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摘要：物联网是通信与信息技术发展与融合的必然趋势，其快速发展，将会对频谱资源的管理利用提出新的挑战。文中阐述了物联网的定义，分析了物联网发展对频谱资源的需求，最后提出了科学规划频谱、提高频谱利用率的改进措施。
关键词：物联网；频谱；认知无线电；频谱池
中图分类号：TP273-34
文献标识码：A
文章编号：2095-1302(2011)01-0052-04
0 引言
通信与信息技术的日益月新，尤其是移动通信从2G到3G，再到后续演进的IMT-Advanced(B3G)以及4G的快速发展，为人们对通信与信息的应用提供了无限遐想的空间。物联网(Internetof Things，IOT)的概念与技术也因此应运而生，并成为通信与信息技术发展与融合的必然趋势。然而，物联网的快速发展，离不开多样化的无线技术支持，无线技术的广泛应用将会对频谱资源管理利用提出新的挑战。因此，如何准确把握物联网用频设备的频谱需求，加强物联网频谱规划与分配的科学合理性，从而提高用频设备的工作效能，解决频谱资源短缺的瓶颈制约，已经成为影响未来物联网发展亟待解决的问题。
1 物联网的定义
物联网的定义是指通过射频识别(RFID)、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连接起来，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。它最初的概念是由美国麻省理工学院Auto-ID研究中心(Auto-ID Labs)在1999年提出。中国也是研究物联网的最早国家之一，早在20世纪90年代，物联网就已经提出，只是当时没有叫做物联网，而是称为传感网。
虽然物联网概念早就提出，但真正受到世界各国政府、企业和学术界重视是在2009年。2009年1月IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分。美国总统奥巴马在就职演讲后对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。2009年8月7日，温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察时指出，在国家重大科技专项中，要加快推进传感网发展，攻破其核心技术，并尽快建立中国的传感信息中心——“感知中国”中心。在“智慧地球”和“感知中国”的强力推动下，不少专家预计，物联网将是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，十年内可能大规模普及。
2 物联网对频谱的需求
物联网未来将应用于无法准确估量的行业和场景，必然产生海量终端，形成远远大于人与人通信互联的移动通信与无线接入的数据量。如果不加以重视，未来频谱资源的短缺将成为物联网发展难以克服的瓶颈。
第一，物联网的业务规模是通信业无法比拟的。据Forrester预测，到2020年，物物互联业务与现有人人通信互联的比例将达到30：1，即可能从60亿人口扩展到500亿甚至上万亿的机器和物体。有专家以家居应用为例，一个家庭布设几十个甚至上百个传感网终端或节点并不为过，但一个人不会随身携带几十部手机。除家庭之外，物联网还会在众多行业应用，其规模一定远远大于移动通信。因此，当物联网正式实现，有超过500亿以上的终端需要通过无线方式连接在一起时，其对频谱的需求不是如今已分配的移动通信和无线接入频率所能承担的。
第二，虽然目前物联网应用一般是小流量的M2M，但也有大量占用高带宽的应用，比如平安城市、公共交通等以视频图像为主的监控业务。以北京公交系统视频监控业务为例，目前北京有3万多辆公交车，如果每辆公交车上面布设4个摄像头，则3万辆公交车的数据总量预计将达到约180Gb／t，且对图像的连续性和实时性有较高要求，所以传输频谱需求绝不是目前2G，3G甚至未来4G可以轻松承载的。
第三，物联网的识别层将信息传感设备，如RFID装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用低功率技术，其中最被推崇的是Wi-Fi技术。如果将Wi-Fi用于物联网，Wi-Fi的频谱需求将大大超过目前已分配的频谱总量。按照预测，我国到2020年在设定150人同时使用Wi-Fi，其速率为200Kb／t，每用户忙时呼叫次数为0.15，每户平均呼叫时长为3000s的情况下，上下行共需的频率为2500MHz。而Wi-Fi用于物联网，在一个小区内的物品或设备数量可能远远多于150个，而且实时在线的比例更高，其频谱需求也将超过2500MHz，成为名副其实的用频“大户”。
