物聯網應用對頻譜的需求分析

溫 豪，張 京

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

伴隨著物聯網產業發展的日新月異，物聯網技術對社會經濟發展提供了新的解決方案，有助于提高工作效率，降低生產、管控成本，促進項目按時保質完成。但物聯網應用發展對無線電頻譜資源的需求日益顯現，海量物聯網設備相互干擾影響穩定，面臨實際問題日趨顯著。

1 在中長距離無線接入網中的需求

物聯網除了需要短距離無線個域網的支持外，更離不開長距離無線接入網以支撐長距離傳輸業務的需求。長距離無線接入網絡包括無線廣域網、無線城域網等。

無線廣域網（WWAN，Wireless Wide Area Network）代表移動聯通的無線網絡，特點傳輸距離<15km，傳輸速率大概3Mb/s，采用無線網絡把物理距離極為分散的局域網（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的各局域網互連，它的結構分為末端系統（兩端的用戶集合）和通信系統（中間鏈路）兩部分。IEEE802.20是WWAN 的重要標準，為了實現高速移動環境下的高速率數據傳輸，以彌補IEEE802.1x 協議族在移動性上的劣勢，頻段在3.5GHz。

廣域網通過室外無線網橋設備在各行各業具有廣泛的應用，例如，稅務系統采用無線網橋設備可實現各個稅務點、稅收部門和稅務局的無線聯網；電力系統采用無線網橋產品可以將分布于不同地區的各個變電站、電廠和電力局連接起來，實現信息交流和辦公自動化。教育系統可以通過無線接入設備在學生宿舍、圖書館和教學樓之間建立網絡連接。

無線城域網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標準，同時解決物理層環境（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標準分別是：IEEE802.16/WiMAX 和802.20/ WBMA。

下一代局域網主要針對兩大應用：一是要求高速數據傳輸以及QoS 保證的應用（如無線4K 電視等）；二是為諸如大型企業或社區等高密度環境提供等同于有線網絡性能的應用，采用IEEE802.11系列標準。幾種長距離無線接入網絡的頻譜比較如表1、2、3所示。

2 在短距離無線網絡中的需求

伴隨著以WLAN、Bluetooth、UWB、ZigBee、RFID 這些短距離無線技術的日益成熟，物聯網應用步伐不斷加快。無線通信技術不斷完善的同時與孤立的傳感網結合，成為物聯網發展最為關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信息化與智能化領域中的重要角色。

表1 3G/Wi-Fi/WiMax/MWBA對比表

表2 802.16標準頻譜使用表

表3 802.11標準頻譜使用表

表4 短距離無線通信技術對比表

物聯網對以Wi-Fi 為首的低功率、短距離無線接入應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。短距離通信技術的比較如表4所示。

3 不同發展階段物聯網頻譜的需求分析

物聯網的發展需要經歷三個階段，在不同發展階段中對頻譜的需求及應用方式也有所差別。

第一階段為機器互聯階段，即M2M 業務階段。在此階段通信對象主要是機器設備，尚未擴展到任何物品。通信過程中也以使用離散的終端節點為主。業務類型如汽車信息服務、車隊管理、遠程醫療、遠程計量等。對承載網而言，稱為混同承載階段，即直接采用現有移動網絡承載物聯網業務，網絡本身不作大的改動，網絡參數基本不變。由于現有移動網絡不能區分人與人的通信，還是物與物的通信，主要通過終端側的配置以及對終端的管理來緩解網絡的壓力。因此，物聯網業務直接依托運營商已有的2G、3G 或4G 網絡的頻率資源，頻譜矛盾不顯著。

第二階段為局域感知階段，在這個階段“物”的范圍不斷擴大，傳感網逐步引入。雖然傳感網仍主要用作局域組網，但傳感網已被視為通信網絡終端節點的延伸，與通信網成為一個整體。運營商更加關注通信網絡與傳感網的融合，并通過物聯網網關屏蔽傳感網的差異性，使異構的傳感網之間、傳感網與通信網之間實現協同工作。此階段對承載網而言，稱為區別承載階段（也稱混合組網方式）是物聯網業務發展中期，物聯網應用規模的擴展對移動網絡資源（如號碼資源、傳輸資源乃至頻率資源）造成了較大壓力。這時需要對網絡進行部分改造，使得網絡能區分物與物的通信，從而采取不同的措施緩解網絡壓力，保證物聯網業務質量。在這個階段，物聯網業務已有較大發展，通信業務量也有顯著增加，此時將對運營商己有頻譜資源造成較大壓力。運營商除在已有頻率中挖掘潛力為物聯網業務所用之外，應積極尋求其它的頻譜資源，以緩解物聯網發展對頻譜的壓力。

第三階段是廣域感知階段，在這個階段傳感網開始廣域組網，遍布各處的傳感網節點構成了全新的廣域網絡，并產生一些基于傳感網的公共節點，這些公共節點作為物聯網的基本組成部分，必然要實現廣域管理，比如遵循統一的通信協議、實現廣域尋址等。此階段對承載網而言，也稱為獨立承載階段。在獨立承載階段（也稱為獨立組網方式），物聯網業務實現規模化發展后，將出現大量對通信質量要求較高的物聯網應用，同時可能會產生通信相互干擾的問題。此時，應考慮采用隔離（物理/邏輯）的網絡承載物聯網，比如建設獨立的接入網，在核心網中也劃分專門的互聯子網等方案解決。在此階段，由于LTE 及4G 業務已得到長足發展，原有及預測的頻譜將被大量占用，而5G、工業互聯網、車聯網、物聯網等應用也進入了蓬勃發展期，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 結束語

本文從物聯網應用對頻譜的需求分析為切入點介紹了物聯網應用與頻譜的關系，并具體分析了物聯網在中長距離無線接入網中的需求、在短距離無線網絡中的需求和不同發展階段物聯網頻譜的需求。