为什么说频谱资源是NB-IoT、LoRa的重要“阵地”?

无线电频谱成了低功耗广域网络技术明显的“阵地”,不同的“阵地”会形成不同的产业生态、商用成本,产生不同的商业模式。

近期,中国联通将于5月份实现NB-IoT基站规模超过30万个、基本可以做到全国覆盖的消息已不再是新闻。不过,部署网络所使用的无线电频谱规划成为业界关心的重点,800M和1.8G一直是中国联通困扰的一个因素。可以看出,无线电频谱资源在某种程度上起到一定的决定向作用。无线电频谱是移动通信信号传播的载体,作为无线通信的技术,能够使用的无线电频谱资源就是其阵地。我们熟悉的各类低功耗广域网络是无线通信的分支,业界对其分类一般都是按照授权频谱和非授权频谱分为两大阵营,频谱的“阵地”作用凸显。

授权与非授权频谱:稀缺性需要管理

无线电频谱是一个有限、不可再生的自然资源,也是国家宝贵的战略资源,因此各国对于无线电频谱有专门的管理机构,出台专门的政策法规,实现无线电频谱的统一规划管理。目前各国的频谱管理大多数采用固定频谱分配策略,即频谱资源由政府主管部门管理并分配给固定的授权用户,这样能够确保各用户之间避免过多相互干扰,更好利用频谱资源。目前频谱资源可分为两类:授权频谱(Licensed Spectrum)和非授权频谱(Unlicensed Spectrum)。

授权频谱受到严格的限制和保护,只允许授权用户及其符合规范的设备接入,而且用户要为此进行付费。目前,公安、铁路、民航、广电、电信等重要的部门均拥有一定的授权频谱,这些部门内设备的通信是运行在其授权频谱上的,尤其是电信行业,我们每天使用的手机就是通过运营商拥有的授权频谱来通信的,三大运营商都拥有国家无线电管理局授权的专用频段,保障公众移动通信不受干扰。

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非授权频谱是满足一定规范和标准的设备都可以接入和使用的频谱,但必须保证不对其他用户造成干扰。比较典型的是我们经常使用的WiFi、蓝牙就是通过非授权频谱进行传输。国际通信联盟无线电通信局曾定义过ISM(Industrial Scientific Medical)频段,主要是开放给工业、科学、医学三个机构使用,无需授权许可,当然也需要遵守一定的发射功率,并且不能对其它频段造成干扰即可。

基于无线电频谱的“阵地”

由3GPP推动的低功耗广域网络标准运行在授权频谱上,它瞄准了电信运营商对未来物联网市场的布局;而其他技术标准则是运行在非授权频谱上,即使脱离了电信运营商,其他企业和组织也可以采用其来建成一张专用于物联网的广覆盖的网络。

相应的,采用不同频谱的低功耗广域网络标准,其商用准入门槛差别很大,授权频谱技术的商用需要得到拥有授权频谱资源的运营商的支持,而运营商获取频谱资源时也花费了高昂的成本,不少国家政府通过竞价拍卖的方式授权无线电频谱的使用权。因为频谱越来越稀缺,其使用成本也居高不下。2015年,德国4G频谱拍卖,3家运营商付出超过50亿欧元的成本;今年4月,美国多家运营商为拍的600MHz频谱花费了总额为198亿美元的成本。我国对于移动通信使用的频谱主要采用行政审批,虽然无需运营商支付天价的费用,但这种行政审批的高门槛,让授权频谱的获取也形成了另一种昂贵的成本。2016年年底发布的修订后《中华人民共和国无线电管理条例》将拍卖引入到频谱资源分配制度中,未来将对运营商频谱获取成本产生巨大影响。虽然低功耗广域网络只占据非常少的频谱资源,但计算下来这少量的频谱资源成本也不低。

而那些基于非授权频谱的标准,只要符合各国无线电管理机构的相关规定,均可以使用公共频谱而无需支付高额的频谱成本,因此整个进入门槛大大降低。非授权频谱具有一定的“非排他”的性质,无怪乎近年来全球会产生大量的基于非授权频谱的低功耗广域网络技术,而每一项技术在频谱使用面前机会都是均等的,而且可以按需形成非常灵活的部署方式。

无线电频谱成了低功耗广域网络技术明显的“阵地”,不同的“阵地”会形成不同的产业生态、商用成本,产生不同的商业模式。例如,显而易见的是授权频谱技术由于采用专用频段、运营商统一部署,会有电信级的安全性、干扰小的特点,可以形成全网覆盖和运营,而非授权频谱则要专门处理同频干扰的问题,在很多地区定位于企业级专网。

