國內(nèi)窄帶物聯(lián)網(wǎng)頻段的頻譜監(jiān)測與分析

楊世超，周 霞，袁冰清

（國家無線電監(jiān)測中心上海監(jiān)測站，上海 201419）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有很多，作為長距離通信技術(shù)的代表，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Narrow Band Internet of Things， NBIoT）于2015年9月應(yīng)運而生。由于更適合靜態(tài)、對時延敏感低、非實時傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)交換速率低等場景，NBIoT廣泛應(yīng)用到智慧城市、農(nóng)業(yè)環(huán)境、物流倉儲等行業(yè)領(lǐng)域，而用戶數(shù)量也呈指數(shù)增長。2017年設(shè)備數(shù)量已超過1.5億，2019年設(shè)備數(shù)量已超過10億。由于無線通信覆蓋的領(lǐng)域之廣、接入設(shè)備器件的海量化，加上應(yīng)用地域和設(shè)備供應(yīng)商甚至通信頻率使用的分散，同一時間、同一區(qū)域內(nèi)各種無線電設(shè)備的使用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性和復(fù)雜性相比電腦互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)時代大大增強，因此，電磁環(huán)境變得異常復(fù)雜，設(shè)備間干擾也經(jīng)常發(fā)生，所以頻譜資源制約物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，愈顯稀缺珍貴。

面對當前無線電頻譜資源稀缺與緊張的現(xiàn)實，通過對NB-IoT頻段中無線電頻譜監(jiān)測與分析，有利于科學(xué)規(guī)劃、合理配置無線電頻譜資源，進一步提高頻譜利用率，突破窄帶物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展在網(wǎng)絡(luò)層無線傳輸中頻譜資源不足的“瓶頸”。

1 NB-IoT介紹

NB-IoT是一種無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是一種低功耗廣覆蓋物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（LPWA），具有超低功耗、海量連接、深度覆蓋、超低成本、低速率、半雙工等特點。由于使用的帶寬只有180 kHz，所以是窄帶。

NB-IoT與LORA相比，在覆蓋范圍、功耗、連接數(shù)量、傳輸速率等方面相當，但是NB-IoT具有部署基站成本低、頻譜不易受干擾、組網(wǎng)方便等優(yōu)點；NB-IoT相比GSM和LTE提高了20 dB，覆蓋面積提升了100倍，同等條件下NB-IoT能提供更深的覆蓋；NB-IoT單小區(qū)180 kHz的帶寬可支持10萬用戶接入，是LTE連接數(shù)的數(shù)千倍。近兩年隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，NB-IoT在IT行業(yè)內(nèi)也被推上了風(fēng)口浪尖，優(yōu)勢越來越明顯。表1是國內(nèi)部分可用NB-IoT頻段主要情況匯總。

表1 國內(nèi)運營商擁有的部分可用的NB-IoT頻段匯總

2 NB-IoT頻段占用度測試與分析

如果把NB-IoT中移動通信系統(tǒng)建設(shè)看成是開發(fā)商“蓋房子”，那頻譜的作用就是“土地”，只有有了地，才能蓋房子。隨著移動通信行業(yè)的飛速發(fā)展以及設(shè)備數(shù)量的增多，日益增長的頻譜需求和有限的頻譜資源之間的矛盾成為制約通信行業(yè)發(fā)展的主要因素之一。因此，首先需要通過測量頻段占用度來分析頻譜資源的使用情況。

2.1 測量地點及時長

為了體現(xiàn)相關(guān)測試頻譜資源的真實使用情況，本文測試地點選取上海市無線電監(jiān)測站辦公點（上海市淮海中路云海大廈附近，密集城區(qū)）；住宅地點（航頭鎮(zhèn)某小區(qū)，郊區(qū)）；某生態(tài)園區(qū)（崇明島，農(nóng)村）三個代表性的地點室外定點監(jiān)測，對各頻段的占用情況將進行7天×24小時的連續(xù)監(jiān)測。

2.2 測量設(shè)備

頻譜占用度測試需要使用的設(shè)備包括天線、頻譜儀、低噪放、濾波器、電腦及其他配件。基本的測試系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

圖1 基本的測試系統(tǒng)連接圖

頻譜占用度測試選用全向天線進行。使用低噪放將有利于小信號的識別，但有可能在鄰近頻段產(chǎn)生虛假信號，而濾波器則是用于濾除使用LNA時產(chǎn)生的虛假信號。此次測試中使用廠家配置的低噪放，沒有接濾波器。通過筆記本上位機軟件控制相應(yīng)的頻譜儀、接收機進行數(shù)據(jù)采集和存儲。