第四，至今物联网的流量模型并没有权威研究结果，它肯定既不同于互联网流量模型，也不会等同于移动通信的流量模型。但是，物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或资源分配不平衡。这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于已有的无线通信，所以不能轻言物联网不存在频谱资源的制约。
3 改进措施
3.1科学规划无线频谱
频谱资源是无线应用发展的基础，没有频谱资源的支持，任何无线应用都难以展开。因为无线频谱资源的有限性，各种无线通信技术在构筑物联网时需要科学的无线频率规划，这样才可让各种无线技术的发展有章可循，不出现相互干扰的现象，充分发挥出各自的作用。因此，在无线融合发展的过程中，需要做好统筹规划，处理好频率划分问题。现在无线通信正在向更高速的方向发展，在这个过程中，把挖潜和向高频段拓展相结合。一方面利用从频分到时分、码分、空分再到OFDMA的技术进步，挖掘现有频段无线技术的发展潜力，推出LTE，WiMAX，UWB等新应用；另一方面通过技术研究，让无线电频谱的使用率越来越高，从HF，VHF，UHF一直到C，X，Ku，Ka，Q等，不断向更高频带发展，拓展无线频谱可用资源。
3.2提高现有频谱利用率
为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电(Cognitive Radio，CR)的概念，这同样可以用来解决物联网发展频谱资源短缺的问题。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机(Opportunistic Way)”的方式工作在已授权的范围内，但这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。CR的核心思想就是使无线通信设备具有 发现“频谱空洞”并合理利用的能力。认知无线电作为一种智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用，这将大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展的束缚。
因此，如果能在物联网建设中加入认知无线电技术，这势必能更好地满足物联网发展的频率需求，提高频谱的利用率。由于物联网中用户对带宽的要求，可用信道的数量和位置都是随时变化的，因此常规的频谱分配方法并不完全适用。
另外，要实现完全动态频谱分配(DynamicSpectrum Allocation，DSA)受到很多政策、标准及介入协议的限制。因此，目前基于CR频谱共享池(Spectrum Pooling)研究能满足这一需求。频谱池是CR的频谱共享的主要研究策略，其思想是将一部分分配给不同业务的频谱合成一个公共的频谱池，频谱池中的频谱是不连续的，并将整个频谱池划分为若干个子信道，已授权用户并不是任何时候都占用自己的所有信道，因此未授权的用户可以临时占用频谱池里的空闲信道。
基于CR频谱池思想提出的物联网频谱管理方案如图1所示。该方案既可以实现动态的频谱共享和DSA，又能满足物联网巨大的频谱需求。
(1)固定频谱分配
这是标准化组织提出的固定频谱分配方案的自然演进。在此方案中，仍然为每个运营商分配固定数量的频谱块，且这些频谱块的宽度是定值，不随时间与空间而改变。但是频带与无线接入技术(RAT)的分配不是独立进行的，各个频带有其对应的RAT，用户改变频带的同时也进行RAT的切换。
(2)共享频谱池的固定频谱分配
其与固定频谱分配的主要区别在于频谱池中的频段可以被任何RAT使用，同时保持相邻无线接入技术的兼容性。这种新的灵活频谱分配方法是一种高效频谱管理方案，对比以前的固定频谱分配方案，此方案可以根据业务需求为每种无线接入技术分配适量的频谱，也可以实现不同RAT之间的负载平衡。此方法为频谱资源提供了自平衡能力，因此，在必要情况下可为RAT提供更多的频谱资源。
(3)非固定频谱分配
在这种解决方案下，频谱分配是完全灵活的，不需要为每个运营商分配固定数量的频谱块，也不需要为每个RAT技术分配固定的带宽。每个频谱块的宽度随时间和空间动态变化。用户利用终端的重配置能力可接入任何的RAT。非固定频谱分配解决方案不需要对分配给每个运营商的RAT和载频进行预先定义，因此终端能够实现完全的(RAT和载频)重配置。在这种解决方案下，不同的无线接人技术在相同地理区域的不同地点共享相同的载波频率，然而，对比前面介绍的解决方案，此方案的实现需要更复杂的无限资源管理和更多的信令交互。
4 结语
物联网是信息与通信技术领域第二次大融合，是信息传感、传输与处理三大技术相互融合的产物。未来物联网对频谱的需求将是我们无法估量的，解决频谱资源短缺的瓶颈制约，已经成为影响物联网发展亟待解决的问题。本文提出的基于认知无线电的物联网频谱管理方案，能够有效提高无线频谱的利用率，满足物联网发展需要。
关键词：物联网；频谱；认知无线电；频谱池
中图分类号：TP273-34
