cases, functions and service requirements, Juli 2019 [32] 5G ACIA white paper, 5G Non-Public Networks for Industrial Scenarios, juli 2019

5G Smart project reports [33] Leverabel D1.1, Forward looking smart manufacturing use cases, requirements and KPI’s, Juni 2020 [34] Leverabel D1.4, Radio network deployment options for smart manufacturing, November 2020 [35] Leverabel D5.2, First report on 5g network architecture options and assessments, November 2020 [36] Leverabel D4.2, Report on 5g radio deployability in the factory, January 2021 [37] Leverabel D5.1, First report on new technological features to be supported by 5G standardization and their implementation impact, Maj 2020

Andra “white papers” [38] Vision of the 5g Core: Flexibility for new business opportunities, Ericsson technology rev. #2, 2016 [39] Ericsson White Paper, “ 5G spectrum for local industrial networks”GFTL ER 20:003151, June 2020 [40] Hema Kadia (TeckNexus), Private 5g networks and testing, White paper prepared for Anritsu, December 2020 [41] White paper by NGMN alliance, 5G E2E Technology to Support Verticals URLLC Requirements, Februari 2020 [42] Ericsson White Paper, “Cellular IoT in the 5G era”, GFMC-20:000025 Uen, February 2020 [43] Ericsson Technology Review, 5G-TSN Integration For Industrial Automation, #07, 2019

10.3 Dokument om standarder och telekomreglering

Spektrumtillstånd [44] PTS bemötande av konsultationssvar, Dnr: 18-8496, Juni 2019 [45] PTS, Bilaga A – Tillståndsvillkor för 3400–3720 MHz, Allmän inbjudan till ansökan om tillstånd att använda radiosändare i 3,5 GHz– och 2,3 GHz-banden, dnr 18-8496 [46] Bundesnetzagentur, “Spectrum diagram in the areas 700 MHz to 3.8 GHz”, January 2020. [47] Bundesnetzagentur, Werwaltungsvorschrift für Frequenzzuteilungen für lokale requenznutzungen im Frequenzbereich 3.700-3.800 MHz, November 2019 [48] ECC Report 296, National synchronization regulatory framework options in 3400-3800 MHz: a toolbox for coexistence of MFCNs in synchronised, unsynchronised and semi-synchronised operation in 3400-3800 MHz, Mars 2019

3GPP [49] International Electrotechnical Commission, IEC 61907. “Communication network dependability engineering” [50] 3GPP Technical Specification 22.104. “Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains” [51] 3GPP RP-142286: 3GPP TSG CT Meeting. Release 13.Technical May 2015. [52] 3GPP TR 36.889: Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum; (Release 13). Technical Report. 2017. [53] 3GPP 3GPP TR 38.805, Study on New Radio Access Technology; 60 GHz Unlicensed Spectrum (Release 14); V14.0.0. Technical Report. March 2017. [54] 3GPP TR22.804, Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on Communication for Automation in Vertical Domains (Release 16). July 2020. [55] 3GPP technical specification TS 23.501, “System architecture for the 5G System (5GS)”, Release 16, August, 2020 [56] 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network; Study on support of reduced capability NR devices (Release 17), V1.1.0, March 2021

Andra standards [57] International Electrotechnical Commission, IEC 61907. “Communication network dependability engineering” [58] ISO 12100:2010. “Safety of machinery - General principles for design – Riskassessment and risk reduction” [59] ISO 13849-1:2015. “Safety of machinery – Safety related parts of control systems – Part 1: General principles for design“ [60] IEC 65C/987/CD. “Time-sensitive networking profile for industrial automation”, Committee Draft (CD), Sep 2019

Appendix 1. Workshops och seminarier

Titel Dag och Områden med bidrag för projektet organisatör Fierce Wireless Webinar 20201105 Open network architecture, 4G-> 5G Lessons from 6GSymposium Interdigital Spectrum, spectrum sharing and mmWave Deploying 5G NR mmWave to 20201110 Global mmWave spectrum allocation unleash the full 5G potential Qualcomm 5G mmWave performance field tests mmWave indoors, private networks, IIoT mmWave: New use cases and 20201120 Examples of 5G NR network deployment insights from real world Signals Carrier aggregation, 800 MHz bandwidth deployments research grp. 5G Inside: 202019 5G tests at arenas, railway stations, offices Things to know about 5G RCR wireless Indoor multi-operator solutions, radio dot indoor network design Qualcomm Estimated costs for WiFi, 3G/4G, 5G Ericsson, ED2 How to Monetize 5G 20201125 5G as a delivery channel for service Experience? Telecom companies, Network embedded services intelligence, Integration between the business and IT Openet systems and the 5G network Saving Space on the Tower: 20201209 Increasing coverage and capacity the MIMO/5G challenge Telecom Antenna and MIMO solutions intelligence, Comscope Secure the 5G Core 20201209 Security in 5G and risk from DDoS attacks. Secure the 5G World RCR, A10 A10 Networks architecture & partnership Hardenstance with Ericsson, Ericsson’s Dual Mode 5G Ericsson Core with integrated Packet Core Firewall. Wi-Fi, public 5G or private 20201210 Latency of private/public 5G and WiFi 5/6 network: What's an enterprise Athonet, Private 5g/LTE connectivity platform to do? Nokia, 5G use cases, 5G-as-a service Telit Private LTE & Private 5G Enabled Products Smart Manufacturing and OEE 20210113 OEE (Overall Equipment Effectiveness) - Transform your performance RWR wireless No downtime, No quality or speed losses Rockwell Productive time, cycle times, waste/scrap Automation 5G Applications and use cases: 20210120 LTE and 5G releases What enterprises can do to Telit 5G spectrum bands prepare for a 5G future 5G TSN deployment model & 20210129 ”Time sensative networking (TSN)”, time synchronization aspects 5G Smart Hantering av trafik och prioritering, projektet Tidsynkronisering över 5G 5G Transformation Forum 20210223 ”The roadmap to standalone 5G networks” RCRWireless “Open RAN and the mobile ecosystem”, “5G network slicing” 5G Next Wave Digital 20210309 5G Next wave technology Symposium Qualcomm Standalone 5G and 5G Core Swisscom,Cisco Non-standalone vs standalone 5G NPN Beyond eMBB: 20210310 5G for enterprise digital RCRWireless transformation". Huawei

