蜂窩物聯(lián)網(wǎng)頻率使用與干擾分析

孫震強　朱雪田　張光輝　趙冬

為了分析蜂窩物聯(lián)網(wǎng)頻率的使用及干擾問題，首先對LPWA應(yīng)用的多種技術(shù)體制進行了對比，重點討論了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT技術(shù)應(yīng)用涉及的干擾問題，同時結(jié)合國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)頻譜規(guī)劃及使用情況，分析了我國廣域物聯(lián)網(wǎng)的可用頻譜資源形勢，最后對后續(xù)的頻譜規(guī)劃及管理提出了建議。

LPWA NB-IoT 干擾協(xié)調(diào) 頻譜規(guī)劃

1 引言

移動通信的發(fā)展已逐漸由人人連接擴展到人物、物物連接，物聯(lián)網(wǎng)已滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、社會服務(wù)等各個行業(yè)應(yīng)用中，并上升為服務(wù)國家建設(shè)的戰(zhàn)略層面。從全球范圍內(nèi)來看，各大主要經(jīng)濟體，包括美國、歐盟、日韓、中國均從國家戰(zhàn)略層面推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。我國在《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”規(guī)劃》中強調(diào)，智能工業(yè)、智能安防、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能醫(yī)療和智能家居九大應(yīng)用將得到重點發(fā)展，并建立重點應(yīng)用示范工程，以帶動規(guī)模化發(fā)展，“十三五”期間要促進大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用。據(jù)IDC預(yù)測，到2020年全球?qū)⒂?50億個物聯(lián)網(wǎng)裝置入網(wǎng)，上述幾大垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場存在著巨大的價值挖掘空間，基于蜂窩的移動通信網(wǎng)絡(luò)具有無處不在的覆蓋優(yōu)勢，在物聯(lián)市場蘊含著移動通信運營商可拓展的巨大藍海。

區(qū)別于傳統(tǒng)的短距離微功率物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為了滿足無處不在的物聯(lián)網(wǎng)智能化應(yīng)用， LPWA（Low Power and Large Area，低功耗、廣覆蓋）作為典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景之一，廣域物聯(lián)的應(yīng)用需求催生了LoRa、Sigfox、NB-IoT、eMTC等多種可提供廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，隨著廣域物聯(lián)規(guī)模產(chǎn)業(yè)的推進、芯片及制造業(yè)技術(shù)能力的提升，相關(guān)產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境快速成熟、設(shè)備成本大幅降低。

技術(shù)應(yīng)用，頻譜先行。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如藍牙、Zigbee等技術(shù)的可用頻譜主要是規(guī)劃給短距離微功率設(shè)備使用的非授權(quán)頻譜。對于LPWA技術(shù)而言，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力與移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)相當，甚至更強，如何規(guī)避LPWA與其他系統(tǒng)的互干擾問題、實現(xiàn)頻譜資源的有效利用，是LPWA物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得以廣泛應(yīng)用需要解決的首要問題。與此同時，為了滿足某些特殊的垂直行業(yè)應(yīng)用需求，是否需要為廣域物聯(lián)業(yè)務(wù)規(guī)劃專網(wǎng)頻率，以及如何對專網(wǎng)頻率進行合理有效地管理，本文將對以上問題進行系統(tǒng)分析。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制及頻率規(guī)劃情況

物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類繁多，從覆蓋及速率兩個維度來看，可將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)大致分為四大類（如圖1所示），即短距高速、短距低速、長距高速和長距低速。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場景主要以信息收集、狀態(tài)跟蹤為主，對速率的要求往往不高，因此以藍牙、Zigbee、Z-Wave等為代表的短距低速技術(shù)以其較為完善的技術(shù)成熟度和低廉的設(shè)備成本價格在當前的物聯(lián)網(wǎng)市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。而基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣域物聯(lián)技術(shù)，受限于2G/3G/4G設(shè)備成本高等諸多因素，在物聯(lián)網(wǎng)市場應(yīng)用有限。

