无线电频率在物联网技术及产业发展中的应用情况研究

邓丽莉， 骆 骁

（中国信息通信研究院西部分院， 重庆 401336）

1 物联网通信技术对物联网产业的作用分析

物联网发展从最早的RFID 和蓝牙技术，到ZigBee、WiFi，到现在的LoRa、SigFox、NB-IoT，物联网通信技术成为推动物联网产业发展的最主要因素之一。物联网作为万物互联的关键技术，需优先解决不同应用场景下，终端（传感器）互联互通的核心问题，物联网通信技术甚至决定网络底层数据获取方式，自下而上影响物联网应用和产业发展。物联网通信技术的发展在某种意义上并非“阶梯式”发展，在通信范围、终端接入数量、网络带宽、功耗能耗等关键技术发面，每个技术都作了不同的取舍以满足不同的应用范围，不同应用场景的业务需求成为物联网通信技术之间差异化发展的主要原因。

麦肯锡发布的《The Internet of Things:Mapping the Value Beyond the Hype（全球物联网市场预测）》[1]对9 个物联网产业最具市场潜力的领域进行了总结概括，并对应用场景、业务需求和相关产值进行了预测分析，详见表1。

表1 物联网产业9 个最具市场潜力的领域分析

2 物联网通信技术类别、特点与用频分析

2.1 物联网通信技术相关标准

物联网发展只有短短的二十几年，期间却出现了众多物联网产业的相关组织和联盟。其中绝大部分的成立是因物联网关键通信技术的诞生，产业链上、中、下游的众多厂商纷纷加入该类组织，促使产业生态圈快速形成。据统计，从核心通信技术的诞生到相关组织的成立往往不超过3年时间，各组织纷纷推出自身标准。

2.2 各通信技术用频对比分析

从下页图1 可以看出，现有的物联网无线技术主要集中在100 MHz 以下频段、400～500 MHz 频段、800～900 MHz 频段、2.4～5.8 GHz 频段以及60 GHz频段等。目前大部分的物联网无线技术主要使用的是免执照频段，其中1 GHz 以下的免执照（或ISM即工业、科学和医学频段）频段更多。其中长距离的无线技术包括NB-IoT、eMTC、LoRa、SigFox、Weightless 等，主要采用了1 GHz 以下的频段，容易实现广域覆盖。短距离通信技术主要包括WiFi、ZigBee、Z-WAVE、RFID 等，分布在各个频段。

表2 典型物联网通信技术相关标准示意表

3 我国物联网频率规划现状及问题分析

3.1 我国物联网频率规划情况

为满足物联网应用于各种不同的应用场景以及无线电技术的频谱需求，物联网频率管理既有独占频率、共享频率，也有新兴低功耗广域物联网频率。独占频率指应用公众移动通信网或行业专网，用于物联网数据传输技术使用的频率，如2G/3G/4G/5G公网用频，无线数传、无线接入等专网技术用频。共享频率主要指SRD（短距离通信设备）用频，此类设备一般发射功率较小，作用范围有限，一般采用免执照管理。广域物联网频率是近几年LPWA（低功耗广域技术）技术发展的新兴网络，移动通信运营商通常利用自身蜂窝网络频率部署广域物联网，非移动通信运营商通常采用免许可（SRD/RFID/ISM 等）频段搭建。

3.1.1 物联网独占式频率

现有我国物联网独占式频率主要包括公网和行业专网两部分，公网和专网中主要无线电系统对应的频率规划情况如下页表3 所示[2-5]。

表3 我国物联网独占式频率

3.1.2 物联网共享频率

在信部无〔2005〕423 号《关于发布〈微功率（短距离）无线电设备的技术要求〉的通知》中规定了我国微功率（短距离）无线电设备的技术指标[6]，将通用微功率设备按照使用频段和发射功率分为七类（A～G），此外还针对13 种特定的微功率设备（通用无线遥控设备、无线传声器和民用无线电计量仪表、生物医学遥测设备、无绳电话机等）规定了频率和射频指标。之后，我国陆续发布了相关文件对其它特定微功率设备的频率进行了规划，如400 MHz 生物医学遥测设备、26 GHz 车载雷达、UWB、800 MHz 微功率设备等。

