1、1物联网应用与无线电频谱资源的需求分析摘要：物联网的发展，离不开无线电频谱资源，本文以物联网网络架构和关键技术作为切入口，分析物联网以及与移动互联网的融合发展的频谱资源需求，并对科学开发无线电频谱资源进行展望。 关键词：物联网；移动互联网；无线电频谱资源 中图分类号：U116 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）06-0034-02 1.概述 当前，以物联网、移动互联网、云计算、大数据等为代表的新一代信息通信技术，正在全球范围内掀起新一轮科技革命和产业变革。物联网通过与宽带移动通信、制造技术、新能源、新材料等其他产业技术融合，逐渐由“概念”形成了一定规模的产业。随着物联网产
2、业高速发展，无线技术成为构建物联网网络接入、信息传输最主要方式，随之物联网对无线频谱资源的需求日益增大，而物联网时代大量的无线电设备在同一时间、同一区域内使用，电磁环境变得异常复杂。本文将针对物联网应用中与无线频谱资源相关的问题进行讨论。 2.物联网网络架构 物联网网络架构分为：感知层、网络层和应用层，如图 1 所示。感知层位于物联网架构的底层，用于对“物”的识别和感知。智能器件从物理世界中获得“物”的信息数据获取，为物联网网络上层提供识别、2感知的数据来源。由感知器件携带的通信模块，将信息传输到网络层（层 2） 。网络层包括接入网和核心网，主要功能是传递数据、路由选择和控制管理。与一般通信系
3、统类似，物联网网络信息传输分公网和专网。利用运营商互联网和移动互联网等公网进行传输，节约了物联网系统搭建成本，厂商只需要部署各自的感知层器件，及各自应用层服务器平台，即可运营物联网应用。应用层处于三层结构的顶端，由物联网应用、及信息处理、应用集成等功能的基础设施组成。 3.物联网关键技术与无线频谱资源需求分析 物联网发展是基于传感网络、互联网、移动通信等信息技术，经过物联网应用需求，将所需元素整合而成，其关键支撑技术主要有：架构技术、通信技术、网络技术、软件服务于算法、功率与能量存储、安全与隐私技术等。与无线电通信及频谱资源相关的技术有：短距离无线通信，以及物联网应用层的大数据和云计算平台。
4、3.1 短距离无线通信 物联网信息从感知层节点到服务器“端到端”的传输，需要物联网底层（感知层）节点通过“多跳”的方式“点对点”的将信息传送至感知层接口，由接口转发向上层传输。短距离无线通信是解决物联网底层节点“点对点”通信的技术，短距离无线通信由于覆盖范围较小、功率较低，对无线环境造成干扰较小。 以无线传感器网络为例，其由一定数量携带传感器和通信模块的节点组成，通过无线“多跳”的方式进行通信。部署的传感器节点通过感知环境，将监测信息报告给汇聚节点，再由汇聚节点往网络侧传输。 3无线传感器网络组网使用 Zigbee、蓝牙、WiFi 较多。Zigbee 是基于IEEE 802.15.4 的短距离
5、、低功耗通信协议，可工作在三个频段 868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz 和 2.4GHz-2.4835GHz，其中 2.4GHz 频段是全世界通用、免费的无线电频段；蓝牙协议最大特点是支持低功耗模式，采用调频技术，通信频段为 2.402GHz-2.480GHz，也是全球免费无线电频段。无线局域网（WiFi）IEEE 802.11 由于传输速率较高物联网感知层，2016 年 WiFi 联盟最新公布的 802.11ah 标准将采用 1GHz 以下频段，实现低功耗、长距离无线传输，改善了信号易受建筑物阻碍而影响传输距离和覆盖范围的问题。 3.2 大数据、云计算平台和移动互联网
6、 3.2.1 物联网信息的云端汇聚与接收 物联网应用的实质是将物理世界的感知转变成有意义的可视性信息，再通过网页、软件客户端、移动客户端等应用平台进行展现。移动互联网应用通过与云端开发接口会话，读取云端信息。物联网应用平台通过开放公共信息接口，利用公共信息接口协议，即可进行相关移动互联网端的应用开发。 3.2.2 海量数据的特点及其传输 物联网数据具有实时、动态、海量、颗粒性和碎片化等特点，大数据是物联网时代信息属性之一，当前的计算机网络有能力将海量数据从感知层传送至互联网云处理，而作为网络层接入侧的移动通信频谱资源，成为数据传输瓶颈。根据香农定律，传输速率和频谱带宽成正比，如表1 所示，运营