文献标识码：A
文章编号：2095-1302(2011)01-0052-04
0 引言
通信与信息技术的日益月新，尤其是移动通信从2G到3G，再到后续演进的IMT-Advanced(B3G)以及4G的快速发展，为人们对通信与信息的应用提供了无限遐想的空间。物联网(Internetof Things，IOT)的概念与技术也因此应运而生，并成为通信与信息技术发展与融合的必然趋势。然而，物联网的快速发展，离不开多样化的无线技术支持，无线技术的广泛应用将会对频谱资源管理利用提出新的挑战。因此，如何准确把握物联网用频设备的频谱需求，加强物联网频谱规划与分配的科学合理性，从而提高用频设备的工作效能，解决频谱资源短缺的瓶颈制约，已经成为影响未来物联网发展亟待解决的问题。
1 物联网的定义
物联网的定义是指通过射频识别(RFID)、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连接起来，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。它最初的概念是由美国麻省理工学院Auto-ID研究中心(Auto-ID Labs)在1999年提出。中国也是研究物联网的最早国家之一，早在20世纪90年代，物联网就已经提出，只是当时没有叫做物联网，而是称为传感网。
虽然物联网概念早就提出，但真正受到世界各国政府、企业和学术界重视是在2009年。2009年1月IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分。美国总统奥巴马在就职演讲后对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。2009年8月7日，温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察时指出，在国家重大科技专项中，要加快推进传感网发展，攻破其核心技术，并尽快建立中国的传感信息中心——“感知中国”中心。在“智慧地球”和“感知中国”的强力推动下，不少专家预计，物联网将是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，十年内可能大规模普及。
2 物联网对频谱的需求
物联网未来将应用于无法准确估量的行业和场景，必然产生海量终端，形成远远大于人与人通信互联的移动通信与无线接入的数据量。如果不加以重视，未来频谱资源的短缺将成为物联网发展难以克服的瓶颈。
第一，物联网的业务规模是通信业无法比拟的。据Forrester预测，到2020年，物物互联业务与现有人人通信互联的比例将达到30：1，即可能从60亿人口扩展到500亿甚至上万亿的机器和物体。有专家以家居应用为例，一个家庭布设几十个甚至上百个传感网终端或节点并不为过，但一个人不会随身携带几十部手机。除家庭之外，物联网还会在众多行业应用，其规模一定远远大于移动通信。因此，当物联网正式实现，有超过500亿以上的终端需要通过无线方式连接在一起时，其对频谱的需求不是如今已分配的移动通信和无线接入频率所能承担的。
第二，虽然目前物联网应用一般是小流量的M2M，但也有大量占用高带宽的应用，比如平安城市、公共交通等以视频图像为主的监控业务。以北京公交系统视频监控业务为例，目前北京有3万多辆公交车，如果每辆公交车上面布设4个摄像头，则3万辆公交车的数据总量预计将达到约180Gb／t，且对图像的连续性和实时性有较高要求，所以传输频谱需求绝不是目前2G，3G甚至未来4G可以轻松承载的。
第三，物联网的识别层将信息传感设备，如RFID装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等与网络连接在一起，方便识别和管理，而这种连接将采用低功率技术，其中最被推崇的是Wi-Fi技术。如果将Wi-Fi用于物联网，Wi-Fi的频谱需求将大大超过目前已分配的频谱总量。按照预测，我国到2020年在设定150人同时使用Wi-Fi，其速率为200Kb／t，每用户忙时呼叫次数为0.15，每户平均呼叫时长为3000s的情况下，上下行共需的频率为2500MHz。而Wi-Fi用于物联网，在一个小区内的物品或设备数量可能远远多于150个，而且实时在线的比例更高，其频谱需求也将超过2500MHz，成为名副其实的用频“大户”。
第四，至今物联网的流量模型并没有权威研究结果，它肯定既不同于互联网流量模型，也不会等同于移动通信的流量模型。但是，物联网的规模巨大，尽管有些业务每次传输的数据量不一定非常大，甚至只有几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非常实时的传输要求。另外，移动蜂窝网络着重考虑用户数量，而物联网数据流量具有突发特性，可能会造成大量用户堆积在热点区域，引发网络拥塞或资源分配不平衡。这些都会造成物联网对频谱的需求方式和规划方式有别于已有的无线通信，所以不能轻言物联网不存在频谱资源的制约。
