国内窄带物联网频段的频谱监测与分析

杨世超，周 霞，袁冰清

（国家无线电监测中心上海监测站，上海 201419）

0 引言

物联网技术有很多，作为长距离通信技术的代表，窄带物联网技术（Narrow Band Internet of Things， NBIoT）于2015年9月应运而生。由于更适合静态、对时延敏感低、非实时传输数据、数据交换速率低等场景，NBIoT广泛应用到智慧城市、农业环境、物流仓储等行业领域，而用户数量也呈指数增长。2017年设备数量已超过1.5亿，2019年设备数量已超过10亿。由于无线通信覆盖的领域之广、接入设备器件的海量化，加上应用地域和设备供应商甚至通信频率使用的分散，同一时间、同一区域内各种无线电设备的使用，物联网应用的多样性和复杂性相比电脑互联网和移动互联网时代大大增强，因此，电磁环境变得异常复杂，设备间干扰也经常发生，所以频谱资源制约物联网的发展，愈显稀缺珍贵。

面对当前无线电频谱资源稀缺与紧张的现实，通过对NB-IoT频段中无线电频谱监测与分析，有利于科学规划、合理配置无线电频谱资源，进一步提高频谱利用率，突破窄带物联网发展在网络层无线传输中频谱资源不足的“瓶颈”。

1 NB-IoT介绍

NB-IoT是一种无线蜂窝网络通信协议，是一种低功耗广覆盖物联网技术（LPWA），具有超低功耗、海量连接、深度覆盖、超低成本、低速率、半双工等特点。由于使用的带宽只有180 kHz，所以是窄带。

NB-IoT与LORA相比，在覆盖范围、功耗、连接数量、传输速率等方面相当，但是NB-IoT具有部署基站成本低、频谱不易受干扰、组网方便等优点；NB-IoT相比GSM和LTE提高了20 dB，覆盖面积提升了100倍，同等条件下NB-IoT能提供更深的覆盖；NB-IoT单小区180 kHz的带宽可支持10万用户接入，是LTE连接数的数千倍。近两年随着物联网的高速发展，NB-IoT在IT行业内也被推上了风口浪尖，优势越来越明显。表1是国内部分可用NB-IoT频段主要情况汇总。

表1 国内运营商拥有的部分可用的NB-IoT频段汇总

2 NB-IoT频段占用度测试与分析

如果把NB-IoT中移动通信系统建设看成是开发商“盖房子”，那频谱的作用就是“土地”，只有有了地，才能盖房子。随着移动通信行业的飞速发展以及设备数量的增多，日益增长的频谱需求和有限的频谱资源之间的矛盾成为制约通信行业发展的主要因素之一。因此，首先需要通过测量频段占用度来分析频谱资源的使用情况。

2.1 测量地点及时长

为了体现相关测试频谱资源的真实使用情况，本文测试地点选取上海市无线电监测站办公点（上海市淮海中路云海大厦附近，密集城区）；住宅地点（航头镇某小区，郊区）；某生态园区（崇明岛，农村）三个代表性的地点室外定点监测，对各频段的占用情况将进行7天×24小时的连续监测。

2.2 测量设备

频谱占用度测试需要使用的设备包括天线、频谱仪、低噪放、滤波器、电脑及其他配件。基本的测试系统连接图如图1所示。

图1 基本的测试系统连接图

频谱占用度测试选用全向天线进行。使用低噪放将有利于小信号的识别，但有可能在邻近频段产生虚假信号，而滤波器则是用于滤除使用LNA时产生的虚假信号。此次测试中使用厂家配置的低噪放，没有接滤波器。通过笔记本上位机软件控制相应的频谱仪、接收机进行数据采集和存储。