2.3 測試結(jié)果及分析

對部分頻段進行了實際測試，測試結(jié)果如下：

2.3.1 880-915MHz頻段

圖2 880-915 MHz頻率占用度

2.3.2 925-960MHz頻段

圖3 925-960 MHz頻率占用度

2.3.3 1710-1785MHz頻段

圖4 1710-1785 MHz頻率占用度

2.3.4 1805-1880MHz頻段

圖5 1805-1880 MHz頻率占用度

2.3.5 1920-1980MHz頻段

圖6 1920-1980 MHz頻率占用度

2.3.6 2110-2170MHz頻段

圖7 2110-2170 MHz頻率占用度

首先說明的是，可用于NB-IoT的頻段同時也是現(xiàn)有2G/3G/4G頻段。頻率占用度測量結(jié)果反映的是該頻段內(nèi)頻譜資源占用情況，并不是NB-IoT設(shè)備占用頻譜資源的情況。從測試的結(jié)果數(shù)據(jù)可知：

（1）這些頻段的頻率占用度較高，如在890-900 MHz頻段，平均占用度基本達到40%以上，說明使用該頻段的通信設(shè)備較多。

（2）城市、郊區(qū)、農(nóng)村的測量的頻譜占用度也不一樣，從高到底為：城市＞郊區(qū)＞農(nóng)村，說明城市通信數(shù)據(jù)流量比郊區(qū)多，比農(nóng)村更多。

（3）城市、郊區(qū)、農(nóng)村測量的頻譜態(tài)勢大致吻合，但在某些頻段占用度相關(guān)性不是很高，如在880-890 MHz、925-930 MHz、1805-1825 MHz頻段，在平均占用度都不低的情況下，農(nóng)村平均占用度卻高于城市；甚至出現(xiàn)有的頻段農(nóng)村平均占用度高于20%，而城市平均占用度低于3%的情況，如在2110-2120 MHz、2145-2155 MHz頻段，該類頻段運營商可以根據(jù)實際情況分區(qū)域復(fù)用。

（4）在居民區(qū)使用的頻點比較集中。如航頭鎮(zhèn)在930-960 MHz、890-900 MHz、1825-1840 MHz、1740-1750 MHz頻段平均占用度普遍較高，而在其他頻段很少出現(xiàn)這種情況。在某些頻點甚至出現(xiàn)占用度達到100%的 情 況， 如951.5 MHz、960 MHz、2130 MHz、2145 MHz、2165 MHz等，該類頻段（頻點）運營商可以根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果指定專用。

（5）仔細比較發(fā)現(xiàn)某些頻段無論在城市、郊區(qū)、農(nóng)村，頻譜利用率都比較低，如1845-1855 MHz、1750-1760 MHz、1865-1875 MHz、1940-1955 MHz等，建議此類頻段作為備用頻段。

2.4 頻譜資源使用情況評估

在2.3節(jié)的基礎(chǔ)上，可以計算頻段的平均占用度如圖8所示。

圖8 頻段的平均占用度圖

根據(jù)圖8可知，大部分頻段占用度在40%以上，其中806-960 MHz甚至在85%以上，而頻段占用度最低的頻段是1920-1980 MHz，也高于10%。

低頻段如900 MHz頻段的占用度較高，而1900 MHz、2100 MHz高頻段占用度較低，也反映了低頻段具備覆蓋范圍廣、單位區(qū)域必要部署的基站較少、成本較低的優(yōu)勢。另外，頻率占用測量結(jié)果僅反映測量點的實際頻率使用情況，因此，傳統(tǒng)監(jiān)測站點的網(wǎng)絡(luò)是不足以知道頻譜在其他地方的使用情況，特別是當超過1 GHz的時候。本文是以上海地區(qū)的幾個隨機點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的，上海其他城區(qū)或其他城市可能會存在不同的情況。在這種情況下，應(yīng)考慮到更有效和準確的監(jiān)測方法來監(jiān)測NB-IoT設(shè)備和頻率使用情況。

3 提高頻譜利用率的方法

3.1 頻譜再利用

新型物理層技術(shù)雖然能夠更加有效地提高系統(tǒng)的頻譜使用效率，但提升空間有限。在向高頻段尋求頻譜資源的同時，審視已有的頻率使用，是一個很好的渠道。

使用傳播特性好的低頻段優(yōu)質(zhì)頻譜可以大大減少建網(wǎng)成本，提升技術(shù)與產(chǎn)業(yè)競爭力，如采用900 MHz頻段所用站點僅僅是1800 MHz頻段站點的24%，是2600 MHz頻段站點的12%。工業(yè)和信息化部2017年27號公告確定，在不對現(xiàn)有業(yè)務(wù)運行產(chǎn)生影響的情況下，電信運營商可以使用已分配的GSM或IMT系統(tǒng)頻段部署NB-IoT系統(tǒng)。

雷達主要是利用電磁波探測，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率、方位、高度等信息。查看《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》可以發(fā)現(xiàn)，有70多個頻段可用于“無線電定位”業(yè)務(wù)。雷達站的工作特點是地理位置較固定，且一般避開城市密集區(qū)，這正與移動通信的使用環(huán)境形成地理上的錯位互補。如果能夠合理規(guī)劃監(jiān)管，在保證不對現(xiàn)有雷達站造成干擾的情況下，在允許的地域范圍內(nèi)建設(shè)主要針對熱點覆蓋（尤其是室內(nèi)覆蓋）的NB-IoT站點，具有一定的可行性。因此，可以開展某些頻段頻率授權(quán)共享方面的研究。

