蜂窩物聯(lián)網(wǎng)頻率使用與干擾分析

孫震強(qiáng)　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(wèn)題，首先對(duì)LPWA應(yīng)用的多種技術(shù)體制進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)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(wèn)題，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)頻譜規(guī)劃及使用情況，分析了我國(guó)廣域物聯(lián)網(wǎng)的可用頻譜資源形勢(shì)，最后對(duì)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(dòng)通信的發(fā)展已逐漸由人人連接擴(kuò)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(huì)服務(wù)等各個(gè)行業(yè)應(yīng)用中，并上升為服務(wù)國(guó)家建設(shè)的戰(zhàn)略層面。從全球范圍內(nèi)來(lái)看，各大主要經(jīng)濟(jì)體，包括美國(guó)、歐盟、日韓、中國(guó)均從國(guó)家戰(zhàn)略層面推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。我國(guó)在《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”規(guī)劃》中強(qiáng)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(diǎn)發(fā)展，并建立重點(diǎn)應(yīng)用示范工程，以帶動(dòng)規(guī)?；l(fā)展，“十三五”期間要促進(jìn)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，到2020年全球?qū)⒂?50億個(gè)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(chǎng)存在著巨大的價(jià)值挖掘空間，基于蜂窩的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)處不在的覆蓋優(yōu)勢(shì)，在物聯(lián)市場(chǎng)蘊(yùn)含著移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商可拓展的巨大藍(lán)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(wú)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(chǎng)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(jìn)、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(lán)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(duì)于LPWA技術(shù)而言，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力與移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，甚至更強(qiáng)，如何規(guī)避LPWA與其他系統(tǒng)的互干擾問(wèn)題、實(shí)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(wèn)題。與此同時(shí)，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(duì)專網(wǎng)頻率進(jìn)行合理有效地管理，本文將對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)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(gè)維度來(lái)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(zhǎng)距高速和長(zhǎng)距低速。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景主要以信息收集、狀態(tài)跟蹤為主，對(duì)速率的要求往往不高，因此以藍(lán)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(jià)格在當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)用有限。

近年來(lái)，隨著全球各國(guó)逐漸將物聯(lián)網(wǎng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，在萬(wàn)物互聯(lián)的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)下，LPWA（低功耗、廣覆蓋）廣域物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)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(shí)間相對(duì)較早，為滿足廣域物聯(lián)市場(chǎng)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(guó)家和地區(qū)（如法國(guó)、韓國(guó)等）實(shí)現(xiàn)了規(guī)模部署。2013年Semtech公司開(kāi)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(gè)國(guó)家商用部署，覆蓋150個(gè)城市，會(huì)員達(dá)400個(gè)。Sigfox宣稱目前已經(jīng)在法國(guó)、西班牙、荷蘭、英國(guó)等24個(gè)國(guó)家建網(wǎng)。由于LoRa和Sigfox技術(shù)主要是利用免許可頻譜實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的部署和運(yùn)營(yíng)，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(chǎng)定位主要面向?qū)τ诳煽啃?、安全性等要求不敏感，并要求迅速?shí)現(xiàn)定制化服務(wù)的企業(yè)級(jí)應(yīng)用。與此同時(shí)，傳統(tǒng)移動(dòng)通信設(shè)備商和運(yùn)營(yíng)商正在積極加快基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的電信級(jí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，快速融入LPWA市場(chǎng)。3GPP在2015年先后啟動(dòng)了eMTC和NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，并快速推進(jìn)。其中NB-IoT針對(duì)LPWA廣覆蓋、低成本、低功耗、大連接特性進(jìn)行了專門(mén)設(shè)計(jì)，面向特定的對(duì)時(shí)延不感的小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)，相對(duì)其他LPWA技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)更為明顯。表1對(duì)典型的LPWA技術(shù)特征與網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了對(duì)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(shì)明顯，此外無(wú)需新建網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)LTE現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)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(jí)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(guó)內(nèi)外的頻率規(guī)劃情況如表2所示，可見(jiàn)針對(duì)短距離微功率設(shè)備使用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有專用頻率劃分。而對(duì)于Sigfox和LoRa技術(shù)應(yīng)用，目前國(guó)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(méi)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(guó)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(shí)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(wèn)題