3 改进措施
3.1科学规划无线频谱
频谱资源是无线应用发展的基础，没有频谱资源的支持，任何无线应用都难以展开。因为无线频谱资源的有限性，各种无线通信技术在构筑物联网时需要科学的无线频率规划，这样才可让各种无线技术的发展有章可循，不出现相互干扰的现象，充分发挥出各自的作用。因此，在无线融合发展的过程中，需要做好统筹规划，处理好频率划分问题。现在无线通信正在向更高速的方向发展，在这个过程中，把挖潜和向高频段拓展相结合。一方面利用从频分到时分、码分、空分再到OFDMA的技术进步，挖掘现有频段无线技术的发展潜力，推出LTE，WiMAX，UWB等新应用；另一方面通过技术研究，让无线电频谱的使用率越来越高，从HF，VHF，UHF一直到C，X，Ku，Ka，Q等，不断向更高频带发展，拓展无线频谱可用资源。
3.2提高现有频谱利用率
为了解决频谱资源匮乏的问题，基本思路就是尽量提高现有频谱的利用率。为此，人们提出了认知无线电(Cognitive Radio，CR)的概念，这同样可以用来解决物联网发展频谱资源短缺的问题。认知无线电的基本出发点就是：为了提高频谱利用率，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“伺机(Opportunistic Way)”的方式工作在已授权的范围内，但这一定要建立在已授权频段没用或只有很少的通信业务在活动的情况下。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空洞”。CR的核心思想就是使无线通信设备具有 发现“频谱空洞”并合理利用的能力。认知无线电作为一种智能的频谱共享技术，能够依靠人工智能的支持，感知无线通信环境，根据一定的学习和决策算法，实时自适应地改变系统工作参数，动态地检测和有效地利用空闲频谱，理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用，这将大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展的束缚。
因此，如果能在物联网建设中加入认知无线电技术，这势必能更好地满足物联网发展的频率需求，提高频谱的利用率。由于物联网中用户对带宽的要求，可用信道的数量和位置都是随时变化的，因此常规的频谱分配方法并不完全适用。
另外，要实现完全动态频谱分配(DynamicSpectrum Allocation，DSA)受到很多政策、标准及介入协议的限制。因此，目前基于CR频谱共享池(Spectrum Pooling)研究能满足这一需求。频谱池是CR的频谱共享的主要研究策略，其思想是将一部分分配给不同业务的频谱合成一个公共的频谱池，频谱池中的频谱是不连续的，并将整个频谱池划分为若干个子信道，已授权用户并不是任何时候都占用自己的所有信道，因此未授权的用户可以临时占用频谱池里的空闲信道。
基于CR频谱池思想提出的物联网频谱管理方案如图1所示。该方案既可以实现动态的频谱共享和DSA，又能满足物联网巨大的频谱需求。
(1)固定频谱分配
这是标准化组织提出的固定频谱分配方案的自然演进。在此方案中，仍然为每个运营商分配固定数量的频谱块，且这些频谱块的宽度是定值，不随时间与空间而改变。但是频带与无线接入技术(RAT)的分配不是独立进行的，各个频带有其对应的RAT，用户改变频带的同时也进行RAT的切换。
(2)共享频谱池的固定频谱分配
其与固定频谱分配的主要区别在于频谱池中的频段可以被任何RAT使用，同时保持相邻无线接入技术的兼容性。这种新的灵活频谱分配方法是一种高效频谱管理方案，对比以前的固定频谱分配方案，此方案可以根据业务需求为每种无线接入技术分配适量的频谱，也可以实现不同RAT之间的负载平衡。此方法为频谱资源提供了自平衡能力，因此，在必要情况下可为RAT提供更多的频谱资源。
(3)非固定频谱分配
在这种解决方案下，频谱分配是完全灵活的，不需要为每个运营商分配固定数量的频谱块，也不需要为每个RAT技术分配固定的带宽。每个频谱块的宽度随时间和空间动态变化。用户利用终端的重配置能力可接入任何的RAT。非固定频谱分配解决方案不需要对分配给每个运营商的RAT和载频进行预先定义，因此终端能够实现完全的(RAT和载频)重配置。在这种解决方案下，不同的无线接人技术在相同地理区域的不同地点共享相同的载波频率，然而，对比前面介绍的解决方案，此方案的实现需要更复杂的无限资源管理和更多的信令交互。
4 结语
物联网是信息与通信技术领域第二次大融合，是信息传感、传输与处理三大技术相互融合的产物。未来物联网对频谱的需求将是我们无法估量的，解决频谱资源短缺的瓶颈制约，已经成为影响物联网发展亟待解决的问题。本文提出的基于认知无线电的物联网频谱管理方案，能够有效提高无线频谱的利用率，满足物联网发展需要。