物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與無(wú)線電頻譜資源的需求分析

陳又琦

摘要：物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，離不開(kāi)無(wú)線電頻譜資源，本文以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)作為切入口，分析物聯(lián)網(wǎng)以及與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展的頻譜資源需求，并對(duì)科學(xué)開(kāi)發(fā)無(wú)線電頻譜資源進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線電頻譜資源

中圖分類號(hào)：U116 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-7973（2016）06-0034-02

1.概述

當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息通信技術(shù)，正在全球范圍內(nèi)掀起新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)與寬帶移動(dòng)通信、制造技術(shù)、新能源、新材料等其他產(chǎn)業(yè)技術(shù)融合，逐漸由“概念”形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，無(wú)線技術(shù)成為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入、信息傳輸最主要方式，隨之物聯(lián)網(wǎng)對(duì)無(wú)線頻譜資源的需求日益增大，而物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大量的無(wú)線電設(shè)備在同一時(shí)間、同一區(qū)域內(nèi)使用，電磁環(huán)境變得異常復(fù)雜。本文將針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中與無(wú)線頻譜資源相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行討論。

2.物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。感知層位于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的底層，用于對(duì)“物”的識(shí)別和感知。智能器件從物理世界中獲得“物”的信息數(shù)據(jù)獲取，為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上層提供識(shí)別、感知的數(shù)據(jù)來(lái)源。由感知器件攜帶的通信模塊，將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層（層2）。網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，主要功能是傳遞數(shù)據(jù)、路由選擇和控制管理。與一般通信系統(tǒng)類似，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸分公網(wǎng)和專網(wǎng)。利用運(yùn)營(yíng)商互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等公網(wǎng)進(jìn)行傳輸，節(jié)約了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)搭建成本，廠商只需要部署各自的感知層器件，及各自應(yīng)用層服務(wù)器平臺(tái)，即可運(yùn)營(yíng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。應(yīng)用層處于三層結(jié)構(gòu)的頂端，由物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、及信息處理、應(yīng)用集成等功能的基礎(chǔ)設(shè)施組成。

3.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與無(wú)線頻譜資源需求分析

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是基于傳感網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信等信息技術(shù)，經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，將所需元素整合而成，其關(guān)鍵支撐技術(shù)主要有：架構(gòu)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件服務(wù)于算法、功率與能量存儲(chǔ)、安全與隱私技術(shù)等。與無(wú)線電通信及頻譜資源相關(guān)的技術(shù)有：短距離無(wú)線通信，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的大數(shù)據(jù)和云計(jì)算平臺(tái)。

3.1短距離無(wú)線通信

物聯(lián)網(wǎng)信息從感知層節(jié)點(diǎn)到服務(wù)器“端到端”的傳輸，需要物聯(lián)網(wǎng)底層（感知層）節(jié)點(diǎn)通過(guò)“多跳”的方式“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的將信息傳送至感知層接口，由接口轉(zhuǎn)發(fā)向上層傳輸。短距離無(wú)線通信是解決物聯(lián)網(wǎng)底層節(jié)點(diǎn)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信的技術(shù)，短距離無(wú)線通信由于覆蓋范圍較小、功率較低，對(duì)無(wú)線環(huán)境造成干擾較小。

以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為例，其由一定數(shù)量攜帶傳感器和通信模塊的節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線“多跳”的方式進(jìn)行通信。部署的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)感知環(huán)境，將監(jiān)測(cè)信息報(bào)告給匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)往網(wǎng)絡(luò)側(cè)傳輸。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)使用Zigbee、藍(lán)牙、WiFi較多。Zigbee是基于IEEE 802.15.4的短距離、低功耗通信協(xié)議，可工作在三個(gè)頻段868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz，其中2.4GHz頻段是全世界通用、免費(fèi)的無(wú)線電頻段；藍(lán)牙協(xié)議最大特點(diǎn)是支持低功耗模式，采用調(diào)頻技術(shù)，通信頻段為2.402GHz-2.480GHz，也是全球免費(fèi)無(wú)線電頻段。無(wú)線局域網(wǎng)（WiFi）IEEE 802.11由于傳輸速率較高物聯(lián)網(wǎng)感知層，2016年WiFi聯(lián)盟最新公布的802.11ah標(biāo)準(zhǔn)將采用1GHz以下頻段，實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸，改善了信號(hào)易受建筑物阻礙而影響傳輸距離和覆蓋范圍的問(wèn)題。

