基于IEEE 802.11ah协议的物联网1GHz以下候选频段分析

李明明，钱肇钧

（国家无线电监测中心，北京 100037）

1 引言

2012年6月ITU-T通过的Y.2060[1]建议书，将物联网定义为：“物联网是信息社会的一个全球基础设施，它基于现有和未来可互操作的信息和通信技术，通过物理的和虚拟的物物相联，来提供更好的服务”。它包含两个含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网是通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

作为新一代信息技术产业的重要组成部分，物联网在各国的发展均得到了充分的重视。2008年以来，美、日、韩和欧盟均已针对垂直行业的应用，推广M2M业务。不论这些国家或联盟有无国家层面的物联网战略规划，但他们凭借在底层芯片、软件、高端应用集成等领域的技术优势，通过龙头企业和基础性行业的物联网应用，已逐渐打造出相对实力较强的物联网产业，并通过政府和企业一系列战略布局，不断扩展和提升产业国际竞争力。我国为加快推进物联网有序健康发展，国家发改委、工信部、科技部、教育部、国家标准委联合物联网发展部际联席会议相关成员单位，也按照国务院会议精神及《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》（国发〔2013〕7号）[2]要求，制定了顶层设计、标准制定、技术研发、应用推广等10个物联网发展相关的专项行动计划。

未来，物联网与已有广泛应用的传感器网络将会以一系列ICT创新为基础，建立一个泛在社会。而无线通信技术是这个泛在社会不可或缺的载体，这都让人思考：物联网到底需要怎样的无线通信技术革新？为什么IEEE要针对物联网无线通信设立专门的802.11ah标准而不沿用之前的IEEE802.11标准？物联网业务应该使用什么样的无线电频谱资源？第一个问题是一个开放且发展的问题，虽然ITU-T Y.2061[3]，Y.2080[4]等建议书对这个问题已进行了初步回答，但这个答案仍会虽然时间、应用场景、技术发展等有所变化。本文主要讨论第二个问题。

2 物联网新标准IEEE 802.11ah

发展物联网首先要解决标准问题，缺失统一标准，会导致出现物联网产品创新慢、业务成本高、服务质量差等突出问题。

802.11 系列协议是国际电工电子工程学会（IEEE）为无线局域网络（WLAN）制定的标准。从1997年至今，该协议族已经发布（或正在制定）的802.11标准达到20余项，涉及物理层增强技术、服务质量（QoS）保证、业务支撑能力、安全管控机制、组网方式、网络管理、使用频段与其他网络的兼容及融合等多方面技术内容，初步构建了一套WLAN技术标准体系。但是，以往的IEEE 802.11系列标准若用于物联网领域则存在以下问题：

⊙ 最初版本的IEEE 802.11协议未将网络节点的功耗考虑进去，因而不能为物物相连的泛在世界提供绿色节能的保障；

⊙ 目前广泛应用的802.11标准主要用在2.4GHz和5GHz频段，这两段免执照频段的传播特性决定了物联网节点不适合在两个频段内做超大规模、远距离室外部署。

为了满足物联网各种业务发展的需求，IEEE启动了面向物联网应用的1GHz以下低频段WLAN标准802.11ah的制定。802.11ah可以作为物联网新的协议标准，首先，因为其在物理层使用OFDM技术，有增强型的IEEE802.11 MAC层技术匹配其物理层技术，并提供相应的机制以支持其与802.15.4以及802.15.4g的共存。其设计的目的是将广泛用于5GHz和2.4GHz频段的WLAN协议向更低的ISM频段迁移，以保障室外接入时更大的网络覆盖，并以低功耗、低、中速率等特点支持多用户。其次，使用Sub 1GHz频段的802.11ah协议，因其自身的技术优势和低频段资源优势，可以在智能电网、智能农业与环境监测、工业自动化、视频监控、楼宇自动化、智能医疗领域广泛应用。因此，自2010年4月IEEE专门成立SGah工作组以来，即受到了国、内外主流公司的积极关注。随着各国提案的逐步提交及讨论，至2013年中旬，802.11ah已进入标准草案制定阶段，预计2015年，基于802.11ah协议的芯片和系统将逐步投入市场，而正式标准将于2016年发布。