2.3 测试结果及分析

对部分频段进行了实际测试，测试结果如下：

2.3.1 880-915MHz频段

图2 880-915 MHz频率占用度

2.3.2 925-960MHz频段

图3 925-960 MHz频率占用度

2.3.3 1710-1785MHz频段

图4 1710-1785 MHz频率占用度

2.3.4 1805-1880MHz频段

图5 1805-1880 MHz频率占用度

2.3.5 1920-1980MHz频段

图6 1920-1980 MHz频率占用度

2.3.6 2110-2170MHz频段

图7 2110-2170 MHz频率占用度

首先说明的是，可用于NB-IoT的频段同时也是现有2G/3G/4G频段。频率占用度测量结果反映的是该频段内频谱资源占用情况，并不是NB-IoT设备占用频谱资源的情况。从测试的结果数据可知：

（1）这些频段的频率占用度较高，如在890-900 MHz频段，平均占用度基本达到40%以上，说明使用该频段的通信设备较多。

（2）城市、郊区、农村的测量的频谱占用度也不一样，从高到底为：城市＞郊区＞农村，说明城市通信数据流量比郊区多，比农村更多。

（3）城市、郊区、农村测量的频谱态势大致吻合，但在某些频段占用度相关性不是很高，如在880-890 MHz、925-930 MHz、1805-1825 MHz频段，在平均占用度都不低的情况下，农村平均占用度却高于城市；甚至出现有的频段农村平均占用度高于20%，而城市平均占用度低于3%的情况，如在2110-2120 MHz、2145-2155 MHz频段，该类频段运营商可以根据实际情况分区域复用。

（4）在居民区使用的频点比较集中。如航头镇在930-960 MHz、890-900 MHz、1825-1840 MHz、1740-1750 MHz频段平均占用度普遍较高，而在其他频段很少出现这种情况。在某些频点甚至出现占用度达到100%的 情 况， 如951.5 MHz、960 MHz、2130 MHz、2145 MHz、2165 MHz等，该类频段（频点）运营商可以根据实际监测结果指定专用。

（5）仔细比较发现某些频段无论在城市、郊区、农村，频谱利用率都比较低，如1845-1855 MHz、1750-1760 MHz、1865-1875 MHz、1940-1955 MHz等，建议此类频段作为备用频段。

2.4 频谱资源使用情况评估

在2.3节的基础上，可以计算频段的平均占用度如图8所示。

图8 频段的平均占用度图

根据图8可知，大部分频段占用度在40%以上，其中806-960 MHz甚至在85%以上，而频段占用度最低的频段是1920-1980 MHz，也高于10%。

低频段如900 MHz频段的占用度较高，而1900 MHz、2100 MHz高频段占用度较低，也反映了低频段具备覆盖范围广、单位区域必要部署的基站较少、成本较低的优势。另外，频率占用测量结果仅反映测量点的实际频率使用情况，因此，传统监测站点的网络是不足以知道频谱在其他地方的使用情况，特别是当超过1 GHz的时候。本文是以上海地区的几个随机点监测数据进行统计的，上海其他城区或其他城市可能会存在不同的情况。在这种情况下，应考虑到更有效和准确的监测方法来监测NB-IoT设备和频率使用情况。

3 提高频谱利用率的方法

3.1 频谱再利用

新型物理层技术虽然能够更加有效地提高系统的频谱使用效率，但提升空间有限。在向高频段寻求频谱资源的同时，审视已有的频率使用，是一个很好的渠道。

使用传播特性好的低频段优质频谱可以大大减少建网成本，提升技术与产业竞争力，如采用900 MHz频段所用站点仅仅是1800 MHz频段站点的24%，是2600 MHz频段站点的12%。工业和信息化部2017年27号公告确定，在不对现有业务运行产生影响的情况下，电信运营商可以使用已分配的GSM或IMT系统频段部署NB-IoT系统。

