在当前农业和水产养殖业的食品生产格局中，数字技术已成为一股变革力量，利用尖端技术来提高生产力、可持续性和决策过程。数字农业涉及数据驱动技术的集成，例如传感器、精准农业工具和数据分析，以优化农业实践的各个方面。向数字化精准农业的转变允许有针对性地施用肥料、农药和水，减少对环境的影响，同时最大限度地提高生产力和食品质量。简而言之，我们的愿景是用更少的资源和碳足迹生产出更多高质量的食物，保护自然和生物多样性，同时促进全球可持续和有弹性的农业部门。随着数字农业不断发展以支持这一愿景，对强大而先进的通信网络的需求变得至关重要。通信网络是数字农业的支柱，促进了传感器、执行器、机械和农场管理系统之间的数据交换。这些网络可实现实时监控、自动化和数据驱动的决策，这对于优化农业运营至关重要。展望未来，数字农业对通信网络的需求预计将呈指数级增长。农业行业将需要更可靠、高速和低延迟的连接，超越当前5G网络的能力。未来的6G网络不仅应增强数据传输能力，还应支持未来农业和水产养殖业中人工智能、机器学习和先进服务的整合。最重要的，是如何采取前瞻性的方法，弄清楚数字农业不断变化的需求将如何影响未来6G网络的需求。
根据搜集到的相关信息，我们总结为如下六个部分：
第一部分：精准农业和水产养殖
这个部分的范围是户外和温室农业、粗放和集约化畜牧业、近海和远洋水产养殖。现代农业和水产养殖的驱动力在于实现整体可持续发展。数字技术和数据驱动实践确实是将传统农业转变为在生产力、食品质量和资源利用方面高度优化的先进产业的工具。因此，农业正在成为一个数据密集型行业，这并不奇怪。需要客观和准确的数据来了解农作物和牲畜/鱼类的状况和需求，以便做出明智的决策，从而实现所需的优化。数据需求大致可分为三类：
农作物监测：主要目的是获取与农作物生长、健康和压力相关的数据。害虫和疾病数据（检测和跟踪）也备受关注，因为它们对农作物的健康和生长以及生产力都有影响。趋势是尽可能单独监测农作物。
牲畜和鱼类监测。以下参数和方面令人感兴趣：
1. 生长：动物的大小和重量
2. 健康状况：早期发现寄生虫和疾病不仅对于优化生产力至关重要，而且对于减少抗生素的使用和避免疾病传播给人类也至关重要
3. 行为：进食、休息、睡觉、散步等活动的特征，例如可以提供疾病的早期线索
4. 幸福感：测量压力程度、“社交”互动、自由（例如在开放空间中度过的时间）
5. 趋势：是尽可能单独监测动物。
环境监测
一方面，农作物和动物周围的环境对其生长、健康和福祉有直接影响。需要测量的参数包括空气温度、空气湿度、土壤和水条件（pH、营养水平、温度等）、风、光、二氧化碳浓度、空间余量等。
另一方面，农业活动对土地和环境产生影响，应尽量减少这种影响。显然，第一步就是客观测量这种影响。感兴趣的变量包括水和土壤污染、温室气体排放……但也包括对生物多样性的影响、碳封存或侵蚀控制指标。推广有机农业和有益于环境的农业实践的趋势增加了对此类数据的需求。
所需的各种数据必须通过不同的设备/技术来获取，例如：
§ 地球观测 (EO，Earth Observation) 系统，主要是卫星图像，但也包括使用激光雷达和高光谱成像传感器的无人机拍摄的图像。
§ 图像传感器，如牲畜监控摄像机、用于监控农作物的田间摄像机或水产养殖设施中的水下摄像机。
§ 植物安装的传感器，可提供有关农作物生长和健康状况的个性化信息。
§ 动物可穿戴传感器：用于牲畜的智能项圈、健康监测标签、GPS 追踪器等
§ 拖拉机、收割机和喂食器等机械，例如获取地理定位的产量数据或农药和化肥的可变施用率，
§ 土壤传感器和水传感器，测量营养物浓度、湿度水平、温度和水质等变量。
§ 环境传感器和气象站捕获有关天气状况的数据，