3 国际ISM频段的划分和使用情况

物联网发展要解决的最大困难就是频谱资源问题。要实现一个完全互联互通的物联网世界，1GHz以下频谱资源是保障更大网络覆盖的关键因素。

3.1 国际ISM频段的划分情况

ISM频段是由ITU-R在无线电规则[5]第一章第一条里定义，主要开放给工业、科学、医学三个主要机构使用的免授权频段。在无线电规则的5.138，5.280，5.150脚注里规定了ISM频段所包含的频段范围，见表1。并在第四章第15条15.13款里定义了工业、科学和医疗所用设备产生的干扰。使用ISM频段时，需要保证设备的发射功率不能过大（一般低于1W），并且不能对其他频段造成干扰。

表1 ISM频段国际划分表

3.2 美国Sub 1GHz ISM频段划分及使用情况

虽然ITU-R做了上述规定，但在ISM频段在不同的国家里规定并不统一。在美国，根据美国联邦无线电频率划分表（FCC Rules & Regulations）part 18[5]的规定，工科医设备可以使用9kHz以上，除用于安全、搜救和救援业务的490-510kHz，2170-2194kHz，8354-8374kHz，121.4-121.6MHz，156.7-156.9MHz，242.8-243.2MHz等频段外的任何频段。美国已经分配的Sub 1GHz ISM频段、频率容限及使用限制见表2。

表2 美国Sub 1GHz ISM频段规划及使用情况

915 MHz ±13.0 MHz按美国联邦无线电频率划分表（eCFR）part 15§15.243、§15.245、§15.247、§15.249小节使用。按30米处距离计，任何发射的带内场强不得超过500微伏/米。带外发射的限值按3米处距离处，不得超过200微伏/米计算。若用于场强扰动感测器设备，按3米处距离处，发射的带内场强不得超过500微伏/米，有害发射场强按3米处距离处不得超过1.6微伏/米计算，带外发射的限值按3米处距离处，不得超过200微伏/米。若该频段用于跳频，跳频信道的20dB占用带宽小于250kHz，系统使用50跳，在一个20秒的周期内，平均每个频带占用时间长度小于0.4秒。如若跳频信道的20dB占用带宽大于等于250kHz，则在一个10秒的周期内，平均每个频带占用时间长度小于0.4秒。最大的跳频信道的20dB占用带宽为500kHz。§15.249规定了故意辐射装置的使用限值

根据美国现有的划分，表2中可以作为公众移动通信系统免执照使用的1GHz以下的频段为902-928MHz，该频段的频带宽度为26MHz。根据FCC发布的美国联邦无线电频率划分表，图1描述了902-928MHz频段在美国的使用情况：目前已经规划的主要业务是定位和监测业务以及业余无线电。其中定位和监测业务有两种：多点定位系统和非多点定位系统。多点定位系统用在大区域范围内跟踪和定位对象；非多点定位系统通过特定位置与对象进行数据交互（比如自动收费或者有轨汽车）。而且，LMS需要忍受其他次要业务的干扰。目前，这两种业务均有多张在使用的执照，但实际上该频段内并不存在多点定位系统，因该类系统一直未投入生产和使用。