雷达主要是利用电磁波探测，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率、方位、高度等信息。查看《中华人民共和国无线电频率划分规定》可以发现，有70多个频段可用于“无线电定位”业务。雷达站的工作特点是地理位置较固定，且一般避开城市密集区，这正与移动通信的使用环境形成地理上的错位互补。如果能够合理规划监管，在保证不对现有雷达站造成干扰的情况下，在允许的地域范围内建设主要针对热点覆盖（尤其是室内覆盖）的NB-IoT站点，具有一定的可行性。因此，可以开展某些频段频率授权共享方面的研究。

3.2 频谱的优化利用

显然，频谱再利用和利用更高的毫米波频段进行通信是解决频谱资源不足的重要途径，但是上述的两种方法也存在局限性：首先，已有移动通信系统所占用的频谱其实并不多，再利用可能仍然无法为系统提供足够的带宽来满足用户的速率要求；其次，高频段严重的传播衰减制约了系统的覆盖范围，只能作为补充。为此，要寻找第三种方法：频谱的优化利用。在上文通过对NBIoT频段长时间连续测量，对频率占用度进行分析，可发现频率使用中存在的问题。针对当前实际频率的使用情况，可进行改进和优化。

（1）由于不同城市不同区域在某些频段的频谱占用度相关性不高，同一个城市，不同区域的数值也不相同，而根据NB-IoT系统覆盖范围在几千米之内的传播特性，同一城市某个区域可根据实际情况使用不同的频率，而不对其他区域产生影响。所以频谱的实际使用情况为动态频率复用和静态分配提供了可能条件。建议多开展多信道并行频谱感知方法、多信道多用户协作频谱感知方法、多信道资源优化分配方法、多用户协作频谱共享激励方法等相关研究。

（2）同一区域，如居民区，使用频段比较集中。一旦小区数量密集，设备较多，而频段有限，很容易造成通信干扰。一般可以通过数学模型和算法（如凸优化理论、博弈论理论、整数规划）、通信信道划分、传输方向改变等减少或者弱化这类问题。因此，可以开展基于中继的无线网络资源管理、多小区NB-IoT系统资源分配等课题的相关研究。

（3）有的频段占用度比较高，而根据相关研究，基站的连接数上限是一定的，可考虑增加单位区域内基站数量或者增大频段带宽，还可以考虑高频段的规划和使用。

3.3 与互联网融合

物联网将是未来重要的发展方向，NB-IoT作为物联网的典型系统，如果能与互联网融合，不仅可以依托各个移动互联网企业实现积极发展，形成产业链，而且能促进互联网发展，产生巨大的经济效益。但是目前国内外开展相关方面的研究不多，也不深入。

NB-IoT与移动互联网融合需要根据一定的标准进行融合。在这一方面，两者的融合主要是要推动终端物联与人机交互能力的开放接口标准，提高NB-IoT对使用者的便利度。另外，还需要开放公共应用支撑平台的物联网能力接口，利用移动互联网提高物联网络流动的可视化程度。最后，还需要制定开放平台能力调用授权机制标准，让基于移动互联网下的NB-IoT运行在有正规组织的控制下有效运行，提高两者融合的规范性、制度性。

4 结束语

本文介绍了NB-IoT应用及特点，通过对上海市NB-IoT频段中城市、郊区、农村的频段占用度测量与比较，分析频谱资源占用情况并进行评估，最后结合NBIoT的特点探讨提高频谱利用率的方法。

最后说明的是，虽然本文完成了NB-IoT频段频谱资源的测试工作，但还存在一些问题有待进一步深入研究：一是由于时间有限，实际测试数据不多，测试环境种类和测试点不多，测试区域不大，测试时间不长，对频谱工程决策的数据支撑不够；二是由于篇幅有限，对提高频谱利用率、频谱复用的具体方法、数学模型、算法比较讲述不多；三是多网融合是通信发展的趋势，本文也仅仅理论分析需要尽快做好规范、制度的建立，而具体如何建立规范、制度，各单位技术合作方式方法也是一个值得研究的方向。