不同传感系统产生的数据被输入到农场管理系统 (FMS) 中，该系统具有先进的数据分析和人工智能系统，可提供建议，从而决定要提供的食物/肥料的数量、灌溉、植物检疫处理等。FMS的下一步是使用数字孪生。简而言之，数字孪生是物理对象或系统的虚拟、详细和不断更新的表示，并结合了先进的分析、模拟和预测功能。农场是高度复杂的系统。因此，数字农场孪生必须包含各种元素的虚拟表示：动物/作物、土壤、机械（拖拉机、收割机等）、执行器（灌溉系统、喂养系统等）等。物理元素和数字孪生必须与它们的虚拟表示实时同步。在农场和水产养殖设施中，播种、喂料、除草、收割等工作越来越趋向于自动化。这需要新一代智能执行器（例如灌溉系统、先进的喂料机）和智能机器。特别是能够补充甚至完全取代人类劳动的自主/合作机器，执行诸如分析作物、土壤、水、创建灌溉/施肥地图、喷洒植物检疫处理等任务。新一代机器包括自主拖拉机和自主无人机：空中车辆（UAV）+地面车辆（UGV）+水上车辆（USV）。高度专业化的机器人目前正在开发中，用于执行诸如杂草检测/清除、作物收获和管理等复杂任务，甚至用于浆果、葡萄等“脆弱”作物。
UAV可以参考文章：2022宏文（12）R17--Building Blocks for UAV Applications。数字孪生参考：面向6G的数字孪生技术。
§ 水培法（Hydroponics）：在水中直接种植植物，并加入适当的营养物质
§ 气培法（Aeroponics）：种植植物时无需土壤，也不浸泡在水中
还有一种混合但尚未开发的技术，称为“混培法”（aquaponics），可同时种植植物和鱼类。
据报道，如今的室内农场在种植西红柿、辣椒、甜瓜和甜玉米等蔬菜方面取得了优异的成果。作为所有优势的主要对应物，CEF的资本支出较高，生产成本也较高（主要是由于照明系统的能源消耗）。因此，它仍然面向高附加值农产品，并且严重依赖规模经济。商业模式可持续性面临的挑战之一是大幅降低能源成本。无论如何，即使CEF仍是一个新兴行业，但它在欧洲也正在迅速发展。成功实现CEF的关键是对所有生长和健康参数进行精细监测和控制：营养物质、氧气、二氧化碳、光照、湿度、温度、水质、害虫等。照明的智能使用（例如，根据某些模式在一天中改变其波长）已被证明对室内蔬菜的生长特别重要，因此该主题正在得到广泛研究。因此，室内农业需要大量使用智能传感器和执行器，以及农场管理系统的精确农学模型和先进的AI/分析平台。鉴于可以不断改进模型和种植策略，人工智能和机器学习的使用为未来室内农业提供了巨大的改进空间。显然，在CEF的背景下，数字孪生的重要性甚至高于传统农业。室内农场的可持续运营也将需要极高程度的工作自动化。下面总结列举了6G网络相关的受控环境农业挑战：
1. 合法保护至少30%的欧盟陆地面积和30%的欧盟海域
2. 严格保护至少三分之一的欧盟保护区
3. 有效管理所有保护区，包括采取适当的监测措施
4. 扭转传粉昆虫数量的下降
5. 减少50%的化学农药使用量
6. 使至少10%的农业区拥有高多样性景观特征
7. 至少25%的农业用地采用有机耕作，并显著增加农业生态实践的采用率。
8. 减少至少20%的化肥使用量，减少50%的化肥使用造成的营养物质损失
9. 消除欧盟城市绿地等敏感区域化学农药的使用
这些目标的结果是需要不同的测量和监测能力，这些能力是可扩展、可靠和实用的。总之，需要监测的方面可以分为：
§ 生物多样性监测是指测量生物的数量、种类和变异性：动物和植物物种、真菌、微生物。
§ 环境监测还包括监视以发现对环境有害的非法活动，例如在需要特别保护的区域（如海洋保护区）使用远程摄像机。它包括但不限于测量：