面向廣域覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)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(shì)提供無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。在運(yùn)營(yíng)商及廠商的推動(dòng)下，基于現(xiàn)有的LTE技術(shù)體制，3GPP在R13階段快速推進(jìn)NB-IoT和eMTC的標(biāo)準(zhǔn)制定。特別的，為了進(jìn)一步提升覆蓋、降低設(shè)備成本及功耗，3GPP對(duì)NB-IoT技術(shù)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，同時(shí)為了適配不同運(yùn)營(yíng)商自身網(wǎng)絡(luò)及資源特點(diǎn)，提出了LTE帶內(nèi)、LTE保護(hù)帶以及獨(dú)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(hù)帶模式：利用LTE載波保護(hù)帶內(nèi)未使用的資源塊。

（3）獨(dú)立模式：利用當(dāng)前被其他系統(tǒng)使用、可以部分重耕的頻譜，如一個(gè)或多個(gè)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(shí)，需要根據(jù)不同的模式選擇考慮潛在的干擾問(wèn)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(duì)于帶內(nèi)、保護(hù)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(wèn)題。一般情況下，可通過(guò)預(yù)留PRB作為保護(hù)帶，或者通過(guò)NB-IoT子載波調(diào)度算法來(lái)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(shí)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(wèn)題。此外，帶內(nèi)、保護(hù)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(biāo)，因此帶內(nèi)、保護(hù)帶工作模式下的NB-IoT不會(huì)對(duì)鄰頻其他系統(tǒng)帶來(lái)額外的干擾問(wèn)題。

對(duì)于獨(dú)立工作模式下的NB-IoT，系統(tǒng)配置靈活，組網(wǎng)可相對(duì)獨(dú)立，因此獨(dú)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(wèn)題。3GPP基于干擾共存研究，為獨(dú)立工作模式下的NB-IoT制定了一套完整的射頻指標(biāo)要求，并在R13 TS 36.101、TS 36.104規(guī)范中發(fā)布，其中關(guān)于獨(dú)立模式下NB-IoT與其他系統(tǒng)鄰頻條件下的保護(hù)帶要求做了評(píng)估和限定[1-2]，如表3所示：

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

根據(jù)第2章我國(guó)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(jìn)一步被劃分為專網(wǎng)授權(quán)頻率與公網(wǎng)授權(quán)頻率。對(duì)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(hù)，且不得對(duì)其他設(shè)備造成干擾，必要時(shí)還要求配合采用干擾消除技術(shù)（如DFS、LBT等）。由此可見(jiàn)，面向廣域物聯(lián)應(yīng)用的LPWA系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)考慮使用授權(quán)頻率，采用免授權(quán)頻段很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模部署和應(yīng)用，不僅無(wú)法保證業(yè)務(wù)能力，也很難實(shí)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(duì)廣域物聯(lián)應(yīng)用完成了NB-IoT的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商可利用公網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)的覆蓋優(yōu)勢(shì)，使用LTE授權(quán)頻譜，通過(guò)設(shè)備升級(jí)快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(yùn)維投資成本。此外，針對(duì)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(shí)也便于協(xié)調(diào)管理。據(jù)悉，目前國(guó)家主管部門(mén)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(guó)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(shí)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(xiǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)在未來(lái)幾年將呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，同時(shí)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(duì)LPWA應(yīng)用場(chǎng)景下幾種典型的技術(shù)體制及頻譜形勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比分析，基于移動(dòng)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(shì)將在廣域物聯(lián)應(yīng)用市場(chǎng)中扮演重要的角色。與此同時(shí)，由于LPWA業(yè)務(wù)對(duì)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(wèn)題就顯得尤為重要，建議在頻率監(jiān)管層面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)頻譜，特別是低頻頻譜資源進(jìn)行合理的頻譜規(guī)劃，采用有效的頻譜管理機(jī)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。

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