3.2 頻譜的優(yōu)化利用

顯然，頻譜再利用和利用更高的毫米波頻段進行通信是解決頻譜資源不足的重要途徑，但是上述的兩種方法也存在局限性：首先，已有移動通信系統(tǒng)所占用的頻譜其實并不多，再利用可能仍然無法為系統(tǒng)提供足夠的帶寬來滿足用戶的速率要求；其次，高頻段嚴重的傳播衰減制約了系統(tǒng)的覆蓋范圍，只能作為補充。為此，要尋找第三種方法：頻譜的優(yōu)化利用。在上文通過對NBIoT頻段長時間連續(xù)測量，對頻率占用度進行分析，可發(fā)現(xiàn)頻率使用中存在的問題。針對當前實際頻率的使用情況，可進行改進和優(yōu)化。

（1）由于不同城市不同區(qū)域在某些頻段的頻譜占用度相關(guān)性不高，同一個城市，不同區(qū)域的數(shù)值也不相同，而根據(jù)NB-IoT系統(tǒng)覆蓋范圍在幾千米之內(nèi)的傳播特性，同一城市某個區(qū)域可根據(jù)實際情況使用不同的頻率，而不對其他區(qū)域產(chǎn)生影響。所以頻譜的實際使用情況為動態(tài)頻率復(fù)用和靜態(tài)分配提供了可能條件。建議多開展多信道并行頻譜感知方法、多信道多用戶協(xié)作頻譜感知方法、多信道資源優(yōu)化分配方法、多用戶協(xié)作頻譜共享激勵方法等相關(guān)研究。

（2）同一區(qū)域，如居民區(qū)，使用頻段比較集中。一旦小區(qū)數(shù)量密集，設(shè)備較多，而頻段有限，很容易造成通信干擾。一般可以通過數(shù)學(xué)模型和算法（如凸優(yōu)化理論、博弈論理論、整數(shù)規(guī)劃）、通信信道劃分、傳輸方向改變等減少或者弱化這類問題。因此，可以開展基于中繼的無線網(wǎng)絡(luò)資源管理、多小區(qū)NB-IoT系統(tǒng)資源分配等課題的相關(guān)研究。

（3）有的頻段占用度比較高，而根據(jù)相關(guān)研究，基站的連接數(shù)上限是一定的，可考慮增加單位區(qū)域內(nèi)基站數(shù)量或者增大頻段帶寬，還可以考慮高頻段的規(guī)劃和使用。

3.3 與互聯(lián)網(wǎng)融合

物聯(lián)網(wǎng)將是未來重要的發(fā)展方向，NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)的典型系統(tǒng)，如果能與互聯(lián)網(wǎng)融合，不僅可以依托各個移動互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)積極發(fā)展，形成產(chǎn)業(yè)鏈，而且能促進互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。但是目前國內(nèi)外開展相關(guān)方面的研究不多，也不深入。

NB-IoT與移動互聯(lián)網(wǎng)融合需要根據(jù)一定的標準進行融合。在這一方面，兩者的融合主要是要推動終端物聯(lián)與人機交互能力的開放接口標準，提高NB-IoT對使用者的便利度。另外，還需要開放公共應(yīng)用支撐平臺的物聯(lián)網(wǎng)能力接口，利用移動互聯(lián)網(wǎng)提高物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)流動的可視化程度。最后，還需要制定開放平臺能力調(diào)用授權(quán)機制標準，讓基于移動互聯(lián)網(wǎng)下的NB-IoT運行在有正規(guī)組織的控制下有效運行，提高兩者融合的規(guī)范性、制度性。

4 結(jié)束語

本文介紹了NB-IoT應(yīng)用及特點，通過對上海市NB-IoT頻段中城市、郊區(qū)、農(nóng)村的頻段占用度測量與比較，分析頻譜資源占用情況并進行評估，最后結(jié)合NBIoT的特點探討提高頻譜利用率的方法。

最后說明的是，雖然本文完成了NB-IoT頻段頻譜資源的測試工作，但還存在一些問題有待進一步深入研究：一是由于時間有限，實際測試數(shù)據(jù)不多，測試環(huán)境種類和測試點不多，測試區(qū)域不大，測試時間不長，對頻譜工程決策的數(shù)據(jù)支撐不夠；二是由于篇幅有限，對提高頻譜利用率、頻譜復(fù)用的具體方法、數(shù)學(xué)模型、算法比較講述不多；三是多網(wǎng)融合是通信發(fā)展的趨勢，本文也僅僅理論分析需要盡快做好規(guī)范、制度的建立，而具體如何建立規(guī)范、制度，各單位技術(shù)合作方式方法也是一個值得研究的方向。