蜂窝物联网频率使用与干扰分析

孙震强　朱雪田　张光辉　赵冬

为了分析蜂窝物联网频率的使用及干扰问题，首先对LPWA应用的多种技术体制进行了对比，重点讨论了基于蜂窝网络的NB-IoT技术应用涉及的干扰问题，同时结合国内外物联网频谱规划及使用情况，分析了我国广域物联网的可用频谱资源形势，最后对后续的频谱规划及管理提出了建议。

LPWA NB-IoT 干扰协调 频谱规划

1 引言

移动通信的发展已逐渐由人人连接扩展到人物、物物连接，物联网已渗透到工业、农业、医疗、社会服务等各个行业应用中，并上升为服务国家建设的战略层面。从全球范围内来看，各大主要经济体，包括美国、欧盟、日韩、中国均从国家战略层面推动物联网发展。我国在《物联网“十二五”规划》中强调，智能工业、智能安防、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能医疗和智能家居九大应用将得到重点发展，并建立重点应用示范工程，以带动规模化发展，“十三五”期间要促进大数据、云计算、物联网的广泛应用。据IDC预测，到2020年全球将有250亿个物联网装置入网，上述几大垂直行业的物联网应用市场存在着巨大的价值挖掘空间，基于蜂窝的移动通信网络具有无处不在的覆盖优势，在物联市场蕴含着移动通信运营商可拓展的巨大蓝海。

区别于传统的短距离微功率物联网技术，为了满足无处不在的物联网智能化应用， LPWA（Low Power and Large Area，低功耗、广覆盖）作为典型的物联网应用场景之一，广域物联的应用需求催生了LoRa、Sigfox、NB-IoT、eMTC等多种可提供广域覆盖的物联网新技术，随着广域物联规模产业的推进、芯片及制造业技术能力的提升，相关产业生态环境快速成熟、设备成本大幅降低。

技术应用，频谱先行。传统的物联网技术如蓝牙、Zigbee等技术的可用频谱主要是规划给短距离微功率设备使用的非授权频谱。对于LPWA技术而言，其网络覆盖能力与移动蜂窝网络相当，甚至更强，如何规避LPWA与其他系统的互干扰问题、实现频谱资源的有效利用，是LPWA物联网技术得以广泛应用需要解决的首要问题。与此同时，为了满足某些特殊的垂直行业应用需求，是否需要为广域物联业务规划专网频率，以及如何对专网频率进行合理有效地管理，本文将对以上问题进行系统分析。

2 物联网技术体制及频率规划情况

物联网业务种类繁多，从覆盖及速率两个维度来看，可将物联网业务大致分为四大类（如图1所示），即短距高速、短距低速、长距高速和长距低速。传统的物联网业务应用场景主要以信息收集、状态跟踪为主，对速率的要求往往不高，因此以蓝牙、Zigbee、Z-Wave等为代表的短距低速技术以其较为完善的技术成熟度和低廉的设备成本价格在当前的物联网市场中占据主导地位。而基于蜂窝网络的广域物联技术，受限于2G/3G/4G设备成本高等诸多因素，在物联网市场应用有限。

近年来，随着全球各国逐渐将物联网上升到国家战略高度，在万物互联的业务驱动下，LPWA（低功耗、广覆盖）广域物联技术的发展越来越受到重视，催生出一些列新的技术体制。其中Sigfox、LoRa技术商用时间相对较早，为满足广域物联市场发展初期的垂直行业应用需求，此类技术在部分国家和地区（如法国、韩国等）实现了规模部署。2013年Semtech公司开发了LoRa技术，并成立了LoRa联盟，截止2016年底LoRa已在全球17个国家商用部署，覆盖150个城市，会员达400个。Sigfox宣称目前已经在法国、西班牙、荷兰、英国等24个国家建网。由于LoRa和Sigfox技术主要是利用免许可频谱实现物联网的部署和运营，其在网络安全性及可靠性方面存在固有缺陷，因此其市场定位主要面向对于可靠性、安全性等要求不敏感，并要求迅速实现定制化服务的企业级应用。与此同时，传统移动通信设备商和运营商正在积极加快基于蜂窝网络的电信级物联网技术标准的制定，快速融入LPWA市场。3GPP在2015年先后启动了eMTC和NB-IoT的標准制定工作，并快速推进。其中NB-IoT针对LPWA广覆盖、低成本、低功耗、大连接特性进行了专门设计，面向特定的对时延不感的小数据包业务，相对其他LPWA技术性能优势更为明显。表1对典型的LPWA技术特征与网络性能进行了对比，基于蜂窝网络的物联网技术在覆盖、容量、吞吐量等性能上优势明显，此外无需新建网络，通过对LTE现网升级即可支持，并使用授权频段，可为物联网应用提供电信级业务保障。

在频率规划方面，几种典型的物联网技术在国内外的频率规划情况如表2所示，可见针对短距离微功率设备使用的物联网技术，国内外已经有专用频率划分。而对于Sigfox和LoRa技术应用，目前国内的可用频段主要是1 GHz以上的非授权频段，1 GHz以下没有明确的频率规划。而基于蜂窝网络的NB-IoT和eMTC与LTE网络紧耦合，可以使用LTE公网频率，如国内现有的800M/900M LTE频段具有较好的覆盖性能，可充分满足物联网广覆盖、大连接的应用需求，同时全球产业链成熟，易形成规模效应。

3 蜂窝物联网的干扰问题

面向广域覆盖的物联网市场需求，基于蜂窝网络的LPWA技术可利用LTE已有的成熟产业链及全球规模部署优势提供无处不在的物联网服务。在运营商及厂商的推动下，基于现有的LTE技术体制，3GPP在R13阶段快速推进NB-IoT和eMTC的标准制定。特别的，为了进一步提升覆盖、降低设备成本及功耗，3GPP对NB-IoT技术进行了特殊设计，同时为了适配不同运营商自身网络及资源特点，提出了LTE带内、LTE保护带以及独立载波三种工作模式，如图2所示：