Appendix 2. Exempel på krav från 5G ACIA och 5GSmart

Inom 5G ACIA och 5G Smart har man tagit fram ett stort antal användningsfall samt tekniska krav för olika egenskaper. I detta appendix ges några exempel på detta kopplat till beskrivning av krav i kapitel 5.

Användningsfall 5G ACIA papperet [30] innehåller kortfattat beskrivna användningsfall, se exempel nedan. Dessa är indelade i tre olika grupper vad avser real-tidskrav (Cycle time & Latency): - Inga realtidskrav (Non-RT): Flera sekunder - Vissa realtidskrav (Soft-RT): Ca en sekund - Höga realtidskrav (Hard-RT): milli- eller mikrosekunder

Fig A2.1 Användningsfall från 5G ACIA

Inom projektet 5G Smart beskrivs ett antal användningsfall som undersökts i projektet [33]. Dessa fall innefattar flera tillämpningsområden relevanta för ”smart factories of the future”. Användningsfallen har klassificerats enligt 3GPP TR22.804 [54], som exempel visas tre av användningsfallen från 5G Smart i tabellen nedan.

Fig A2.2 Tre exempel på användningsfall och klassificering från 5G Smart

Funktionsmässiga och tekniska krav Inom 5G smart har man angett en uppsättning prestandakrav för olika användningsfall. Några av prestandakraven för UC1-UC3 ovan är belysande för vad man eftersträvar: - tillgänglighet för kommunikationstjänsten; >99,99% - end-to-end latency”; < [5 – 50] ms - datatakt, medelvärde; upplänk och nedlänk i intervallet < [0,5 -2] Mbps.

Inom 5G ACIA har man angett ett antal funktionskrav för ett antal områden [30]: - Pålitlighet och tillgänglighet (Reliability and availability) o Survival time and consecutive packet loss o Återställande och applikationstillgänglighet (Recovery and application availability) - Säkerhet (Security) - Transmissions tid och svarstid (time (latency)) - Diagnostisk (Diagnostics) - Nätverks separation (Network isolation)

Vidare anger man ett antal övriga krav och egenskaper inom områdena ”Machine safety”, ”Time synchronization” samt ”Integration with existing industrial communication networks”. Det är värt att notera vad industrigruppen bakom 5G ACIA säger om kraven och dess implikationer. Dels är det intressant om man tittar på vilka företag som ingår i 5G ACIA (The 5G Alliance for Connected Industries and Automation). De säger själva att medlemsgruppen avspeglar hela ekosystemet och all relevanta intressegrupper. Här ingår både telekomföretag (t.ex. Ericsson, Huawei, Nokia, NTT DoCoMo, Qualcomm, Verizon) och stora industriföretag (t.ex. ABB, Bosch, Mitsubishi, Siemens). Vidare är det intressant att se hur man kommenterar olika typer av krav. Nedan ges några exempel på detta citerade ur [30], från avsnitt om “Network isolation: “…it is important to ensure the 5G network can be completely controlled and managed by the industrial user, independent of other networks that may interfere with the network employed for automation”. “Non-public 5G networks of this type are a necessity for deploying 5G in factories with control applications” ”Furthermore, a dedicated spectrum, e.g. a licensed spectrum, is a great advantage for network isolation from potential sources of interference in order to guarantee high QoS, reliability and determinism for control applications.”

I avsnitt om maskinsäkerhet står bl.a. följande: “Safety is essential for any machine and is governed by legislation in many countries. The factory operator is responsible for machine safety, and any OT15 company simply assumes it is provided.” “ In future applications, communication between safety components and the machine control system may be implemented by means of 5G. Machine safety is therefore an important cont.ex.t for 5G communication”

Sammanfattningsvis kan man säga att det verkar råda samsyn, mellan aktörerna bakom 5GACIA och vår projektgrupp när det gäller vilka typer av krav och begräsningar som är styrande.

15 Operational technology