近年來，隨著全球各國逐漸將物聯(lián)網(wǎng)上升到國家戰(zhàn)略高度，在萬物互聯(lián)的業(yè)務(wù)驅(qū)動下，LPWA（低功耗、廣覆蓋）廣域物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展越來越受到重視，催生出一些列新的技術(shù)體制。其中Sigfox、LoRa技術(shù)商用時間相對較早，為滿足廣域物聯(lián)市場發(fā)展初期的垂直行業(yè)應(yīng)用需求，此類技術(shù)在部分國家和地區(qū)（如法國、韓國等）實現(xiàn)了規(guī)模部署。2013年Semtech公司開發(fā)了LoRa技術(shù)，并成立了LoRa聯(lián)盟，截止2016年底LoRa已在全球17個國家商用部署，覆蓋150個城市，會員達400個。Sigfox宣稱目前已經(jīng)在法國、西班牙、荷蘭、英國等24個國家建網(wǎng)。由于LoRa和Sigfox技術(shù)主要是利用免許可頻譜實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的部署和運營，其在網(wǎng)絡(luò)安全性及可靠性方面存在固有缺陷，因此其市場定位主要面向?qū)τ诳煽啃浴踩缘纫蟛幻舾校⒁笱杆賹崿F(xiàn)定制化服務(wù)的企業(yè)級應(yīng)用。與此同時，傳統(tǒng)移動通信設(shè)備商和運營商正在積極加快基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的電信級物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準的制定，快速融入LPWA市場。3GPP在2015年先后啟動了eMTC和NB-IoT的標準制定工作，并快速推進。其中NB-IoT針對LPWA廣覆蓋、低成本、低功耗、大連接特性進行了專門設(shè)計，面向特定的對時延不感的小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)，相對其他LPWA技術(shù)性能優(yōu)勢更為明顯。表1對典型的LPWA技術(shù)特征與網(wǎng)絡(luò)性能進行了對比，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在覆蓋、容量、吞吐量等性能上優(yōu)勢明顯，此外無需新建網(wǎng)絡(luò)，通過對LTE現(xiàn)網(wǎng)升級即可支持，并使用授權(quán)頻段，可為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供電信級業(yè)務(wù)保障。

在頻率規(guī)劃方面，幾種典型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國內(nèi)外的頻率規(guī)劃情況如表2所示，可見針對短距離微功率設(shè)備使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，國內(nèi)外已經(jīng)有專用頻率劃分。而對于Sigfox和LoRa技術(shù)應(yīng)用，目前國內(nèi)的可用頻段主要是1 GHz以上的非授權(quán)頻段，1 GHz以下沒有明確的頻率規(guī)劃。而基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的NB-IoT和eMTC與LTE網(wǎng)絡(luò)緊耦合，可以使用LTE公網(wǎng)頻率，如國內(nèi)現(xiàn)有的800M/900M LTE頻段具有較好的覆蓋性能，可充分滿足物聯(lián)網(wǎng)廣覆蓋、大連接的應(yīng)用需求，同時全球產(chǎn)業(yè)鏈成熟，易形成規(guī)模效應(yīng)。

3 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的干擾問題

面向廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)市場需求，基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LPWA技術(shù)可利用LTE已有的成熟產(chǎn)業(yè)鏈及全球規(guī)模部署優(yōu)勢提供無處不在的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。在運營商及廠商的推動下，基于現(xiàn)有的LTE技術(shù)體制，3GPP在R13階段快速推進NB-IoT和eMTC的標準制定。特別的，為了進一步提升覆蓋、降低設(shè)備成本及功耗，3GPP對NB-IoT技術(shù)進行了特殊設(shè)計，同時為了適配不同運營商自身網(wǎng)絡(luò)及資源特點，提出了LTE帶內(nèi)、LTE保護帶以及獨立載波三種工作模式，如圖2所示：

（1）帶內(nèi)模式：利用LTE載波帶寬內(nèi)的PRB資源塊。

（2）保護帶模式：利用LTE載波保護帶內(nèi)未使用的資源塊。

（3）獨立模式：利用當前被其他系統(tǒng)使用、可以部分重耕的頻譜，如一個或多個GSM載波，以及可能用于部署IoT的零散頻譜。

在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署時，需要根據(jù)不同的模式選擇考慮潛在的干擾問題。NB-IoT single-tone上行有3.75 kHz和15 kHz兩種子載波間隔配置，而3.75 kHz與LTE 15 kHz子載波不正交，因此對于帶內(nèi)、保護帶工作模式下的NB-IoT，主要考慮NB-IoT single-tone 3.75 kHz與LTE系統(tǒng)間的干擾問題。一般情況下，可通過預(yù)留PRB作為保護帶，或者通過NB-IoT子載波調(diào)度算法來規(guī)避NB-IoT與LTE系統(tǒng)間的干擾。若NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上行同時存在single-tone 3.75 kHz和15 kHz兩種配置，還需考慮3.75 kHz與15 kHz終端間干擾問題。此外，帶內(nèi)、保護帶工作模式下的NB-IoT，其載波配置在LTE系統(tǒng)帶寬內(nèi)，3GPP規(guī)定NB-IoT基本可重用LTE的帶外射頻指標，因此帶內(nèi)、保護帶工作模式下的NB-IoT不會對鄰頻其他系統(tǒng)帶來額外的干擾問題。