1. 土壤健康：营养物、pH 值、有机物含量、微生物活动等
2. 水质：营养物、pH 值、细菌浓度等。这在水产养殖设施周边地区以及农场中尤为重要。
3. 化学农药和化肥的存在和浓度
4. 空气、水和土壤中其他污染物的存在和浓度
5. 害虫和疾病的存在和追踪
第四部分：可持续性：能源消耗、碳/污染
§ 通信网络的能源成本，随着连接设备的数量和网络流量的增加而增加。
§ 由于物联网设备的生命周期而产生的污染，产生的电子垃圾可能最终破坏自然环境。如果我们考虑到大规模传感的趋势，这一点尤其令人担忧。
§ 训练对捕获的数据进行推理所需的人工智能模型需要高昂的能源成本。
目前尚不存在用于量化物联网和数字解决方案在农业中的影响和全部足迹的基准框架。而这在有机农业领域尤为重要，因为有机农业的定义必须是一种仅依赖天然物质和过程的环保食品生产系统。可以说，在生产过程中大量使用电子元件可能会损害有机认证。而用于电子设备和电路的可生物降解化合物已经在研究进行中。技术正在取得进步，尽管它还远未成为一项成熟的技术，无法在短期内实现大规模生产。下面列举总结了6G网络可持续性方面的挑战：
第五部分：6G智能网络和服务的机会
当前5G在农业中的应用仍处于早期阶段，该技术仍作为概念验证进行部署。因此，现在全面了解5G在农业领域的优势和局限性还为时过早。然而，考虑到5G的固有局限性，以及在用例/试点中发现的初步证据，我们试图设想6G应该在哪些方面发挥作用，以应对不同的挑战。
§ 全球覆盖：6G可能会将卫星通信更广泛地集成到地面网络中。这可以将覆盖范围扩大到偏远和服务不足的地区，包括农村地区和海洋环境，而传统地面网络在这些地区不太经济可行。此外，基于Open RAN和综合接入和回程 (IAB) 的新型分布式、更经济的架构可能会将地面覆盖范围扩大到欠发达地区。这对于在农业领域更广泛地采用先进服务至关重要，而无需在农村地区大规模部署基站。这种数字包容性可以赋予小规模农民权力，并有助于弥合城乡数字鸿沟。
§ 无缝频谱接入：6G网络的全球覆盖意味着使用非常不同的频谱带，包括传统的6GHz以下频段、新的mmWave频段、未来的THz频率和光学接入。虽然必须优化频谱接入以保证高频谱效率，但数字农业的设备和终端应该平衡对多个频段的访问、能源效率和低成本。
§ 吞吐量：无人机和自动驾驶汽车（无人驾驶卡车和拖拉机）的使用需要上行链路（例如，使用高清和多光谱摄像机）和可持续下行链路（例如，用于接收高精度GNSS接收器的NTRIP校正）上的大量传输带宽。对于此类应用，人们普遍认为5G网络上行链路频谱效率需要进一步改进。此外，网络的整体容量，尤其是对于延迟关键型应用（例如设备的远程操作），需要进一步考虑。高上行链路带宽还将有助于更快地从机载成像器传输高分辨率图像，以便在实时应用中进行离线处理。
§ 超大规模机器类型通信 (MTC)：监控越来越精细（直至单个作物/动物级别）的趋势导致了超密集网络，这将需要新的技术方法以可持续的方式提供具有高可扩展性的通信服务。这就需要为大量设备提供连接，避免信道访问冲突和干扰。
§ 边缘计算：边缘计算是5G功能之一，可用于支持实时数据处理、更快的决策、优化的资源管理以及现代农业实践所需的可扩展性。然而，仍有工作要做，以确保这些服务具有正确的安全性和冗余级别，特别是在服务需要多个运营商支持的情况下。
§ 人工智能即服务：电信运营商提供的人工智能即服务 (AIaaS) 可通过提供人工智能功能和资源（通常超出个体农民和组织的能力范围）对农业产生重大积极影响。尽管5G网络已迈出了人工智能的第一步，但6G网络有望提供原生人工智能解决方案，同时考虑到可靠的人工智能框架、安全和隐私方面可信赖的人工智能、节能人工智能等诸多方面。此外，只有6G网络才能支持数字孪生在农场的适用性，因为5G网络无法再充分支持要交换的数据量、响应时间和人工智能的原生集成。还有，可以应用人工智能/机器学习机制来优化网络，例如基于人工智能的端到端网络配置。
