國(guó)內(nèi)窄帶物聯(lián)網(wǎng)頻段的頻譜監(jiān)測(cè)與分析

楊世超，周 霞，袁冰清

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心上海監(jiān)測(cè)站，上海 201419）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有很多，作為長(zhǎng)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(yùn)而生。由于更適合靜態(tài)、對(duì)時(shí)延敏感低、非實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)交換速率低等場(chǎng)景，NBIoT廣泛應(yīng)用到智慧城市、農(nóng)業(yè)環(huán)境、物流倉(cāng)儲(chǔ)等行業(yè)領(lǐng)域，而用戶數(shù)量也呈指數(shù)增長(zhǎng)。2017年設(shè)備數(shù)量已超過(guò)1.5億，2019年設(shè)備數(shù)量已超過(guò)10億。由于無(wú)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(shí)間、同一區(qū)域內(nèi)各種無(wú)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大大增強(qiáng)，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(duì)當(dāng)前無(wú)線電頻譜資源稀缺與緊張的現(xiàn)實(shí)，通過(guò)對(duì)NB-IoT頻段中無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)與分析，有利于科學(xué)規(guī)劃、合理配置無(wú)線電頻譜資源，進(jìn)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(wú)線傳輸中頻譜資源不足的“瓶頸”。

1 NB-IoT介紹

NB-IoT是一種無(wú)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(diǎn)。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(dāng)，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(diǎn)；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(wàn)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(shì)越來(lái)越明顯。表1是國(guó)內(nèi)部分可用NB-IoT頻段主要情況匯總。

表1 國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商擁有的部分可用的NB-IoT頻段匯總

2 NB-IoT頻段占用度測(cè)試與分析

如果把NB-IoT中移動(dòng)通信系統(tǒng)建設(shè)看成是開(kāi)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(dòng)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(zhǎng)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(guò)測(cè)量頻段占用度來(lái)分析頻譜資源的使用情況。

2.1 測(cè)量地點(diǎn)及時(shí)長(zhǎng)

為了體現(xiàn)相關(guān)測(cè)試頻譜資源的真實(shí)使用情況，本文測(cè)試地點(diǎn)選取上海市無(wú)線電監(jiān)測(cè)站辦公點(diǎn)（上海市淮海中路云海大廈附近，密集城區(qū)）；住宅地點(diǎn)（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(gè)代表性的地點(diǎn)室外定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，對(duì)各頻段的占用情況將進(jìn)行7天×24小時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2.2 測(cè)量設(shè)備

頻譜占用度測(cè)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?；镜臏y(cè)試系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

圖1 基本的測(cè)試系統(tǒng)連接圖

頻譜占用度測(cè)試選用全向天線進(jìn)行。使用低噪放將有利于小信號(hào)的識(shí)別，但有可能在鄰近頻段產(chǎn)生虛假信號(hào)，而濾波器則是用于濾除使用LNA時(shí)產(chǎn)生的虛假信號(hào)。此次測(cè)試中使用廠家配置的低噪放，沒(méi)有接濾波器。通過(guò)筆記本上位機(jī)軟件控制相應(yīng)的頻譜儀、接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)。

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)部分頻段進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)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(shuō)明的是，可用于NB-IoT的頻段同時(shí)也是現(xiàn)有2G/3G/4G頻段。頻率占用度測(cè)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(cè)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(dá)到40%以上，說(shuō)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(cè)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(shuō)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(cè)量的頻譜態(tài)勢(shì)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(lèi)頻段運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)實(shí)際情況分區(qū)域復(fù)用。

（4）在居民區(qū)使用的頻點(diǎn)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(diǎn)甚至出現(xiàn)占用度達(dá)到100%的 情 況， 如951.5 MHz、960 MHz、2130 MHz、2145 MHz、2165 MHz等，該類(lèi)頻段（頻點(diǎn)）運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果指定專(zhuān)用。

（5）仔細(xì)比較發(fā)現(xiàn)某些頻段無(wú)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(lèi)頻段作為備用頻段。

2.4 頻譜資源使用情況評(píng)估

在2.3節(jié)的基礎(chǔ)上，可以計(jì)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(shì)。另外，頻率占用測(cè)量結(jié)果僅反映測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際頻率使用情況，因此，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(dāng)超過(guò)1 GHz的時(shí)候。本文是以上海地區(qū)的幾個(gè)隨機(jī)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的，上海其他城區(qū)或其他城市可能會(huì)存在不同的情況。在這種情況下，應(yīng)考慮到更有效和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)方法來(lái)監(jiān)測(cè)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(shí)，審視已有的頻率使用，是一個(gè)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(jìng)爭(zhēng)力，如采用900 MHz頻段所用站點(diǎn)僅僅是1800 MHz頻段站點(diǎn)的24%，是2600 MHz頻段站點(diǎn)的12%。工業(yè)和信息化部2017年27號(hào)公告確定，在不對(duì)現(xiàn)有業(yè)務(wù)運(yùn)行產(chǎn)生影響的情況下，電信運(yùn)營(yíng)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(dá)主要是利用電磁波探測(cè)，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率、方位、高度等信息。查看《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》可以發(fā)現(xiàn)，有70多個(gè)頻段可用于“無(wú)線電定位”業(yè)務(wù)。雷達(dá)站的工作特點(diǎn)是地理位置較固定，且一般避開(kāi)城市密集區(qū)，這正與移動(dòng)通信的使用環(huán)境形成地理上的錯(cuò)位互補(bǔ)。如果能夠合理規(guī)劃監(jiān)管，在保證不對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)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(duì)熱點(diǎn)覆蓋（尤其是室內(nèi)覆蓋）的NB-IoT站點(diǎn)，具有一定的可行性。因此，可以開(kāi)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(jìn)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(dòng)通信系統(tǒng)所占用的頻譜其實(shí)并不多，再利用可能仍然無(wú)法為系統(tǒng)提供足夠的帶寬來(lái)滿足用戶的速率要求；其次，高頻段嚴(yán)重的傳播衰減制約了系統(tǒng)的覆蓋范圍，只能作為補(bǔ)充。為此，要尋找第三種方法：頻譜的優(yōu)化利用。在上文通過(guò)對(duì)NBIoT頻段長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量，對(duì)頻率占用度進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)頻率使用中存在的問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前實(shí)際頻率的使用情況，可進(jìn)行改進(jìn)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(gè)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(gè)區(qū)域可根據(jù)實(shí)際情況使用不同的頻率，而不對(duì)其他區(qū)域產(chǎn)生影響。所以頻譜的實(shí)際使用情況為動(dòng)態(tài)頻率復(fù)用和靜態(tài)分配提供了可能條件。建議多開(kāi)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(lì)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(guò)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(lèi)問(wèn)題。因此，可以開(kāi)展基于中繼的無(wú)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(lái)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(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)實(shí)現(xiàn)積極發(fā)展，形成產(chǎn)業(yè)鏈，而且能促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展相關(guān)方面的研究不多，也不深入。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

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

最后說(shuō)明的是，雖然本文完成了NB-IoT頻段頻譜資源的測(cè)試工作，但還存在一些問(wèn)題有待進(jìn)一步深入研究：一是由于時(shí)間有限，實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)不多，測(cè)試環(huán)境種類(lèi)和測(cè)試點(diǎn)不多，測(cè)試區(qū)域不大，測(cè)試時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)頻譜工程決策的數(shù)據(jù)支撐不夠；二是由于篇幅有限，對(duì)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(shì)，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(gè)值得研究的方向。