7、商 2/3/4G 通信技术的演进方向也呈现高速化、宽带化等特4点，而利用移动通信网进行物联网数据传输，上行单终端峰值速率成为物联网应用方关注的焦点。传统的移动通信数据业务下行数据量远大于上行数据量，上行业务由于终端功耗和芯片等限制，在发射功率和编码效率方面受限。 随着物联网发展，对于更注重上行业务的物联网应用，将会影响现有网络改造方向使之更适合物联网信息传输。对于下一代移动通信研究方向，也会考虑新型信息产业的因素，将物联网数据特性作为网络演进考虑方向之一。 3.2.3 物联网信息传输及与移动互联网融合 物联网信息数据的传输依靠通信网管道，而感知层汇聚节点由于位置往往不固定，或部署有线接入条件受
8、限，一般接人传输网络依靠无线接人。其接入移动互联网的方式，大致可以分为两种：直接接入：移动终端之间接入移动互联网。此方式使得大量的终端接人移动通信网络，单用户分配到的时频资源被压缩，会对通信质量产生很大影响；间接接入：通过连接其他移动终端接人移动互联网。可穿戴设备需要将数据通过短距离移动通信（如蓝牙、WiFi 等）上传至移动终端，再由移动终端通过移动互联网上传同步至云端服务器。 借助移动互联网和智能移动终端的推动，物联网应用得以迅速发展普及，物联网与移动互联网呈现出融合发展的趋势。 4.物联网与移动互联网的融合发展的频谱资源需求 移动互联网将通信和互联网二者结合，在 3G 时代起步发展，在 4
9、G 商用后逐渐发展成为产业，其主要面向个人用户市场，侧重提供面向大众的消费。当5前移动互联网处于高速发展时期，例如微信、移动支付等成功的产品和服务模式不断向各个行业延伸，传统的互联网企业将研发移动互联网应用作为企业新业务开拓或企业转型方向。处于初步发展阶段的物联网，融人移动互联网元素，将移动互联网作为物联网载体和平台，成为目前物联网发展的创新方向。 4.1 物联网产业链划分 物联网主要由设备制造商、网络运营商、系统集成商、平台供应商等组成物联网产业链，产业链的体系构架按感知层、网络层和应用层分成三个网络层。 物联网各层中与频谱资源相关的是网络层，网络层也可分为三层网络：接入网、核心网和业务网，
10、通过无线方式接人的无线接入网需要占用频谱资源。网络层对应的产业链主体是电信运营商，利用运营商现有“管道” （包括无线接人和传输）进行物联网信息传输是目前常用的解决方案。 4.2 无线接入网中物联网数据包分类策略 如第 3 节所述，感知层汇聚节点由于位置往往不固定，或部署有线接人条件受限，一般依靠无线方式接入网络层。通过携带通信芯片的汇聚节点接入运营商网络是物联网应用商比较常用的方式，借助运营商包括无线接入网和有线传输网等在内的移动通信网，构成物联网信息传输的“管道” 。 目前基于移动通信网的物联网业务，按数据包大小分类策略进行分类传输，考虑网络特性，小包业务主要承载在 2G 网络，3/4G 与
11、 4G+网络6未来将主要承载中、大包类业务。为保证物联网应用产生数据流量的可靠性、实时性，运营商往往通过设置 QoS（服务质量）方式保证数据流优先发送，这虽然在业务量不高的区域提高了无线网络频谱利用率，但是在移动业务密集的区域增大了网络负荷，会对网络造成一定影响。 考虑到“万物互联”的落地实施以及技术发展趋势，未来也有可能发展适合物联网特性的专有网络、专有频段。目前物联网产业利用2.4GHz 和 5.8GHz 等 ISM 频段（此频段主要开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，无需授权许可）部署物联网专有无线接入网络，但是开放的频段干扰情况较为严重，给物联网产业划分专有频谱资源成为业界的迫切需求。 5.科学规划物联网时代频谱提高频谱利用率 随着物联网产业及其应用的快速发展，物联网已成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机” 。作为无线电技术发展的基础，频谱资源愈显稀缺珍贵。面对当前无线电频谱资源稀缺与紧张的现实，一方面相关部门可根据通信业务发展趋势，加大相关领域的研究，对现有频谱资源进行规划整合，在频谱规划阶段将新型产业纳入规划范畴，通过科学规划、合理配置稀缺的无线电频谱资源，最大限度地提高频谱利用率。另一方面，无线通信技术演进伴随着频谱利用率的提升，有必要主动整合释放频谱利用率较低的资源，适时释放一部分空闲频谱，实现对清闲频段的资源利用，缓解当前中低频段的需求压力。