§ 安全性：农业和水产养殖环境通常是孤立的区域，监控水平低或为零，部署在这些区域的设备可能非常简单，安全保护水平低。网络安全领域应取得重大进展，不仅要通过诸如强健加密和加强物理层安全性等技术保护通信，还要保护物理基础设施。
§ 与数据空间的集成：6G网络与数据空间的集成可以创建新的用例和应用程序，这些用例和应用程序需要数据共享以及高速、低延迟和可靠的连接。因此，可以针对这些方面设计新的用例。数据空间基础设施与6G网络相结合，可以通过使用来自高吞吐量设备（如摄像机或传感器）的实时信息来实现天气共享、害虫控制警报或提高可追溯性的快速反应渠道，这些设备可以提供有关动物、农作物或其他资产状况的高质量信息。
§ 能源消耗：6G网络的主要目标之一是尽量减少网络基础设施的能源消耗，旨在减少无线通信对环境的影响。这有望通过一系列先进的解决方案来实现，例如先进的天线技术、改进的频谱效率、动态频谱共享、能量收集、节能协议以及在网络运行中广泛使用AI和ML。此外，预计短距离通信将取得新成就，这将降低物联网设备的能源需求，使它们能够通过能量收集长时间甚至无限期地运行。
§ 联合通信和传感：通信、传感、精确定位和先进数据处理技术的结合对农业服务具有巨大的价值，为提高农业部门的效率、生产力和可持续性提供创新解决方案（例如，农作物/牲畜监测和管理）。
§ 那些专注于机器人或自动驾驶汽车的项目因网络服务性能不佳而受到的影响最大。一般来说，自动驾驶汽车/机器人应该在根据分析数据做出决策后收集数据并执行操作，这通常发生在边缘。例如，根据从精准农业或偏远地区的无人机实践中得出的初步观点，6G技术的集成可以显著增强实时决策能力，有可能实现真正的自主运营。
§ 一些项目在连接方面面临严重限制。例如，在一些项目中，LoRa网关对田地的拓扑结构很敏感，因此需要手动检索各个传感器上记录的数据。由于田地中有多个传感器，这变得很繁琐。此外，大量数据丢失，因为如果没有及时检索，数据就会被下一个数据包覆盖。历史数据的丢失非常严重，因为它阻碍了查看农田内趋势的能力。因此，需要改进连接技术来克服这种限制。
§ 在室内农场：没有关于理想连接解决方案的清晰想法。云端部署农场能源资产的分布式自动化系统，观察各种无线连接（如 LTE、Wifi 或 5G）的连接性能。
§ 当代农业和偏远地区面临无线网络覆盖不足的问题。
在没有任何蜂窝连接的地区，找到这种情况并不罕见。非地面网络是当今唯一的选择，但这种替代方案还远未完全部署甚至可用。
§ 很少有数字农业创新项目已经在考虑/使用先进的5G网络来实施和测试其用例。因此，这些网络对农业和水产养殖的实际性能/效益尚未得到系统评估。
展望未来，从本文所总结的信息来看，需要采用更系统的方法来识别与先进通信网络相关的农业项目中的用例和需求，并主动发现该领域的机遇。让农林价值链的最终用户和ICT专家共同从不同角度讨论最终用户的“痛点”和（连接）“收益”。在这方面，需要研究和开展更多更广泛的农业领域创新项目，以更好地了解这些项目中发现的真正痛点、挑战和需求，以更广泛地了解挑战及其影响，并优先考虑未来的6G发展。另一方面，重要的是要清楚地了解连接技术在农业行业的使用情况及其缺点，特别是衡量当前5G网络在该行业的渗透率。
坐而论道，好好读书！
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