物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對頻譜的需求分析

溫 豪，張 京

（國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041）

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的日新月異，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了新的解決方案，有助于提高工作效率，降低生產(chǎn)、管控成本，促進(jìn)項(xiàng)目按時保質(zhì)完成。但物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展對無線電頻譜資源的需求日益顯現(xiàn)，海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互干擾影響穩(wěn)定，面臨實(shí)際問題日趨顯著。

1 在中長距離無線接入網(wǎng)中的需求

物聯(lián)網(wǎng)除了需要短距離無線個域網(wǎng)的支持外，更離不開長距離無線接入網(wǎng)以支撐長距離傳輸業(yè)務(wù)的需求。長距離無線接入網(wǎng)絡(luò)包括無線廣域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)等。

無線廣域網(wǎng)（WWAN，Wireless Wide Area Network）代表移動聯(lián)通的無線網(wǎng)絡(luò)，特點(diǎn)傳輸距離<15km，傳輸速率大概3Mb/s，采用無線網(wǎng)絡(luò)把物理距離極為分散的局域網(wǎng)（LAN）連接起來的通信方式。

WWAN 連接地理范圍較大，常常是一個國家或是一個洲。其目的是為了讓分布較遠(yuǎn)的各局域網(wǎng)互連，它的結(jié)構(gòu)分為末端系統(tǒng)（兩端的用戶集合）和通信系統(tǒng)（中間鏈路）兩部分。IEEE802.20是WWAN 的重要標(biāo)準(zhǔn)，為了實(shí)現(xiàn)高速移動環(huán)境下的高速率數(shù)據(jù)傳輸，以彌補(bǔ)IEEE802.1x 協(xié)議族在移動性上的劣勢，頻段在3.5GHz。

廣域網(wǎng)通過室外無線網(wǎng)橋設(shè)備在各行各業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，例如，稅務(wù)系統(tǒng)采用無線網(wǎng)橋設(shè)備可實(shí)現(xiàn)各個稅務(wù)點(diǎn)、稅收部門和稅務(wù)局的無線聯(lián)網(wǎng)；電力系統(tǒng)采用無線網(wǎng)橋產(chǎn)品可以將分布于不同地區(qū)的各個變電站、電廠和電力局連接起來，實(shí)現(xiàn)信息交流和辦公自動化。教育系統(tǒng)可以通過無線接入設(shè)備在學(xué)生宿舍、圖書館和教學(xué)樓之間建立網(wǎng)絡(luò)連接。

無線城域網(wǎng)的推出是為了滿足日益增長的寬帶無線接入（BWA）的市場需求。采用IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，同時解決物理層環(huán)境（室外射頻傳輸）和QoS 兩方面的問題，以滿足BWA 和最后一公里接入市場的需要。IEEE 制定的兩種無線城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分別是：IEEE802.16/WiMAX 和802.20/ WBMA。

下一代局域網(wǎng)主要針對兩大應(yīng)用：一是要求高速數(shù)據(jù)傳輸以及QoS 保證的應(yīng)用（如無線4K 電視等）；二是為諸如大型企業(yè)或社區(qū)等高密度環(huán)境提供等同于有線網(wǎng)絡(luò)性能的應(yīng)用，采用IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)。幾種長距離無線接入網(wǎng)絡(luò)的頻譜比較如表1、2、3所示。

2 在短距離無線網(wǎng)絡(luò)中的需求

伴隨著以WLAN、Bluetooth、UWB、ZigBee、RFID 這些短距離無線技術(shù)的日益成熟，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用步伐不斷加快。無線通信技術(shù)不斷完善的同時與孤立的傳感網(wǎng)結(jié)合，成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最為關(guān)鍵的推動力和最為重要的組成部分，也成為智能控制和一系列行業(yè)信息化與智能化領(lǐng)域中的重要角色。

表1 3G/Wi-Fi/WiMax/MWBA對比表

表2 802.16標(biāo)準(zhǔn)頻譜使用表

表3 802.11標(biāo)準(zhǔn)頻譜使用表

表4 短距離無線通信技術(shù)對比表

物聯(lián)網(wǎng)對以Wi-Fi 為首的低功率、短距離無線接入應(yīng)用的頻譜需求與己有頻率資源之間存在很大差距。例如，我國在非授權(quán)的2.4GHz 和5.8GHz 頻段為Wi-Fi 分配了208.5MHz 頻率，與到2020年Wi-Fi 人與人通信所需的1500MHz 頻率尚存巨大缺口，如果加上物與物通信的頻譜需求，其頻率缺口更大。短距離通信技術(shù)的比較如表4所示。