對于獨立工作模式下的NB-IoT，系統(tǒng)配置靈活，組網(wǎng)可相對獨立，因此獨立工作模式的NB-IoT需要考慮與鄰頻系統(tǒng)如GSM、UMTS、CDMA和LTE等系統(tǒng)間的干擾問題。3GPP基于干擾共存研究，為獨立工作模式下的NB-IoT制定了一套完整的射頻指標要求，并在R13 TS 36.101、TS 36.104規(guī)范中發(fā)布，其中關(guān)于獨立模式下NB-IoT與其他系統(tǒng)鄰頻條件下的保護帶要求做了評估和限定[1-2]，如表3所示：

4 關(guān)于我國物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)頻率規(guī)劃的考慮

根據(jù)第2章我國物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有頻率規(guī)劃情況可知，目前已有的物聯(lián)網(wǎng)頻率規(guī)劃可分為授權(quán)頻率及免授權(quán)頻率兩種，授權(quán)頻率又可進一步被劃分為專網(wǎng)授權(quán)頻率與公網(wǎng)授權(quán)頻率。對于免授權(quán)頻率（如ISM頻段），采用免執(zhí)照管理，自身業(yè)務(wù)不受干擾保護，且不得對其他設(shè)備造成干擾，必要時還要求配合采用干擾消除技術(shù)（如DFS、LBT等）。由此可見，面向廣域物聯(lián)應(yīng)用的LPWA系統(tǒng)應(yīng)重點考慮使用授權(quán)頻率，采用免授權(quán)頻段很難實現(xiàn)規(guī)模部署和應(yīng)用，不僅無法保證業(yè)務(wù)能力，也很難實現(xiàn)與其他系統(tǒng)或設(shè)備的干擾協(xié)調(diào)。

目前3GPP已經(jīng)針對廣域物聯(lián)應(yīng)用完成了NB-IoT的標準制定，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈快速成熟，2017年即可具備商用部署的條件。移動通信運營商可利用公網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋優(yōu)勢，使用LTE授權(quán)頻譜，通過設(shè)備升級快速實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對廣域物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的支持，并保證業(yè)務(wù)使用的有效性及安全性，大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、規(guī)劃和運維投資成本。此外，針對有特定需求的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，可考慮采用專用授權(quán)頻率的規(guī)劃及管理方式，在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的同時也便于協(xié)調(diào)管理。據(jù)悉，目前國家主管部門正在考慮在1 GHz以下低頻為NB-IoT規(guī)劃專網(wǎng)頻率，由于我國1 GHz以下低頻各種業(yè)務(wù)應(yīng)用非常擁擠，800M/900M也是目前IMT公網(wǎng)廣覆蓋的重要頻段，因此在物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)頻率規(guī)劃時需要兼顧物聯(lián)網(wǎng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的干擾協(xié)調(diào)，規(guī)避潛在的干擾風(fēng)險。

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)市場在未來幾年將呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，同時業(yè)務(wù)應(yīng)用形式及需求也將多種多樣，這必然導(dǎo)致多種技術(shù)體制并存。本文針對LPWA應(yīng)用場景下幾種典型的技術(shù)體制及頻譜形勢進行了對比分析，基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（如NB-IoT）憑借其天然的網(wǎng)絡(luò)及資源優(yōu)勢將在廣域物聯(lián)應(yīng)用市場中扮演重要的角色。與此同時，由于LPWA業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力要求較高，與其他系統(tǒng)的干擾協(xié)調(diào)問題就顯得尤為重要，建議在頻率監(jiān)管層面對物聯(lián)網(wǎng)頻譜，特別是低頻頻譜資源進行合理的頻譜規(guī)劃，采用有效的頻譜管理機制，為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展構(gòu)造良好的環(huán)境。

參考文獻：

[1] TR 36 802. Technical Report for BS and UE Radio Transmission and Reception[S]. 2016.

[2] TR 36 752. Study on NB-IoT RF Requirement for Coexistence with CDMA[S]. 2016.

[3] TS 36 104. Base Station （BS） Radio Transmission and Reception[S]. 2010.

[4] TS 36 101. User Equipment （UE） Radio Transmission and Reception[S]. 2011.

[5] RP-151621. New Work Item： NarrowBand IoT （NB-IoT）， 3GPP RAN#69[R]. 2015.

[6] RP-152284. Revised WID： Core part： Narrowband Internet of Things， 3GPP RAN#70[R]. 2015.

[7] RP-160656. Revised WID： Narrowband IoT （NB-IoT）， 3GPP RAN#71[R]. 2016.

[8] R1-160090. NB-IoT-System capacity comparison of 3.75 and 15 kHz subcarrier spacing for PUSCH[R]. 2015.

[9] 3GPP RAN1. NB-IoT Ad Hoc[R]. 2016.

[10] RP-161187. New SI proposal： Study on NB-IoT RF Requirement for Coexistence with CDMA， 3GPP RAN4#72[R]. 2016.

[11] R4-166994. WF on Simulation Assumptions and Methodology for the Co-existecne Study between CDMA and NB-IoT， 3GPP RAN4#80[R]. 2016. ★