图1 902-928MHz频段在美国的使用情况

3.3 欧盟Sub 1GHz ISM频段划分及使用情况

根据ECC于2013年10月通过的欧洲无线电频率划分表[7]，欧洲已经分配的ISM频段、划分及使用限制见表3。

表3 欧洲Sub 1GHz ISM频段规划及使用情况

在欧洲，表3所示的ISM频段无法满足1GHz以下适用于IEEE 802.11ah的划分，但IEEE 802.11ah协议是作为物联网新协议标准，其预构建低功耗、低、中速率的广覆盖网络。所以，在欧洲可以根据CEPT建议书[8]及[9]按照短距离微功率设备的限值给出IEEE 802.11ah适用的频段为862-870MHz，共8MHz。文献[10]给出了CEPT关于此频段现行及未来的规划使用方案。具体的使用情况请见图2。

图2 862-870 MHz频段在欧洲的使用情况

3.4 我国Sub 1GHz ISM频段划分及规划情况

我国ISM频段的划分情况可以参见《中华人民共和国无线电频率划分规定》[11]的两条脚注5.138和5.150。我国于2005年发布的信部无〔2005〕423号文[12]，对微功率（短距离）无线电设备的发射限值做了相关规定，这里不再赘述。工业与信息化部电信研究院于2011年提交给IEEE SGah工作组的文稿[13]详细分析了我国Sub 1GHz可能适用于IEEE 802.11ah的频段见表4。

表4 我国Sub 1GHz ISM频段可能规划

4 基于IEEE 802.11ah协议的物联网Sub 1GHz频段可能的规划情况

根据各国对于IEEE SGah工作组的建议，我们总结了各国当前Sub 1GHz可能适用于IEEE 802.11ah的频段，并根据这些频段的使用限制在以下地区制定了可能适用于IEEE 802.11ah的候选频段建议，见表5。

表5 基于802.11ah的物联网可能的候选频段

寻找合适的频谱是技术标准化以及产业化的前提条件。究竟表5中的频谱是否就是802.11ah适用的频谱，还需要基于802.11ah物联网应用场景及典型业务特征分析物联网频谱需求，并根据802.11ah典型场景，完成候选频段的相关共存研究以支撑未来基于802.11ah的物联网技术、应用和产业发展。国内相关单位应更积极地参与到802.11ah相关标准化工作中来，以支撑我国在802.11ah的技术研发、标准化和产业化工作方面掌控话语权。

[1] ITU-T: Y.2006. Overview of Internet of Things. Rev.1, 2012.

[2] 国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见.国发〔2013〕7号，2013年2月17日.http://www.gov.cn/zwgk/2013-02/17/content_2333141.htm.

[3] ITU-T: Y.2061. Requirements for the support of machine-oriented communication applications in the next generation network environment.2012.

[4] ITU-T: Y.2080. Functional architecture for distributed service networking.2012.

[5] ITU-R: Radio Regulations. Edition of 2012, 2012.

[6] FCC。The FCCs rules and regulations：Title 47 of the Code of Federal Regulations. April 22, 2014, http://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID=17c 7ed468e37b7658051032071ee9254&node=47:1.0.1.1.16&rgn=div5.

[7] ECC. The European Table of Frequency Allocations and Applications in the Frequency Range 8.3 kHz to 3000 GHz. October, 2013.

[8] CEPT. ERC RECOMMENDATION 70-03: Relating to the Use of Short Range Devices (SRD). 2011.

[9] CEPT. ETSI EN 300 220-1:Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM);Short Range Devices (SRD);Radio equipment to be used in the 25 MHz to 1 000 MHz frequency range with power levels ranging up to 500mW; Part 1: Technical characteristics and test methods.V2.3.1, 2010.

[10] CEPT. ECC Report11：Strategic Plans for the Future Use of the Frequency Bands 862-870 MHz and 2400-2483.5 MHz for Short Range Devices, May 2002.

[11] 中华人民共和国工业和信息化部令第26号《中华人民共和国无线电频率划分规定》，2013年11月5日.

[12] 《关于发布〈微功率（短距离）无线电设备的技术要求〉的通知》（信部无〔2005〕423号）.

[13] IEEE. S1G Spectrum Regulations in China, 18th, July, 2011. https://mentor.ieee.org/802.11/documents?is_group=00ah.