物聯網應用與無線電頻譜資源的需求分析

陳又琦

摘要：物聯網的發展，離不開無線電頻譜資源，本文以物聯網網絡架構和關鍵技術作為切入口，分析物聯網以及與移動互聯網的融合發展的頻譜資源需求，并對科學開發無線電頻譜資源進行展望。

關鍵詞：物聯網；移動互聯網；無線電頻譜資源

中圖分類號：U116 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）06-0034-02

1.概述

當前，以物聯網、移動互聯網、云計算、大數據等為代表的新一代信息通信技術，正在全球范圍內掀起新一輪科技革命和產業變革。物聯網通過與寬帶移動通信、制造技術、新能源、新材料等其他產業技術融合，逐漸由“概念”形成了一定規模的產業。隨著物聯網產業高速發展，無線技術成為構建物聯網網絡接入、信息傳輸最主要方式，隨之物聯網對無線頻譜資源的需求日益增大，而物聯網時代大量的無線電設備在同一時間、同一區域內使用，電磁環境變得異常復雜。本文將針對物聯網應用中與無線頻譜資源相關的問題進行討論。

2.物聯網網絡架構

物聯網網絡架構分為：感知層、網絡層和應用層，如圖1所示。感知層位于物聯網架構的底層，用于對“物”的識別和感知。智能器件從物理世界中獲得“物”的信息數據獲取，為物聯網網絡上層提供識別、感知的數據來源。由感知器件攜帶的通信模塊，將信息傳輸到網絡層（層2）。網絡層包括接入網和核心網，主要功能是傳遞數據、路由選擇和控制管理。與一般通信系統類似，物聯網網絡信息傳輸分公網和專網。利用運營商互聯網和移動互聯網等公網進行傳輸，節約了物聯網系統搭建成本，廠商只需要部署各自的感知層器件，及各自應用層服務器平臺，即可運營物聯網應用。應用層處于三層結構的頂端，由物聯網應用、及信息處理、應用集成等功能的基礎設施組成。

3.物聯網關鍵技術與無線頻譜資源需求分析

物聯網發展是基于傳感網絡、互聯網、移動通信等信息技術，經過物聯網應用需求，將所需元素整合而成，其關鍵支撐技術主要有：架構技術、通信技術、網絡技術、軟件服務于算法、功率與能量存儲、安全與隱私技術等。與無線電通信及頻譜資源相關的技術有：短距離無線通信，以及物聯網應用層的大數據和云計算平臺。

3.1短距離無線通信

物聯網信息從感知層節點到服務器“端到端”的傳輸，需要物聯網底層（感知層）節點通過“多跳”的方式“點對點”的將信息傳送至感知層接口，由接口轉發向上層傳輸。短距離無線通信是解決物聯網底層節點“點對點”通信的技術，短距離無線通信由于覆蓋范圍較小、功率較低，對無線環境造成干擾較小。

以無線傳感器網絡為例，其由一定數量攜帶傳感器和通信模塊的節點組成，通過無線“多跳”的方式進行通信。部署的傳感器節點通過感知環境，將監測信息報告給匯聚節點，再由匯聚節點往網絡側傳輸。

無線傳感器網絡組網使用Zigbee、藍牙、WiFi較多。Zigbee是基于IEEE 802.15.4的短距離、低功耗通信協議，可工作在三個頻段868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz，其中2.4GHz頻段是全世界通用、免費的無線電頻段；藍牙協議最大特點是支持低功耗模式，采用調頻技術，通信頻段為2.402GHz-2.480GHz，也是全球免費無線電頻段。無線局域網（WiFi）IEEE 802.11由于傳輸速率較高物聯網感知層，2016年WiFi聯盟最新公布的802.11ah標準將采用1GHz以下頻段，實現低功耗、長距離無線傳輸，改善了信號易受建筑物阻礙而影響傳輸距離和覆蓋范圍的問題。

3.2大數據、云計算平臺和移動互聯網

3.2.1物聯網信息的云端匯聚與接收

物聯網應用的實質是將物理世界的感知轉變成有意義的可視性信息，再通過網頁、軟件客戶端、移動客戶端等應用平臺進行展現。移動互聯網應用通過與云端開發接口會話，讀取云端信息。物聯網應用平臺通過開放公共信息接口，利用公共信息接口協議，即可進行相關移動互聯網端的應用開發。

3.2.2海量數據的特點及其傳輸

物聯網數據具有實時、動態、海量、顆粒性和碎片化等特點，大數據是物聯網時代信息屬性之一，當前的計算機網絡有能力將海量數據從感知層傳送至互聯網云處理，而作為網絡層接入側的移動通信頻譜資源，成為數據傳輸瓶頸。根據香農定律，傳輸速率和頻譜帶寬成正比，如表1所示，運營商2/3/4G通信技術的演進方向也呈現高速化、寬帶化等特點，而利用移動通信網進行物聯網數據傳輸，上行單終端峰值速率成為物聯網應用方關注的焦點。傳統的移動通信數據業務下行數據量遠大于上行數據量，上行業務由于終端功耗和芯片等限制，在發射功率和編碼效率方面受限。