3.2大數(shù)據(jù)、云計(jì)算平臺(tái)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

3.2.1物聯(lián)網(wǎng)信息的云端匯聚與接收

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)質(zhì)是將物理世界的感知轉(zhuǎn)變成有意義的可視性信息，再通過(guò)網(wǎng)頁(yè)、軟件客戶端、移動(dòng)客戶端等應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行展現(xiàn)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通過(guò)與云端開(kāi)發(fā)接口會(huì)話，讀取云端信息。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)通過(guò)開(kāi)放公共信息接口，利用公共信息接口協(xié)議，即可進(jìn)行相關(guān)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)端的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

3.2.2海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及其傳輸

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、海量、顆粒性和碎片化等特點(diǎn)，大數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息屬性之一，當(dāng)前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有能力將海量數(shù)據(jù)從感知層傳送至互聯(lián)網(wǎng)云處理，而作為網(wǎng)絡(luò)層接入側(cè)的移動(dòng)通信頻譜資源，成為數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。根據(jù)香農(nóng)定律，傳輸速率和頻譜帶寬成正比，如表1所示，運(yùn)營(yíng)商2/3/4G通信技術(shù)的演進(jìn)方向也呈現(xiàn)高速化、寬帶化等特點(diǎn)，而利用移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，上行單終端峰值速率成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方關(guān)注的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的移動(dòng)通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下行數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于上行數(shù)據(jù)量，上行業(yè)務(wù)由于終端功耗和芯片等限制，在發(fā)射功率和編碼效率方面受限。

隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，對(duì)于更注重上行業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，將會(huì)影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改造方向使之更適合物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸。對(duì)于下一代移動(dòng)通信研究方向，也會(huì)考慮新型信息產(chǎn)業(yè)的因素，將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特性作為網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)考慮方向之一。

3.2.3物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸及與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)融合

物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的傳輸依靠通信網(wǎng)管道，而感知層匯聚節(jié)點(diǎn)由于位置往往不固定，或部署有線接入條件受限，一般接人傳輸網(wǎng)絡(luò)依靠無(wú)線接人。其接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的方式，大致可以分為兩種：①直接接入：移動(dòng)終端之間接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。此方式使得大量的終端接人移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，單用戶分配到的時(shí)頻資源被壓縮，會(huì)對(duì)通信質(zhì)量產(chǎn)生很大影響；間接接入：通過(guò)連接其他移動(dòng)終端接人移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)?？纱┐髟O(shè)備需要將數(shù)據(jù)通過(guò)短距離移動(dòng)通信（如藍(lán)牙、WiFi等）上傳至移動(dòng)終端，再由移動(dòng)終端通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上傳同步至云端服務(wù)器。

借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能移動(dòng)終端的推動(dòng)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得以迅速發(fā)展普及，物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出融合發(fā)展的趨勢(shì)。

4.物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展的頻譜資源需求

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合，在3G時(shí)代起步發(fā)展，在4G商用后逐漸發(fā)展成為產(chǎn)業(yè)，其主要面向個(gè)人用戶市場(chǎng)，側(cè)重提供面向大眾的消費(fèi)。當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)處于高速發(fā)展時(shí)期，例如微信、移動(dòng)支付等成功的產(chǎn)品和服務(wù)模式不斷向各個(gè)行業(yè)延伸，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)將研發(fā)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為企業(yè)新業(yè)務(wù)開(kāi)拓或企業(yè)轉(zhuǎn)型方向。處于初步發(fā)展階段的物聯(lián)網(wǎng)，融人移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)元素，將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)載體和平臺(tái)，成為目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的創(chuàng)新方向。

