物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對(duì)頻譜需求的分析與思考

物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)將應(yīng)用于無(wú)法準(zhǔn)確估量的行業(yè)和場(chǎng)景，必然產(chǎn)生海量終端，形成遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人與人通信互聯(lián)的移動(dòng)通信與無(wú)線接入的數(shù)據(jù)量。如果不加以重視，未來(lái)頻譜資源的短缺將成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展難以克服的瓶頸。

第一,物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)規(guī)模是通信業(yè)無(wú)法比擬的。據(jù)Forrester預(yù)測(cè)，到2020年，物物互聯(lián)業(yè)務(wù)與現(xiàn)有人人通信互聯(lián)的比例將達(dá)到30:1,即可能從60億人口擴(kuò)展到500億甚至上萬(wàn)億的機(jī)器和物體，有專家以家居應(yīng)用為例，一個(gè)家庭布設(shè)幾十個(gè)甚至上百個(gè)傳感網(wǎng)終端或節(jié)點(diǎn)并不為過(guò)，但一個(gè)人不會(huì)隨身攜帶幾十部手機(jī)。除家庭之外，物聯(lián)網(wǎng)還會(huì)在眾多行業(yè)應(yīng)用,其規(guī)模-定遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于移動(dòng)通信。因此，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)正式實(shí)現(xiàn)，有超過(guò)500億以上的終端需要通過(guò)無(wú)線方式連接在一起時(shí)，其對(duì)頻譜的需求不是如今已分配的移動(dòng)通信和無(wú)線接入頻率所能承擔(dān)的。

第二，雖然目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一般是小流量的M2M,但也有大量占用高帶寬的應(yīng)用，比如平安城市、公共交通等以視頻圖像為主的監(jiān)控業(yè)務(wù)。以北京公交系統(tǒng)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)為例，目前北京有3萬(wàn)多輛公交車，如果每輛公交車上面布設(shè)4個(gè)攝像頭，則3萬(wàn)輛公交車的數(shù)據(jù)總量預(yù)計(jì)將達(dá)到約180Gb/t,且對(duì)圖像的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性有較高要求，所以傳輸頻譜需求絕不是目前2G,3G甚至未來(lái)4G可以輕松承載的。

第三，物聯(lián)網(wǎng)的識(shí)別層將信息傳感設(shè)備，如RFID裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方便識(shí)別和管理，而這種連接將釆用低功率技術(shù)，其中最被推崇的是Wi-Fi技術(shù)。如果將Wi-Fi用于物聯(lián)網(wǎng)，Wi-Fi的頻譜需求將大大超過(guò)目前已分配的頻譜總量。按照預(yù)測(cè)，我國(guó)到2020年在設(shè)定15。人同時(shí)使用Wi-Fi,其速率為200Kb/t,每用戶忙時(shí)呼叫次數(shù)為0.15,每戶平均呼叫時(shí)長(zhǎng)為3000s的情況下，上下行共需的頻率為2500MIIz。而Wi-Fi用于物聯(lián)網(wǎng)，在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的物品或設(shè)備數(shù)量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于150個(gè)，而且實(shí)時(shí)在線的比例更高，其頻譜需求也將超過(guò)2500MHz,成為名副其實(shí)的用頻“大戶

第四，至今物聯(lián)網(wǎng)的流量模型并沒(méi)有權(quán)威研究結(jié)果，它肯定既不同于互聯(lián)網(wǎng)流量模型，也不會(huì)等同于移動(dòng)通信的流量模型。但是，物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模巨大，盡管有些業(yè)務(wù)每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不一定非常大，甚至只有幾十個(gè)字節(jié)，但是必須一次傳輸成功，有著非常實(shí)時(shí)的傳輸要求.另外，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)著重考慮用戶數(shù)量，而物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量具有突發(fā)特性，可能會(huì)造成大量用戶堆積在熱點(diǎn)區(qū)域，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞或資源分配不平衡。這些都會(huì)造成物聯(lián)網(wǎng)對(duì)頻譜的需求方式和規(guī)劃方式有別于已有的無(wú)線通信，所以不能輕言物聯(lián)網(wǎng)不存在頻譜資源的制約。

3改進(jìn)措施

3.1科學(xué)規(guī)劃無(wú)線頻譜

頻譜資源是無(wú)線應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)，沒(méi)有頻譜資源的支持,任何無(wú)線應(yīng)用都難以展開(kāi)。因?yàn)闊o(wú)線頻譜資源的有限性，各種無(wú)線通信技術(shù)在構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要科學(xué)的無(wú)線頻率規(guī)劃，這樣才可讓各種無(wú)線技術(shù)的發(fā)展有章可循，不出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象，充分發(fā)揮出各自的作用。因此，在無(wú)線融合發(fā)展的過(guò)程中，需要做好統(tǒng)籌規(guī)劃，處理好頻率劃分問(wèn)題?，F(xiàn)在無(wú)線通信正在向更高速的方向發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中，把挖潛和向高頻段拓展相結(jié)合。-方面利用從頻分到時(shí)分、碼分、空分再到OFDMA的技術(shù)進(jìn)步，挖掘現(xiàn)有頻段無(wú)線技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?，推岀LTE,WiMAX,UWB等新應(yīng)用；另一方面通過(guò)技術(shù)研究，讓無(wú)線電頻譜的使用率越來(lái)越高，從HF,VHF,UHF一直到C,X,Ku,Ka,Q等，不斷向更高頻帶發(fā)展，拓展無(wú)線頻譜可用資源。

3.2提高現(xiàn)有頻譜利用率

為了解決頻譜資源匱乏的問(wèn)題，基本思路就是盡量提高現(xiàn)有頻譜的利用率。為此,人們提出了認(rèn)知無(wú)線電(CognitiveRadio,CR)的概念，這同樣可以用來(lái)解決物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展頻譜資源短缺的問(wèn)題。認(rèn)知無(wú)線電的基本出發(fā)點(diǎn)就是：為了提高頻譜利用率，具有認(rèn)知功能的無(wú)線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)(OpportunisticWay)”的方式工作在已授權(quán)的范圍內(nèi)，但這一定要建立在已授權(quán)頻段沒(méi)用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的情況下。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為''頻譜空洞氣CR的核心思想就是使無(wú)線通信設(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。認(rèn)知無(wú)線電作為一種智能的頻譜共享技術(shù)，能夠依靠人工智能的支持，感知無(wú)線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對(duì)無(wú)線技術(shù)發(fā)展的束縛。