基于IEEE 802.11ah協(xié)議的物聯(lián)網1GHz以下候選頻段分析

李明明，錢肇鈞

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

1 引言

2012年6月ITU-T通過的Y.2060[1]建議書，將物聯(lián)網定義為：“物聯(lián)網是信息社會的一個全球基礎設施，它基于現(xiàn)有和未來可互操作的信息和通信技術，通過物理的和虛擬的物物相聯(lián)，來提供更好的服務”。它包含兩個含義：第一，物聯(lián)網的核心和基礎仍然是互聯(lián)網，是在互聯(lián)網基礎之上的延伸和擴展；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網是通過射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。

作為新一代信息技術產業(yè)的重要組成部分，物聯(lián)網在各國的發(fā)展均得到了充分的重視。2008年以來，美、日、韓和歐盟均已針對垂直行業(yè)的應用，推廣M2M業(yè)務。不論這些國家或聯(lián)盟有無國家層面的物聯(lián)網戰(zhàn)略規(guī)劃，但他們憑借在底層芯片、軟件、高端應用集成等領域的技術優(yōu)勢，通過龍頭企業(yè)和基礎性行業(yè)的物聯(lián)網應用，已逐漸打造出相對實力較強的物聯(lián)網產業(yè)，并通過政府和企業(yè)一系列戰(zhàn)略布局，不斷擴展和提升產業(yè)國際競爭力。我國為加快推進物聯(lián)網有序健康發(fā)展，國家發(fā)改委、工信部、科技部、教育部、國家標準委聯(lián)合物聯(lián)網發(fā)展部際聯(lián)席會議相關成員單位，也按照國務院會議精神及《關于推進物聯(lián)網有序健康發(fā)展的指導意見》（國發(fā)〔2013〕7號）[2]要求，制定了頂層設計、標準制定、技術研發(fā)、應用推廣等10個物聯(lián)網發(fā)展相關的專項行動計劃。

未來，物聯(lián)網與已有廣泛應用的傳感器網絡將會以一系列ICT創(chuàng)新為基礎，建立一個泛在社會。而無線通信技術是這個泛在社會不可或缺的載體，這都讓人思考：物聯(lián)網到底需要怎樣的無線通信技術革新？為什么IEEE要針對物聯(lián)網無線通信設立專門的802.11ah標準而不沿用之前的IEEE802.11標準？物聯(lián)網業(yè)務應該使用什么樣的無線電頻譜資源？第一個問題是一個開放且發(fā)展的問題，雖然ITU-T Y.2061[3]，Y.2080[4]等建議書對這個問題已進行了初步回答，但這個答案仍會雖然時間、應用場景、技術發(fā)展等有所變化。本文主要討論第二個問題。

2 物聯(lián)網新標準IEEE 802.11ah

發(fā)展物聯(lián)網首先要解決標準問題，缺失統(tǒng)一標準，會導致出現(xiàn)物聯(lián)網產品創(chuàng)新慢、業(yè)務成本高、服務質量差等突出問題。

802.11 系列協(xié)議是國際電工電子工程學會（IEEE）為無線局域網絡（WLAN）制定的標準。從1997年至今，該協(xié)議族已經發(fā)布（或正在制定）的802.11標準達到20余項，涉及物理層增強技術、服務質量（QoS）保證、業(yè)務支撐能力、安全管控機制、組網方式、網絡管理、使用頻段與其他網絡的兼容及融合等多方面技術內容，初步構建了一套WLAN技術標準體系。但是，以往的IEEE 802.11系列標準若用于物聯(lián)網領域則存在以下問題：

⊙ 最初版本的IEEE 802.11協(xié)議未將網絡節(jié)點的功耗考慮進去，因而不能為物物相連的泛在世界提供綠色節(jié)能的保障；

⊙ 目前廣泛應用的802.11標準主要用在2.4GHz和5GHz頻段，這兩段免執(zhí)照頻段的傳播特性決定了物聯(lián)網節(jié)點不適合在兩個頻段內做超大規(guī)模、遠距離室外部署。