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无线电频谱作为“阵地”还有另一方面的特点,低功耗广域网络要达到广覆盖、低成本等特点,大部分需要部署在Sub 1GHz频段上,而且频段越低效果越好。这是由于电磁波的特性,频率越高,虽然能量越大(即承载的信息量大,网络传输速度更快),定向性越强,但衍射散射能力越弱,就是俗称的穿墙能力越弱,比如,我们了解光纤比Wi-Fi快,但是光纤方向固定,只能在玻璃纤维内,而Wi-Fi是可以散射到四面八方的。低功耗广域网络无需承载更多信息的大能量、高传输速率,但要达到相对于传统蜂窝网络更好的覆盖效果,部署在低频段,提升衍射散射能力就非常重要了。

坚守“阵地”:各利益主体的博弈

涉及到物联网网络部署、运营、解决方案的各类参与方,无线电频谱“阵地”的作用非常明显。

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2018年初,针对工信部无线电管理局出台的《征求意见稿》,产业界掀起了轩然大波,成为本年度物联网领域新年第一事件。众所周知,该事件源于《征求意见稿》对470-510MHz无线电频谱使用的管制,对使用非授权频谱网络的厂商和整个产业可能产生负面影响。这一事件可以看出,和通信行业类似,物联网的监管的一个重要手段就是围绕频谱“阵地”展开,公用频段虽然无需获得牌照和拍卖,但由于物联网碎片化和灵活性的原因,非授权频谱的稀缺性更加明显,规范化、合理配置资源是监管部门亟待解决的问题。

各家运营商NB-IoT网络的部署过程中,无线电频谱“阵地”的作用也非常明显。

中国电信于2017年5月份完成了全国31万个NB-IoT基站升级,就是基于其拥有的800MHz优质频段,能够快速领先于其他两家运营商开展商用。实际上,此前中国电信在其低频段800 MHz网络主要承载2G、3G业务,2016年工信部发文同意中国电信在800MHz频段开展LTE组网,到2017年7月,中国电信完成了800M重耕,建成基站数量达到105万,是国内第一张低频段上建设的LTE网络,并在这一“黄金频段”上实现30万个NB-IoT基站升级。众所周知,800MHz具有更高的覆盖效率和更强的穿透性,使用较少的基础设施投资,可实现较好的效果,因此频谱方面的优势已成为中国电信在物联网领域的核心优势之一。

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同样,频谱资源掣肘也给中国移动和中国联通带来一定的困扰。

业内一致认为,中国联通NB-IoT网络商用进展相对慢,其中一个主要原因是受限于其频谱资源。2016年,工信部无函【2016】194号文同意中国联通在上海、江苏、浙江、安徽等14个省市,针对900MHz频段开展LTE FDD技术试验。不过,虽然有了政策的支持,但中国联通可以使用的频段为:909-915MHz(终端发)/954-960MHz(基站发),也就是说在900MHz频段上只有6M带宽,基于该频段上LTE网络升级NB-IoT的话,带宽资源紧张。所以,中国联通在NB-IoT商用初期考虑在900M和1800M上进行混合组网。目前,中国联通已经明确5月份将开通30万NB-IoT基站,其中主力推进900M部署,并以1800M作为补充覆盖。而且,今年4月初,工信部发文要求中国移动加快900MHz频段的腾退工作,并将904-909/949-954MHz的2*5MHz频率资源分配至中国联通,这一要求也给中国联通开辟了一块新的“阵地”。

中国移动在900 MHz频段主要部署2G网络,虽然带宽有24 MHz,但由于没有FDD网络基础,初期没有获得监管机构的许可进行频谱重耕,因此无法进行规模化部署。不过,2017年6月,工信部发布公告中指出:“在已分配的GSM或FDD方式的IMT系统频段上,电信运营商可根据需要选择带内工作模式、保护带工作模式、独立工作模式部署NB-IoT系统。频率使用有效期与相应频段的公众移动通信系统频率有效期一致。”这一许可意味着,没有FDD牌照的中国移动可以在其GSM网络频段上部署NB-IoT了。因此,2017年下半年开始,中国移动在NB-IoT方面的动作越来越多,包括超过400亿的网络设备建设采购、发布NB-IoT套餐、提供10亿元模组补贴等,可以说是在具备了频谱“阵地”基础上,在很大程度上给其铺平了道路。

过去的几年中,物联网的发展更多是基于市场化的自发性行为,而随着产业规模的扩大,2018年已成为物联网监管的“分水岭”,未来针对物联网市场的相关监管政策会相继出台。作为稀缺资源的无线电频谱,将是监管部门核心关注的领域,期待在监管政策逐渐明晰的情况下,物联网频谱“阵地”也会形成一个明晰的格局。

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