（1）带内模式：利用LTE载波带宽内的PRB资源块。

（2）保护带模式：利用LTE载波保护带内未使用的资源块。

（3）独立模式：利用当前被其他系统使用、可以部分重耕的频谱，如一个或多个GSM载波，以及可能用于部署IoT的零散频谱。

在NB-IoT網络部署时，需要根据不同的模式选择考虑潜在的干扰问题。NB-IoT single-tone上行有3.75 kHz和15 kHz两种子载波间隔配置，而3.75 kHz与LTE 15 kHz子载波不正交，因此对于带内、保护带工作模式下的NB-IoT，主要考虑NB-IoT single-tone 3.75 kHz与LTE系统间的干扰问题。一般情况下，可通过预留PRB作为保护带，或者通过NB-IoT子载波调度算法来规避NB-IoT与LTE系统间的干扰。若NB-IoT网络上行同时存在single-tone 3.75 kHz和15 kHz两种配置，还需考虑3.75 kHz与15 kHz终端间干扰问题。此外，带内、保护带工作模式下的NB-IoT，其载波配置在LTE系统带宽内，3GPP规定NB-IoT基本可重用LTE的带外射频指标，因此带内、保护带工作模式下的NB-IoT不会对邻频其他系统带来额外的干扰问题。

对于独立工作模式下的NB-IoT，系统配置灵活，组网可相对独立，因此独立工作模式的NB-IoT需要考虑与邻频系统如GSM、UMTS、CDMA和LTE等系统间的干扰问题。3GPP基于干扰共存研究，为独立工作模式下的NB-IoT制定了一套完整的射频指标要求，并在R13 TS 36.101、TS 36.104规范中发布，其中关于独立模式下NB-IoT与其他系统邻频条件下的保护带要求做了评估和限定[1-2]，如表3所示：

4 关于我国物联网专网频率规划的考虑

根据第2章我国物联网现有频率规划情况可知，目前已有的物联网频率规划可分为授权频率及免授权频率两种，授权频率又可进一步被划分为专网授权频率与公网授权频率。对于免授权频率（如ISM频段），采用免执照管理，自身业务不受干扰保护，且不得对其他设备造成干扰，必要时还要求配合采用干扰消除技术（如DFS、LBT等）。由此可见，面向广域物联应用的LPWA系统应重点考虑使用授权频率，采用免授权频段很难实现规模部署和应用，不仅无法保证业务能力，也很难实现与其他系统或设备的干扰协调。

目前3GPP已经针对广域物联应用完成了NB-IoT的标准制定，相关产业链快速成熟，2017年即可具备商用部署的条件。移动通信运营商可利用公网现网的覆盖优势，使用LTE授权频谱，通过设备升级快速实现网络对广域物联网业务的支持，并保证业务使用的有效性及安全性，大大节省网络建设、规划和运维投资成本。此外，针对有特定需求的工业物联网业务，可考虑采用专用授权频率的规划及管理方式，在保证业务质量的同时也便于协调管理。据悉，目前国家主管部门正在考虑在1 GHz以下低频为NB-IoT规划专网频率，由于我国1 GHz以下低频各种业务应用非常拥挤，800M/900M也是目前IMT公网广覆盖的重要频段，因此在物联网专网频率规划时需要兼顾物联网与其他业务系统间的干扰协调，规避潜在的干扰风险。

5 结束语

物联网市场在未来几年将呈现出快速增长的趋势，同时业务应用形式及需求也将多种多样，这必然导致多种技术体制并存。本文针对LPWA应用场景下几种典型的技术体制及频谱形势进行了对比分析，基于移动蜂窝网络的物联网技术（如NB-IoT）凭借其天然的网络及资源优势将在广域物联应用市场中扮演重要的角色。与此同时，由于LPWA业务对网络覆盖能力要求较高，与其他系统的干扰协调问题就显得尤为重要，建议在频率监管层面对物联网频谱，特别是低频频谱资源进行合理的频谱规划，采用有效的频谱管理机制，为物联网产业的健康发展构造良好的环境。

参考文献：

[1] TR 36 802. Technical Report for BS and UE Radio Transmission and Reception[S]. 2016.

[2] TR 36 752. Study on NB-IoT RF Requirement for Coexistence with CDMA[S]. 2016.

[3] TS 36 104. Base Station （BS） Radio Transmission and Reception[S]. 2010.

[4] TS 36 101. User Equipment （UE） Radio Transmission and Reception[S]. 2011.

[5] RP-151621. New Work Item： NarrowBand IoT （NB-IoT）， 3GPP RAN#69[R]. 2015.

[6] RP-152284. Revised WID： Core part： Narrowband Internet of Things， 3GPP RAN#70[R]. 2015.

[7] RP-160656. Revised WID： Narrowband IoT （NB-IoT）， 3GPP RAN#71[R]. 2016.

[8] R1-160090. NB-IoT-System capacity comparison of 3.75 and 15 kHz subcarrier spacing for PUSCH[R]. 2015.

[9] 3GPP RAN1. NB-IoT Ad Hoc[R]. 2016.

[10] RP-161187. New SI proposal： Study on NB-IoT RF Requirement for Coexistence with CDMA， 3GPP RAN4#72[R]. 2016.

[11] R4-166994. WF on Simulation Assumptions and Methodology for the Co-existecne Study between CDMA and NB-IoT， 3GPP RAN4#80[R]. 2016. ★