為了滿足物聯(lián)網各種業(yè)務發(fā)展的需求，IEEE啟動了面向物聯(lián)網應用的1GHz以下低頻段WLAN標準802.11ah的制定。802.11ah可以作為物聯(lián)網新的協(xié)議標準，首先，因為其在物理層使用OFDM技術，有增強型的IEEE802.11 MAC層技術匹配其物理層技術，并提供相應的機制以支持其與802.15.4以及802.15.4g的共存。其設計的目的是將廣泛用于5GHz和2.4GHz頻段的WLAN協(xié)議向更低的ISM頻段遷移，以保障室外接入時更大的網絡覆蓋，并以低功耗、低、中速率等特點支持多用戶。其次，使用Sub 1GHz頻段的802.11ah協(xié)議，因其自身的技術優(yōu)勢和低頻段資源優(yōu)勢，可以在智能電網、智能農業(yè)與環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)自動化、視頻監(jiān)控、樓宇自動化、智能醫(yī)療領域廣泛應用。因此，自2010年4月IEEE專門成立SGah工作組以來，即受到了國、內外主流公司的積極關注。隨著各國提案的逐步提交及討論，至2013年中旬，802.11ah已進入標準草案制定階段，預計2015年，基于802.11ah協(xié)議的芯片和系統(tǒng)將逐步投入市場，而正式標準將于2016年發(fā)布。

3 國際ISM頻段的劃分和使用情況

物聯(lián)網發(fā)展要解決的最大困難就是頻譜資源問題。要實現(xiàn)一個完全互聯(lián)互通的物聯(lián)網世界，1GHz以下頻譜資源是保障更大網絡覆蓋的關鍵因素。

3.1 國際ISM頻段的劃分情況

ISM頻段是由ITU-R在無線電規(guī)則[5]第一章第一條里定義，主要開放給工業(yè)、科學、醫(yī)學三個主要機構使用的免授權頻段。在無線電規(guī)則的5.138，5.280，5.150腳注里規(guī)定了ISM頻段所包含的頻段范圍，見表1。并在第四章第15條15.13款里定義了工業(yè)、科學和醫(yī)療所用設備產生的干擾。使用ISM頻段時，需要保證設備的發(fā)射功率不能過大（一般低于1W），并且不能對其他頻段造成干擾。

表1 ISM頻段國際劃分表

3.2 美國Sub 1GHz ISM頻段劃分及使用情況

雖然ITU-R做了上述規(guī)定，但在ISM頻段在不同的國家里規(guī)定并不統(tǒng)一。在美國，根據(jù)美國聯(lián)邦無線電頻率劃分表（FCC Rules & Regulations）part 18[5]的規(guī)定，工科醫(yī)設備可以使用9kHz以上，除用于安全、搜救和救援業(yè)務的490-510kHz，2170-2194kHz，8354-8374kHz，121.4-121.6MHz，156.7-156.9MHz，242.8-243.2MHz等頻段外的任何頻段。美國已經分配的Sub 1GHz ISM頻段、頻率容限及使用限制見表2。

表2 美國Sub 1GHz ISM頻段規(guī)劃及使用情況

915 MHz ±13.0 MHz按美國聯(lián)邦無線電頻率劃分表（eCFR）part 15§15.243、§15.245、§15.247、§15.249小節(jié)使用。按30米處距離計，任何發(fā)射的帶內場強不得超過500微伏/米。帶外發(fā)射的限值按3米處距離處，不得超過200微伏/米計算。若用于場強擾動感測器設備，按3米處距離處，發(fā)射的帶內場強不得超過500微伏/米，有害發(fā)射場強按3米處距離處不得超過1.6微伏/米計算，帶外發(fā)射的限值按3米處距離處，不得超過200微伏/米。若該頻段用于跳頻，跳頻信道的20dB占用帶寬小于250kHz，系統(tǒng)使用50跳，在一個20秒的周期內，平均每個頻帶占用時間長度小于0.4秒。如若跳頻信道的20dB占用帶寬大于等于250kHz，則在一個10秒的周期內，平均每個頻帶占用時間長度小于0.4秒。最大的跳頻信道的20dB占用帶寬為500kHz?！?5.249規(guī)定了故意輻射裝置的使用限值

根據(jù)美國現(xiàn)有的劃分，表2中可以作為公眾移動通信系統(tǒng)免執(zhí)照使用的1GHz以下的頻段為902-928MHz，該頻段的頻帶寬度為26MHz。根據(jù)FCC發(fā)布的美國聯(lián)邦無線電頻率劃分表，圖1描述了902-928MHz頻段在美國的使用情況：目前已經規(guī)劃的主要業(yè)務是定位和監(jiān)測業(yè)務以及業(yè)余無線電。其中定位和監(jiān)測業(yè)務有兩種：多點定位系統(tǒng)和非多點定位系統(tǒng)。多點定位系統(tǒng)用在大區(qū)域范圍內跟蹤和定位對象；非多點定位系統(tǒng)通過特定位置與對象進行數(shù)據(jù)交互（比如自動收費或者有軌汽車）。而且，LMS需要忍受其他次要業(yè)務的干擾。目前，這兩種業(yè)務均有多張在使用的執(zhí)照，但實際上該頻段內并不存在多點定位系統(tǒng)，因該類系統(tǒng)一直未投入生產和使用。

