物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展對頻譜需求的分析與思考
引言
通信與信息技術(shù)的日益月新，尤其是移動通信從2G到3G,再到后續(xù)演進的IMT-Advanced(B3G)以及4G的快速發(fā)展，為人們對通信與信息的應(yīng)用提供了無限遐想的空間。物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings,IOT)的概念與技術(shù)也因此應(yīng)運而生，并成為通信與信息技術(shù)發(fā)展與融合的必然趨勢。然而，物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，離不開多樣化的無線技術(shù)支持，無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會對頻譜資源管理利用提岀新的挑戰(zhàn)。因此，如何準確把握物聯(lián)網(wǎng)用頻設(shè)備的頻譜需求，加強物聯(lián)網(wǎng)頻譜規(guī)劃與分配的科學(xué)合理性，從而提高用頻設(shè)備的工作效能，解決頻譜資源短鉄的瓶頸制約，已經(jīng)成為影響未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待解決的問題。
1物聯(lián)網(wǎng)的定義
物聯(lián)網(wǎng)的定義是指通過射頻識別(RFID),紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，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(wǎng)絡(luò)。它最初的概念是由美國麻省理工學(xué)院Auto-ID研究中心(Auto-IDLabs)在1999年提出卜:。中國也是研究物聯(lián)網(wǎng)的最早國家之一，早在20世紀90年代，物聯(lián)網(wǎng)就已經(jīng)提出，只是當(dāng)時沒有叫做物聯(lián)網(wǎng)，而是稱為傳感網(wǎng)。
雖然物聯(lián)網(wǎng)概念早就提出，但真正受到世界各國政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界重視是在2009年。2009年1月IBM首席執(zhí)行官彭明盛提出“智慧地球”構(gòu)想，其中物聯(lián)網(wǎng)為“智慧地球”不可或缺的一部分。美國總統(tǒng)奧巴馬在就職演講后對“智慧地球”構(gòu)想提岀積極回應(yīng)，并提升到國家級發(fā)展戰(zhàn)略。2009年8月7日，溫家寶總理在無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察時指出，在國家重大科技專項中，要加快推進傳感網(wǎng)發(fā)展，攻破其核心技術(shù)，并盡快建立中國的傳感信息中心——“感知中國”中心。在“智慧地球”和“感知中國"的強力推動下，不少專家預(yù)計,物聯(lián)網(wǎng)將是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，十年內(nèi)可能大規(guī)模普及。
2物聯(lián)網(wǎng)對頻譜的需求
物聯(lián)網(wǎng)未來將應(yīng)用于無法準確估量的行業(yè)和場景，必然產(chǎn)生海量終端，形成遠遠大于人與人通信互聯(lián)的移動通信與無線接入的數(shù)據(jù)量。如果不加以重視，未來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)無法比擬的。據(jù)Forrester預(yù)測，到2020年，物物互聯(lián)業(yè)務(wù)與現(xiàn)有人人通信互聯(lián)的比例將達到30:1,即可能從60億人口擴展到500億甚至上萬億的機器和物體，有專家以家居應(yīng)用為例，一個家庭布設(shè)幾十個甚至上百個傳感網(wǎng)終端或節(jié)點并不為過，但一個人不會隨身攜帶幾十部手機。除家庭之外，物聯(lián)網(wǎng)還會在眾多行業(yè)應(yīng)用,其規(guī)模-定遠遠大于移動通信。因此，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)正式實現(xiàn)，有超過500億以上的終端需要通過無線方式連接在一起時，其對頻譜的需求不是如今已分配的移動通信和無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3萬多輛公交車，如果每輛公交車上面布設(shè)4個攝像頭，則3萬輛公交車的數(shù)據(jù)總量預(yù)計將達到約180Gb/t,且對圖像的連續(xù)性和實時性有較高要求，所以傳輸頻譜需求絕不是目前2G,3G甚至未來4G可以輕松承載的。
第三，物聯(lián)網(wǎng)的識別層將信息傳感設(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目前已分配的頻譜總量。按照預(yù)測，我國到2020年在設(shè)定15。人同時使用Wi-Fi,其速率為200Kb/t,每用戶忙時呼叫次數(shù)為0.15,每戶平均呼叫時長為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)，在一個小區(qū)內(nèi)的物品或設(shè)備數(shù)量可能遠遠多于150個，而且實時在線的比例更高，其頻譜需求也將超過2500MHz,成為名副其實的用頻“大戶
第四，至今物聯(lián)網(wǎng)的流量模型并沒有權(quán)威研究結(jié)果，它肯定既不同于互聯(lián)網(wǎng)流量模型，也不會等同于移動通信的流量模型。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，甚至只有幾十個字節(jié)，但是必須一次傳輸成功，有著非常實時的傳輸要求.另外，移動蜂窩網(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，可能會造成大量用戶堆積在熱點區(qū)域，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞或資源分配不平衡。這些都會造成物聯(lián)網(wǎng)對頻譜的需求方式和規(guī)劃方式有別于已有的無線通信，所以不能輕言物聯(lián)網(wǎng)不存在頻譜資源的制約。
