引言
通信與信息技術的日益月新，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用提供了無限遐想的空間。物聯網(InternetofThings,IOT)的概念與技術也因此應運而生，并成為通信與信息技術發(fā)展與融合的必然趨勢。然而，物聯網的快速發(fā)展，離不開多樣化的無線技術支持，無線技術的廣泛應用將會對頻譜資源管理利用提岀新的挑戰(zhàn)。因此，如何準確把握物聯網用頻設備的頻譜需求，加強物聯網頻譜規(guī)劃與分配的科學合理性，從而提高用頻設備的工作效能，解決頻譜資源短鉄的瓶頸制約，已經成為影響未來物聯網發(fā)展亟待解決的問題。
1物聯網的定義
物聯網的定義是指通過射頻識別(RFID),紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。它最初的概念是由美國麻省理工學院Auto-ID研究中心(Auto-IDLabs)在1999年提出卜:。中國也是研究物聯網的最早國家之一，早在20世紀90年代，物聯網就已經提出，只是當時沒有叫做物聯網，而是稱為傳感網。
雖然物聯網概念早就提出，但真正受到世界各國政府、企業(yè)和學術界重視是在2009年。2009年1月IBM首席執(zhí)行官彭明盛提出“智慧地球”構想，其中物聯網為“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”構想提岀積極回應，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工程技術研發(fā)中心視察時指出，在國家重大科技專項中，要加快推進傳感網發(fā)展，攻破其核心技術，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，不少專家預計,物聯網將是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的又一次信息產業(yè)浪潮，十年內可能大規(guī)模普及。
2物聯網對頻譜的需求
物聯網未來將應用于無法準確估量的行業(yè)和場景，必然產生海量終端，形成遠遠大于人與人通信互聯的移動通信與無線接入的數據量。如果不加以重視，未來頻譜資源的短缺將成為物聯網發(fā)展難以克服的瓶頸。
第一,物聯網的業(yè)務規(guī)模是通信業(yè)無法比擬的。據Forrester預測，到2020年，物物互聯業(yè)務與現有人人通信互聯的比例將達到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，有專家以家居應用為例，一個家庭布設幾十個甚至上百個傳感網終端或節(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，物聯網還會在眾多行業(yè)應用,其規(guī)模-定遠遠大于移動通信。因此，當物聯網正式實現，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的。
第二，雖然目前物聯網應用一般是小流量的M2M,但也有大量占用高帶寬的應用，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。以北京公交系統(tǒng)視頻監(jiān)控業(yè)務為例，目前北京有3萬多輛公交車，如果每輛公交車上面布設4個攝像頭，則3萬輛公交車的數據總量預計將達到約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，物聯網的識別層將信息傳感設備，如RFID裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等與網絡連接在一起，方便識別和管理，而這種連接將釆用低功率技術，其中最被推崇的是Wi-Fi技術。如果將Wi-Fi用于物聯網，Wi-Fi的頻譜需求將大大超過目前已分配的頻譜總量。按照預測，我國到2020年在設定15。人同時使用Wi-Fi,其速率為200Kb/t,每用戶忙時呼叫次數為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用于物聯網，在一個小區(qū)內的物品或設備數量可能遠遠多于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，至今物聯網的流量模型并沒有權威研究結果，它肯定既不同于互聯網流量模型，也不會等同于移動通信的流量模型。但是，物聯網的規(guī)模巨大，盡管有些業(yè)務每次傳輸的數據量不一定非常大，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，移動蜂窩網絡著重考慮用戶數量，而物聯網數據流量具有突發(fā)特性，可能會造成大量用戶堆積在熱點區(qū)域，引發(fā)網絡擁塞或資源分配不平衡。這些都會造成物聯網對頻譜的需求方式和規(guī)劃方式有別于已有的無線通信，所以不能輕言物聯網不存在頻譜資源的制約。
3改進措施
3.1科學規(guī)劃無線頻譜
頻譜資源是無線應用發(fā)展的基礎，沒有頻譜資源的支持,任何無線應用都難以展開。因為無線頻譜資源的有限性，各種無線通信技術在構筑物聯網時需要科學的無線頻率規(guī)劃，這樣才可讓各種無線技術的發(fā)展有章可循，不出現相互干擾的現象，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合。-方面利用從頻分到時分、碼分、空分再到OFDMA的技術進步，挖掘現有頻段無線技術的發(fā)展?jié)摿?，推岀LTE,WiMAX,UWB等新應用；另一方面通過技術研究，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網發(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備可以按照某種“伺機(OpportunisticWay)”的方式工作在已授權的范圍內，但這一定要建立在已授權頻段沒用或只有很少的通信業(yè)務在活動的情況下。這種在空域、時域和頻域中出現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備具有發(fā)現“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，能夠依靠人工智能的支持，感知無線通信環(huán)境，根據一定的學習和決策算法，實時自適應地改變系統(tǒng)工作參數，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用，這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術發(fā)展的束縛。
因此，如果能在物聯網建設中加入認知無線電技術，這勢必能更好地滿足物聯網發(fā)展的頻率需求，提高頻譜的利用率。由于物聯網中用戶對帶寬的要求，可用信道的數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，要實現完全動態(tài)頻譜分配(DynamicSpectrumAllocation,DSA)受到很多政策、標準及介入協議的限制伍」。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，已授權用戶并不是任何時候都占用自己的所有信道，因此未授權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網頻譜管理方案如圖1所示。該方案既可以實現動態(tài)的頻譜共享和DSA,又能滿足物聯網巨大的頻譜需求。
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(RAT)的分配不是獨立進行的，各個頻帶有其對應的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，此方案可以根據業(yè)務需求為每種無線接入技術分配適量的頻譜，也可以實現不同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量的頻譜塊，也不需要為每個RAT技術分配固定的帶寬。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和載頻進行預先定義，因此終端能夠實現完全的(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，此方案的實現需要更復雜的無限資源管理和更多的信令交互。
4堵語
物聯網是信息與通信技術領域第二次大融合，是信息傳感、傳輸與處理三大技術相互融合的產物。未來物聯網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，已經成為影響物聯網發(fā)展亟待解決的問題。本文提出的基于認知無線電的物聯網頻譜管理方案，能夠有效提高無線頻譜的利用率，滿足物聯網發(fā)展需要。
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