圖1 902-928MHz頻段在美國的使用情況

3.3 歐盟Sub 1GHz ISM頻段劃分及使用情況

根據(jù)ECC于2013年10月通過的歐洲無線電頻率劃分表[7]，歐洲已經分配的ISM頻段、劃分及使用限制見表3。

表3 歐洲Sub 1GHz ISM頻段規(guī)劃及使用情況

在歐洲，表3所示的ISM頻段無法滿足1GHz以下適用于IEEE 802.11ah的劃分，但IEEE 802.11ah協(xié)議是作為物聯(lián)網新協(xié)議標準，其預構建低功耗、低、中速率的廣覆蓋網絡。所以，在歐洲可以根據(jù)CEPT建議書[8]及[9]按照短距離微功率設備的限值給出IEEE 802.11ah適用的頻段為862-870MHz，共8MHz。文獻[10]給出了CEPT關于此頻段現(xiàn)行及未來的規(guī)劃使用方案。具體的使用情況請見圖2。

圖2 862-870 MHz頻段在歐洲的使用情況

3.4 我國Sub 1GHz ISM頻段劃分及規(guī)劃情況

我國ISM頻段的劃分情況可以參見《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》[11]的兩條腳注5.138和5.150。我國于2005年發(fā)布的信部無〔2005〕423號文[12]，對微功率（短距離）無線電設備的發(fā)射限值做了相關規(guī)定，這里不再贅述。工業(yè)與信息化部電信研究院于2011年提交給IEEE SGah工作組的文稿[13]詳細分析了我國Sub 1GHz可能適用于IEEE 802.11ah的頻段見表4。

表4 我國Sub 1GHz ISM頻段可能規(guī)劃

4 基于IEEE 802.11ah協(xié)議的物聯(lián)網Sub 1GHz頻段可能的規(guī)劃情況

根據(jù)各國對于IEEE SGah工作組的建議，我們總結了各國當前Sub 1GHz可能適用于IEEE 802.11ah的頻段，并根據(jù)這些頻段的使用限制在以下地區(qū)制定了可能適用于IEEE 802.11ah的候選頻段建議，見表5。

表5 基于802.11ah的物聯(lián)網可能的候選頻段

尋找合適的頻譜是技術標準化以及產業(yè)化的前提條件。究竟表5中的頻譜是否就是802.11ah適用的頻譜，還需要基于802.11ah物聯(lián)網應用場景及典型業(yè)務特征分析物聯(lián)網頻譜需求，并根據(jù)802.11ah典型場景，完成候選頻段的相關共存研究以支撐未來基于802.11ah的物聯(lián)網技術、應用和產業(yè)發(fā)展。國內相關單位應更積極地參與到802.11ah相關標準化工作中來，以支撐我國在802.11ah的技術研發(fā)、標準化和產業(yè)化工作方面掌控話語權。

[1] ITU-T: Y.2006. Overview of Internet of Things. Rev.1, 2012.

[2] 國務院關于推進物聯(lián)網有序健康發(fā)展的指導意見.國發(fā)〔2013〕7號，2013年2月17日.http://www.gov.cn/zwgk/2013-02/17/content_2333141.htm.

[3] ITU-T: Y.2061. Requirements for the support of machine-oriented communication applications in the next generation network environment.2012.

[4] ITU-T: Y.2080. Functional architecture for distributed service networking.2012.

[5] ITU-R: Radio Regulations. Edition of 2012, 2012.

[6] FCC。The FCCs rules and regulations：Title 47 of the Code of Federal Regulations. April 22, 2014, http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID=17c 7ed468e37b7658051032071ee9254&node=47:1.0.1.1.16&rgn=div5.

[7] ECC. The European Table of Frequency Allocations and Applications in the Frequency Range 8.3 kHz to 3000 GHz. October, 2013.

[8] CEPT. ERC RECOMMENDATION 70-03: Relating to the Use of Short Range Devices (SRD). 2011.

[9] CEPT. ETSI EN 300 220-1:Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM);Short Range Devices (SRD);Radio equipment to be used in the 25 MHz to 1 000 MHz frequency range with power levels ranging up to 500mW; Part 1: Technical characteristics and test methods.V2.3.1, 2010.

[10] CEPT. ECC Report11：Strategic Plans for the Future Use of the Frequency Bands 862-870 MHz and 2400-2483.5 MHz for Short Range Devices, May 2002.

[11] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部令第26號《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》，2013年11月5日.

[12] 《關于發(fā)布〈微功率（短距離）無線電設備的技術要求〉的通知》（信部無〔2005〕423號）.

[13] IEEE. S1G Spectrum Regulations in China, 18th, July, 2011. https://mentor.ieee.org/802.11/documents?is_group=00ah.