3改進措施
3.1科學(xué)規(guī)劃無線頻譜
頻譜資源是無線應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ)，沒有頻譜資源的支持,任何無線應(yīng)用都難以展開。因為無線頻譜資源的有限性，各種無線通信技術(shù)在構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)時需要科學(xué)的無線頻率規(guī)劃，這樣才可讓各種無線技術(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，在無線融合發(fā)展的過程中，需要做好統(tǒng)籌規(guī)劃，處理好頻率劃分問題?，F(xiàn)在無線通信正在向更高速的方向發(fā)展，在這個過程中，把挖潛和向高頻段拓展相結(jié)合。-方面利用從頻分到時分、碼分、空分再到OFDMA的技術(shù)進步，挖掘現(xiàn)有頻段無線技術(shù)的發(fā)展?jié)摿?，推岀LTE,WiMAX,UWB等新應(yīng)用；另一方面通過技術(shù)研究，讓無線電頻譜的使用率越來越高，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,人們提出了認知無線電(CognitiveRadio,CR)的概念，這同樣可以用來解決物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展頻譜資源短缺的問題。認知無線電的基本出發(fā)點就是：為了提高頻譜利用率，具有認知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(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)頻段沒用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動的情況下。這種在空域、時域和頻域中出現(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。認知無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，感知無線通信環(huán)境，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，實時自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜，理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復(fù)用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術(shù)發(fā)展的束縛。
因此，如果能在物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中加入認知無線電技術(shù)，這勢必能更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的頻率需求，提高頻譜的利用率。由于物聯(lián)網(wǎng)中用戶對帶寬的要求，可用信道的數(shù)量和位置都是隨時變化的，因此常規(guī)的頻譜分配方法并不完全適用。
另外，要實現(xiàn)完全動態(tài)頻譜分配(DynamicSpectrumAllocation,DSA)受到很多政策、標準及介入?yún)f(xié)議的限制伍」。因此，目前基于CR頻譜共享池(SpectrumPooling)研究能滿足這一需求。頻譜池是CR的頻譜共享的主要研究策略，其思想是將一部分分配給不同業(yè)務(wù)的頻譜合成一個公共的頻譜池，頻譜池中的頻譜是不連續(xù)的，并將整個頻譜池劃分為若干個子信道，已授權(quán)用戶并不是任何時候都占用自己的所有信道，因此未授權(quán)的用戶可以臨時占用頻譜池里的空閑信道。
基于CR頻譜池思想提出的物聯(lián)網(wǎng)頻譜管理方案如圖1所示。該方案既可以實現(xiàn)動態(tài)的頻譜共享和DSA,又能滿足物聯(lián)網(wǎng)巨大的頻譜需求。
這是標準化組織提出的固定頻譜分配方案的自然演進。在此方案中，仍然為每個運營商分配固定數(shù)量的頻譜塊，且這些頻譜塊的寬度是定值,不隨時間與空間而改變。但是頻帶與無線接入技術(shù)(RAT)的分配不是獨立進行的，各個頻帶有其對應(yīng)的RAT,用戶改變頻帶的同時也進行RAT的切換。
(2) 共享頻譜池的固定頻譜分配
其與固定頻譜分配的主要區(qū)別在于頻譜池中的頻段可以被任何RAT使用，同時保持相鄰無線接入技術(shù)的兼容性。這種新的靈活頻譜分配方法是一種高效頻譜管理方案，對比以前的固定頻譜分配方案，此方案可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求為每種無線接入技術(shù)分配適量的頻譜，也可以實現(xiàn)不同rat之間的負載平衡。此方法為頻譜資源提供了自平衡能力，因此，在必要情況下可為RAT提供更多的頻譜資源。
(3) 非固定頻譜分配
在這種解決方案下，頻譜分配是完全靈活的，不需要為每個運營商分配固定數(shù)量的頻譜塊，也不需要為每個RAT技術(shù)分配固定的帶寬。每個頻譜塊的寬度隨時間和空間動態(tài)變化。用戶利用終端的重配置能力可接入任何的RAT。非固定頻譜分配解決方案不需要對分配給每個運營商的RAT和載頻進行預(yù)先定義，因此終端能夠?qū)崿F(xiàn)完全的(RAT和載頻)重配置。在這種解決方案下，不同的無線接入技術(shù)在相同地理區(qū)域的不同地點共享相同的載波頻率，然而，對比前面介紹的解決方案，此方案的實現(xiàn)需要更復(fù)雜的無限資源管理和更多的信令交互。
4堵語
物聯(lián)網(wǎng)是信息與通信技術(shù)領(lǐng)域第二次大融合，是信息傳感、傳輸與處理三大技術(shù)相互融合的產(chǎn)物。未來物聯(lián)網(wǎng)對頻譜的需求將是我們無法估量的，解決頻譜資源短缺的瓶頸制約，已經(jīng)成為影響物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展亟待解決的問題。本文提出的基于認知無線電的物聯(lián)網(wǎng)頻譜管理方案，能夠有效提高無線頻譜的利用率，滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要。
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