國內窄帶物聯網頻段的頻譜監測與分析

楊世超，周 霞，袁冰清

（國家無線電監測中心上海監測站，上海 201419）

0 引言

物聯網技術有很多，作為長距離通信技術的代表，窄帶物聯網技術（Narrow Band Internet of Things， NBIoT）于2015年9月應運而生。由于更適合靜態、對時延敏感低、非實時傳輸數據、數據交換速率低等場景，NBIoT廣泛應用到智慧城市、農業環境、物流倉儲等行業領域，而用戶數量也呈指數增長。2017年設備數量已超過1.5億，2019年設備數量已超過10億。由于無線通信覆蓋的領域之廣、接入設備器件的海量化，加上應用地域和設備供應商甚至通信頻率使用的分散，同一時間、同一區域內各種無線電設備的使用，物聯網應用的多樣性和復雜性相比電腦互聯網和移動互聯網時代大大增強，因此，電磁環境變得異常復雜，設備間干擾也經常發生，所以頻譜資源制約物聯網的發展，愈顯稀缺珍貴。

面對當前無線電頻譜資源稀缺與緊張的現實，通過對NB-IoT頻段中無線電頻譜監測與分析，有利于科學規劃、合理配置無線電頻譜資源，進一步提高頻譜利用率，突破窄帶物聯網發展在網絡層無線傳輸中頻譜資源不足的“瓶頸”。

1 NB-IoT介紹

NB-IoT是一種無線蜂窩網絡通信協議，是一種低功耗廣覆蓋物聯網技術（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、組網方便等優點；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180 kHz的帶寬可支持10萬用戶接入，是LTE連接數的數千倍。近兩年隨著物聯網的高速發展，NB-IoT在IT行業內也被推上了風口浪尖，優勢越來越明顯。表1是國內部分可用NB-IoT頻段主要情況匯總。

表1 國內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中移動通信系統建設看成是開發商“蓋房子”，那頻譜的作用就是“土地”，只有有了地，才能蓋房子。隨著移動通信行業的飛速發展以及設備數量的增多，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發展的主要因素之一。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

為了體現相關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測站辦公點（上海市淮海中路云海大廈附近，密集城區）；住宅地點（航頭鎮某小區，郊區）；某生態園區（崇明島，農村）三個代表性的地點室外定點監測，對各頻段的占用情況將進行7天×24小時的連續監測。

2.2 測量設備

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

圖1 基本的測試系統連接圖

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生虛假信號，而濾波器則是用于濾除使用LNA時產生的虛假信號。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的頻譜儀、接收機進行數據采集和存儲。

2.3 測試結果及分析

對部分頻段進行了實際測試，測試結果如下：

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的頻段同時也是現有2G/3G/4G頻段。頻率占用度測量結果反映的是該頻段內頻譜資源占用情況，并不是NB-IoT設備占用頻譜資源的情況。從測試的結果數據可知：

（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備較多。

（2）城市、郊區、農村的測量的頻譜占用度也不一樣，從高到底為：城市＞郊區＞農村，說明城市通信數據流量比郊區多，比農村更多。

（3）城市、郊區、農村測量的頻譜態勢大致吻合，但在某些頻段占用度相關性不是很高，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，農村平均占用度卻高于城市；甚至出現有的頻段農村平均占用度高于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實際情況分區域復用。

（4）在居民區使用的頻點比較集中。如航頭鎮在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這種情況。在某些頻點甚至出現占用度達到100%的 情 況， 如951.5 MHz、960 MHz、2130 MHz、2145 MHz、2165 MHz等，該類頻段（頻點）運營商可以根據實際監測結果指定專用。

（5）仔細比較發現某些頻段無論在城市、郊區、農村，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節的基礎上，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、單位區域必要部署的基站較少、成本較低的優勢。另外，頻率占用測量結果僅反映測量點的實際頻率使用情況，因此，傳統監測站點的網絡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。本文是以上海地區的幾個隨機點監測數據進行統計的，上海其他城區或其他城市可能會存在不同的情況。在這種情況下，應考慮到更有效和準確的監測方法來監測NB-IoT設備和頻率使用情況。

3 提高頻譜利用率的方法

3.1 頻譜再利用

新型物理層技術雖然能夠更加有效地提高系統的頻譜使用效率，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質頻譜可以大大減少建網成本，提升技術與產業競爭力，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%。工業和信息化部2017年27號公告確定，在不對現有業務運行產生影響的情況下，電信運營商可以使用已分配的GSM或IMT系統頻段部署NB-IoT系統。

雷達主要是利用電磁波探測，由此獲得目標至電磁波發射點的距離、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定》可以發現，有70多個頻段可用于“無線電定位”業務。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，這正與移動通信的使用環境形成地理上的錯位互補。如果能夠合理規劃監管，在保證不對現有雷達站造成干擾的情況下，在允許的地域范圍內建設主要針對熱點覆蓋（尤其是室內覆蓋）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共享方面的研究。

3.2 頻譜的優化利用

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，已有移動通信系統所占用的頻譜其實并不多，再利用可能仍然無法為系統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：頻譜的優化利用。在上文通過對NBIoT頻段長時間連續測量，對頻率占用度進行分析，可發現頻率使用中存在的問題。針對當前實際頻率的使用情況，可進行改進和優化。

（1）由于不同城市不同區域在某些頻段的頻譜占用度相關性不高，同一個城市，不同區域的數值也不相同，而根據NB-IoT系統覆蓋范圍在幾千米之內的傳播特性，同一城市某個區域可根據實際情況使用不同的頻率，而不對其他區域產生影響。所以頻譜的實際使用情況為動態頻率復用和靜態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、多信道多用戶協作頻譜感知方法、多信道資源優化分配方法、多用戶協作頻譜共享激勵方法等相關研究。

（2）同一區域，如居民區，使用頻段比較集中。一旦小區數量密集，設備較多，而頻段有限，很容易造成通信干擾。一般可以通過數學模型和算法（如凸優化理論、博弈論理論、整數規劃）、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絡資源管理、多小區NB-IoT系統資源分配等課題的相關研究。

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

3.3 與互聯網融合

物聯網將是未來重要的發展方向，NB-IoT作為物聯網的典型系統，如果能與互聯網融合，不僅可以依托各個移動互聯網企業實現積極發展，形成產業鏈，而且能促進互聯網發展，產生巨大的經濟效益。但是目前國內外開展相關方面的研究不多，也不深入。

NB-IoT與移動互聯網融合需要根據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，還需要開放公共應用支撐平臺的物聯網能力接口，利用移動互聯網提高物聯網絡流動的可視化程度。最后，還需要制定開放平臺能力調用授權機制標準，讓基于移動互聯網下的NB-IoT運行在有正規組織的控制下有效運行，提高兩者融合的規范性、制度性。

4 結束語

本文介紹了NB-IoT應用及特點，通過對上海市NB-IoT頻段中城市、郊區、農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，實際測試數據不多，測試環境種類和測試點不多，測試區域不大，測試時間不長，對頻譜工程決策的數據支撐不夠；二是由于篇幅有限，對提高頻譜利用率、頻譜復用的具體方法、數學模型、算法比較講述不多；三是多網融合是通信發展的趨勢，本文也僅僅理論分析需要盡快做好規范、制度的建立，而具體如何建立規范、制度，各單位技術合作方式方法也是一個值得研究的方向。