按照频段情况，整理我国主要SRD 频率规划如如图2 所示。

3.1.3 广域物联网频率

基于蜂窝移动通信的物联网均采用蜂窝移动通信网的授权频率，我国明确了NB-IoT 和eMTC 的频率使用管理相关规定。对于非授权频段，目前国内尚未规划LoRa、SigFox 等非蜂窝LPWA 技术的使用频率，各厂商和应用企业主要使用频段在1 GHz 以下，采用微功率（短距离）无线电设备频段、ISM或RFID频段，设备需遵循相关文件的技术要求。LoRa、Sig-Fox 等非蜂窝LPWA 技术使用频率以800 MHz 和900 MHz 频段为主。

3.2 当前物联网频率使用的问题

目前，我国广域物联网除基于蜂窝移动通信网络外，其余均使用非授权频段（ISM、SRD 等频段）。同时，LPWA 技术的使用按微功率设备管理政策管理，非授权频段的使用主要存在以下问题：

1）与SRD 频率使用特征不符。LPWA 技术使用微功率设备SRD 频段时，因其功率谱密度大、覆盖区域广的特点，与微功率设备的“发射功率小、距离短，对其他无线电业务干扰风险较低”的特征明显相悖。

表4 3GPP 建议的NB-IoT 和eMTC 频段号

2）缺乏管理细则，行业使用混乱。我国仅出台了ISM、RFID、SRD 等无线电设备的技术要求，对于LPWA 技术的频率使用缺乏相应的管理细则。且国际上没有任何国家和地区将广播业务频段用于部署LPWA。若在频率使用上不及时加以规范,在对广播、卫星测控、雷达造成干扰风险的同时，其自身也会受到大功率广播电视发射台的有害干扰，未来发展难以持续。

表5 我国SRD 和RFID 现有主要可用频段

3）传统的技术指标无法适应新需求。我国欠缺非授权频段广域物联网方面的深入研究，相关技术要求仍沿用多年前的指标，但随着LPWA 技术在无线抄表、环境监测、安防监控、地震监测、消防预警、智慧养老、智慧城市等方面的深入应用，传统的广域物联网频谱技术和管理已经无法适应物联网产业发展的要求。

4 物联网频率使用及管理模式建议

4.1 加快低功率广域物联网频率规划

结合我国频率规划和使用现状，加快研究800 MHz（821～824 /866～869 MHz）频段和900 MHz（920～925 MHz）频段用于LPWA 的可行性，发布低功率广域物联网频率规划征集意见稿，广泛征集相关产业链对频率规划和使用的意见建议，尽快形成确定的规划，以促进低功率广域物联网领域产业创新能力建设。

4.2 频率资源采用轻许可模式

对于低功率广域物联网频率资源建议采用轻许可模式。轻许可模式频率使用与ISM或SRD 频率类似，如频率的使用需保护授权频谱的使用，不应对其它授权无线电业务引起有害干扰，也不应要求其它无线电业务的保护，不能因任何设备功能而使其技术参数的限值超过规定。

4.3 推进物联网台站管理模式创新

由于低功率广域物联网（LPWAN）系统的网关（或基地台）最大发射功率可达到27 dBm 左右，虽然远低于公众移动通信、集群通信、DTT 等基站的发射功率，但也存在干扰其他临频或同频无线电设备的可能性。因此低功率广域物联网系统的网关或基地台不宜采用SRD 设备台站的管理模式，也不太适宜完全采用诸如公众移动通信、集群通信、DTT 等基站的管理模式，须创新台站管理模式。