4.1物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈劃分

物聯(lián)網(wǎng)主要由設(shè)備制造商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)集成商、平臺(tái)供應(yīng)商等組成物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)業(yè)鏈的體系構(gòu)架按感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層分成三個(gè)網(wǎng)絡(luò)層。

物聯(lián)網(wǎng)各層中與頻譜資源相關(guān)的是網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層也可分為三層網(wǎng)絡(luò)：接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)，通過(guò)無(wú)線方式接人的無(wú)線接入網(wǎng)需要占用頻譜資源。網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈主體是電信運(yùn)營(yíng)商，利用運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有“管道”（包括無(wú)線接人和傳輸）進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸是目前常用的解決方案。

4.2無(wú)線接入網(wǎng)中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包分類策略

如第3節(jié)所述，感知層匯聚節(jié)點(diǎn)由于位置往往不固定，或部署有線接人條件受限，一般依靠無(wú)線方式接入網(wǎng)絡(luò)層。通過(guò)攜帶通信芯片的匯聚節(jié)點(diǎn)接入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用商比較常用的方式，借助運(yùn)營(yíng)商包括無(wú)線接入網(wǎng)和有線傳輸網(wǎng)等在內(nèi)的移動(dòng)通信網(wǎng)，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)摹肮艿馈薄?/p>

目前基于移動(dòng)通信網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，按數(shù)據(jù)包大小分類策略進(jìn)行分類傳輸，考慮網(wǎng)絡(luò)特性，小包業(yè)務(wù)主要承載在2G網(wǎng)絡(luò)，3/4G與4G+網(wǎng)絡(luò)未來(lái)將主要承載中、大包類業(yè)務(wù)。為保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量的可靠性、實(shí)時(shí)性，運(yùn)營(yíng)商往往通過(guò)設(shè)置QoS（服務(wù)質(zhì)量）方式保證數(shù)據(jù)流優(yōu)先發(fā)送，這雖然在業(yè)務(wù)量不高的區(qū)域提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)頻譜利用率，但是在移動(dòng)業(yè)務(wù)密集的區(qū)域增大了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成一定影響。

考慮到“萬(wàn)物互聯(lián)”的落地實(shí)施以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)也有可能發(fā)展適合物聯(lián)網(wǎng)特性的專有網(wǎng)絡(luò)、專有頻段。目前物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)利用2.4GHz和5.8GHz等ISM頻段（此頻段主要開(kāi)放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，無(wú)需授權(quán)許可）部署物聯(lián)網(wǎng)專有無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，但是開(kāi)放的頻段干擾情況較為嚴(yán)重，給物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)劃分專有頻譜資源成為業(yè)界的迫切需求。

5.科學(xué)規(guī)劃物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代頻譜提高頻譜利用率

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)及其應(yīng)用的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已成為推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、邁向信息社會(huì)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。作為無(wú)線電技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，頻譜資源愈顯稀缺珍貴。面對(duì)當(dāng)前無(wú)線電頻譜資源稀缺與緊張的現(xiàn)實(shí)，一方面相關(guān)部門可根據(jù)通信業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)，加大相關(guān)領(lǐng)域的研究，對(duì)現(xiàn)有頻譜資源進(jìn)行規(guī)劃整合，在頻譜規(guī)劃階段將新型產(chǎn)業(yè)納入規(guī)劃范疇，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃、合理配置稀缺的無(wú)線電頻譜資源，最大限度地提高頻譜利用率。另一方面，無(wú)線通信技術(shù)演進(jìn)伴隨著頻譜利用率的提升，有必要主動(dòng)整合釋放頻譜利用率較低的資源，適時(shí)釋放一部分空閑頻譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)清閑頻段的資源利用，緩解當(dāng)前中低頻段的需求壓力。