隨著物聯網發展，對于更注重上行業務的物聯網應用，將會影響現有網絡改造方向使之更適合物聯網信息傳輸。對于下一代移動通信研究方向，也會考慮新型信息產業的因素，將物聯網數據特性作為網絡演進考慮方向之一。

3.2.3物聯網信息傳輸及與移動互聯網融合

物聯網信息數據的傳輸依靠通信網管道，而感知層匯聚節點由于位置往往不固定，或部署有線接入條件受限，一般接人傳輸網絡依靠無線接人。其接入移動互聯網的方式，大致可以分為兩種：①直接接入：移動終端之間接入移動互聯網。此方式使得大量的終端接人移動通信網絡，單用戶分配到的時頻資源被壓縮，會對通信質量產生很大影響；間接接入：通過連接其他移動終端接人移動互聯網。可穿戴設備需要將數據通過短距離移動通信（如藍牙、WiFi等）上傳至移動終端，再由移動終端通過移動互聯網上傳同步至云端服務器。

借助移動互聯網和智能移動終端的推動，物聯網應用得以迅速發展普及，物聯網與移動互聯網呈現出融合發展的趨勢。

4.物聯網與移動互聯網的融合發展的頻譜資源需求

移動互聯網將通信和互聯網二者結合，在3G時代起步發展，在4G商用后逐漸發展成為產業，其主要面向個人用戶市場，側重提供面向大眾的消費。當前移動互聯網處于高速發展時期，例如微信、移動支付等成功的產品和服務模式不斷向各個行業延伸，傳統的互聯網企業將研發移動互聯網應用作為企業新業務開拓或企業轉型方向。處于初步發展階段的物聯網，融人移動互聯網元素，將移動互聯網作為物聯網載體和平臺，成為目前物聯網發展的創新方向。

4.1物聯網產業鏈劃分

物聯網主要由設備制造商、網絡運營商、系統集成商、平臺供應商等組成物聯網產業鏈，產業鏈的體系構架按感知層、網絡層和應用層分成三個網絡層。

物聯網各層中與頻譜資源相關的是網絡層，網絡層也可分為三層網絡：接入網、核心網和業務網，通過無線方式接人的無線接入網需要占用頻譜資源。網絡層對應的產業鏈主體是電信運營商，利用運營商現有“管道”（包括無線接人和傳輸）進行物聯網信息傳輸是目前常用的解決方案。

4.2無線接入網中物聯網數據包分類策略

如第3節所述，感知層匯聚節點由于位置往往不固定，或部署有線接人條件受限，一般依靠無線方式接入網絡層。通過攜帶通信芯片的匯聚節點接入運營商網絡是物聯網應用商比較常用的方式，借助運營商包括無線接入網和有線傳輸網等在內的移動通信網，構成物聯網信息傳輸的“管道”。

目前基于移動通信網的物聯網業務，按數據包大小分類策略進行分類傳輸，考慮網絡特性，小包業務主要承載在2G網絡，3/4G與4G+網絡未來將主要承載中、大包類業務。為保證物聯網應用產生數據流量的可靠性、實時性，運營商往往通過設置QoS（服務質量）方式保證數據流優先發送，這雖然在業務量不高的區域提高了無線網絡頻譜利用率，但是在移動業務密集的區域增大了網絡負荷，會對網絡造成一定影響。

考慮到“萬物互聯”的落地實施以及技術發展趨勢，未來也有可能發展適合物聯網特性的專有網絡、專有頻段。目前物聯網產業利用2.4GHz和5.8GHz等ISM頻段（此頻段主要開放給工業、科學、醫學三個主要機構使用，無需授權許可）部署物聯網專有無線接入網絡，但是開放的頻段干擾情況較為嚴重，給物聯網產業劃分專有頻譜資源成為業界的迫切需求。

5.科學規劃物聯網時代頻譜提高頻譜利用率

隨著物聯網產業及其應用的快速發展，物聯網已成為推動產業升級、邁向信息社會的“發動機”。作為無線電技術發展的基礎，頻譜資源愈顯稀缺珍貴。面對當前無線電頻譜資源稀缺與緊張的現實，一方面相關部門可根據通信業務發展趨勢，加大相關領域的研究，對現有頻譜資源進行規劃整合，在頻譜規劃階段將新型產業納入規劃范疇，通過科學規劃、合理配置稀缺的無線電頻譜資源，最大限度地提高頻譜利用率。另一方面，無線通信技術演進伴隨著頻譜利用率的提升，有必要主動整合釋放頻譜利用率較低的資源，適時釋放一部分空閑頻譜，實現對清閑頻段的資源利用，緩解當前中低頻段的需求壓力。