3 不同發(fā)展階段物聯(lián)網(wǎng)頻譜的需求分析

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要經(jīng)歷三個階段，在不同發(fā)展階段中對頻譜的需求及應(yīng)用方式也有所差別。

第一階段為機(jī)器互聯(lián)階段，即M2M 業(yè)務(wù)階段。在此階段通信對象主要是機(jī)器設(shè)備，尚未擴(kuò)展到任何物品。通信過程中也以使用離散的終端節(jié)點(diǎn)為主。業(yè)務(wù)類型如汽車信息服務(wù)、車隊(duì)管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程計(jì)量等。對承載網(wǎng)而言，稱為混同承載階段，即直接采用現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)本身不作大的改動，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)基本不變。由于現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)不能區(qū)分人與人的通信，還是物與物的通信，主要通過終端側(cè)的配置以及對終端的管理來緩解網(wǎng)絡(luò)的壓力。因此，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)直接依托運(yùn)營商已有的2G、3G 或4G 網(wǎng)絡(luò)的頻率資源，頻譜矛盾不顯著。

第二階段為局域感知階段，在這個階段“物”的范圍不斷擴(kuò)大，傳感網(wǎng)逐步引入。雖然傳感網(wǎng)仍主要用作局域組網(wǎng)，但傳感網(wǎng)已被視為通信網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的延伸，與通信網(wǎng)成為一個整體。運(yùn)營商更加關(guān)注通信網(wǎng)絡(luò)與傳感網(wǎng)的融合，并通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)屏蔽傳感網(wǎng)的差異性，使異構(gòu)的傳感網(wǎng)之間、傳感網(wǎng)與通信網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。此階段對承載網(wǎng)而言，稱為區(qū)別承載階段（也稱混合組網(wǎng)方式）是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展中期，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)展對移動網(wǎng)絡(luò)資源（如號碼資源、傳輸資源乃至頻率資源）造成了較大壓力。這時需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部分改造，使得網(wǎng)絡(luò)能區(qū)分物與物的通信，從而采取不同的措施緩解網(wǎng)絡(luò)壓力，保證物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)質(zhì)量。在這個階段，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已有較大發(fā)展，通信業(yè)務(wù)量也有顯著增加，此時將對運(yùn)營商己有頻譜資源造成較大壓力。運(yùn)營商除在已有頻率中挖掘潛力為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)所用之外，應(yīng)積極尋求其它的頻譜資源，以緩解物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對頻譜的壓力。

第三階段是廣域感知階段，在這個階段傳感網(wǎng)開始廣域組網(wǎng)，遍布各處的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了全新的廣域網(wǎng)絡(luò)，并產(chǎn)生一些基于傳感網(wǎng)的公共節(jié)點(diǎn)，這些公共節(jié)點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)的基本組成部分，必然要實(shí)現(xiàn)廣域管理，比如遵循統(tǒng)一的通信協(xié)議、實(shí)現(xiàn)廣域?qū)ぶ返?。此階段對承載網(wǎng)而言，也稱為獨(dú)立承載階段。在獨(dú)立承載階段（也稱為獨(dú)立組網(wǎng)方式），物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展后，將出現(xiàn)大量對通信質(zhì)量要求較高的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，同時可能會產(chǎn)生通信相互干擾的問題。此時，應(yīng)考慮采用隔離（物理/邏輯）的網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)，比如建設(shè)獨(dú)立的接入網(wǎng)，在核心網(wǎng)中也劃分專門的互聯(lián)子網(wǎng)等方案解決。在此階段，由于LTE 及4G 業(yè)務(wù)已得到長足發(fā)展，原有及預(yù)測的頻譜將被大量占用，而5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用也進(jìn)入了蓬勃發(fā)展期，新的頻譜需求將十分迫切，頻譜資源的供需矛盾將更加尖銳。

4 結(jié)束語

本文從物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對頻譜的需求分析為切入點(diǎn)介紹了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與頻譜的關(guān)系，并具體分析了物聯(lián)網(wǎng)在中長距離無線接入網(wǎng)中的需求、在短距離無線網(wǎng)絡(luò)中的需求和不同發(fā)展階段物聯(lián)網(wǎng)頻譜的需求。