物联网应用对频谱的需求分析

温 豪，张 京

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

伴随着物联网产业发展的日新月异，物联网技术对社会经济发展提供了新的解决方案，有助于提高工作效率，降低生产、管控成本，促进项目按时保质完成。但物联网应用发展对无线电频谱资源的需求日益显现，海量物联网设备相互干扰影响稳定，面临实际问题日趋显著。

1 在中长距离无线接入网中的需求

物联网除了需要短距离无线个域网的支持外，更离不开长距离无线接入网以支撑长距离传输业务的需求。长距离无线接入网络包括无线广域网、无线城域网等。

无线广域网（WWAN，Wireless Wide Area Network）代表移动联通的无线网络，特点传输距离<15km，传输速率大概3Mb/s，采用无线网络把物理距离极为分散的局域网（LAN）连接起来的通信方式。

WWAN 连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲。其目的是为了让分布较远的各局域网互连，它的结构分为末端系统（两端的用户集合）和通信系统（中间链路）两部分。IEEE802.20是WWAN 的重要标准，为了实现高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补IEEE802.1x 协议族在移动性上的劣势，频段在3.5GHz。

广域网通过室外无线网桥设备在各行各业具有广泛的应用，例如，税务系统采用无线网桥设备可实现各个税务点、税收部门和税务局的无线联网；电力系统采用无线网桥产品可以将分布于不同地区的各个变电站、电厂和电力局连接起来，实现信息交流和办公自动化。教育系统可以通过无线接入设备在学生宿舍、图书馆和教学楼之间建立网络连接。

无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（BWA）的市场需求。采用IEEE802.16标准，同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS 两方面的问题，以满足BWA 和最后一公里接入市场的需要。IEEE 制定的两种无线城域网标准分别是：IEEE802.16/WiMAX 和802.20/ WBMA。

下一代局域网主要针对两大应用：一是要求高速数据传输以及QoS 保证的应用（如无线4K 电视等）；二是为诸如大型企业或社区等高密度环境提供等同于有线网络性能的应用，采用IEEE802.11系列标准。几种长距离无线接入网络的频谱比较如表1、2、3所示。

2 在短距离无线网络中的需求

伴随着以WLAN、Bluetooth、UWB、ZigBee、RFID 这些短距离无线技术的日益成熟，物联网应用步伐不断加快。无线通信技术不断完善的同时与孤立的传感网结合，成为物联网发展最为关键的推动力和最为重要的组成部分，也成为智能控制和一系列行业信息化与智能化领域中的重要角色。

表1 3G/Wi-Fi/WiMax/MWBA对比表

表2 802.16标准频谱使用表

表3 802.11标准频谱使用表

表4 短距离无线通信技术对比表

物联网对以Wi-Fi 为首的低功率、短距离无线接入应用的频谱需求与己有频率资源之间存在很大差距。例如，我国在非授权的2.4GHz 和5.8GHz 频段为Wi-Fi 分配了208.5MHz 频率，与到2020年Wi-Fi 人与人通信所需的1500MHz 频率尚存巨大缺口，如果加上物与物通信的频谱需求，其频率缺口更大。短距离通信技术的比较如表4所示。

3 不同发展阶段物联网频谱的需求分析

物联网的发展需要经历三个阶段，在不同发展阶段中对频谱的需求及应用方式也有所差别。

第一阶段为机器互联阶段，即M2M 业务阶段。在此阶段通信对象主要是机器设备，尚未扩展到任何物品。通信过程中也以使用离散的终端节点为主。业务类型如汽车信息服务、车队管理、远程医疗、远程计量等。对承载网而言，称为混同承载阶段，即直接采用现有移动网络承载物联网业务，网络本身不作大的改动，网络参数基本不变。由于现有移动网络不能区分人与人的通信，还是物与物的通信，主要通过终端侧的配置以及对终端的管理来缓解网络的压力。因此，物联网业务直接依托运营商已有的2G、3G 或4G 网络的频率资源，频谱矛盾不显著。

第二阶段为局域感知阶段，在这个阶段“物”的范围不断扩大，传感网逐步引入。虽然传感网仍主要用作局域组网，但传感网已被视为通信网络终端节点的延伸，与通信网成为一个整体。运营商更加关注通信网络与传感网的融合，并通过物联网网关屏蔽传感网的差异性，使异构的传感网之间、传感网与通信网之间实现协同工作。此阶段对承载网而言，称为区别承载阶段（也称混合组网方式）是物联网业务发展中期，物联网应用规模的扩展对移动网络资源（如号码资源、传输资源乃至频率资源）造成了较大压力。这时需要对网络进行部分改造，使得网络能区分物与物的通信，从而采取不同的措施缓解网络压力，保证物联网业务质量。在这个阶段，物联网业务已有较大发展，通信业务量也有显著增加，此时将对运营商己有频谱资源造成较大压力。运营商除在已有频率中挖掘潜力为物联网业务所用之外，应积极寻求其它的频谱资源，以缓解物联网发展对频谱的压力。

第三阶段是广域感知阶段，在这个阶段传感网开始广域组网，遍布各处的传感网节点构成了全新的广域网络，并产生一些基于传感网的公共节点，这些公共节点作为物联网的基本组成部分，必然要实现广域管理，比如遵循统一的通信协议、实现广域寻址等。此阶段对承载网而言，也称为独立承载阶段。在独立承载阶段（也称为独立组网方式），物联网业务实现规模化发展后，将出现大量对通信质量要求较高的物联网应用，同时可能会产生通信相互干扰的问题。此时，应考虑采用隔离（物理/逻辑）的网络承载物联网，比如建设独立的接入网，在核心网中也划分专门的互联子网等方案解决。在此阶段，由于LTE 及4G 业务已得到长足发展，原有及预测的频谱将被大量占用，而5G、工业互联网、车联网、物联网等应用也进入了蓬勃发展期，新的频谱需求将十分迫切，频谱资源的供需矛盾将更加尖锐。

4 结束语

本文从物联网应用对频谱的需求分析为切入点介绍了物联网应用与频谱的关系，并具体分析了物联网在中长距离无线接入网中的需求、在短距离无线网络中的需求和不同发展阶段物联网频谱的需求。