李明明，錢(qián)肇鈞

（國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

1 引言

2012年6月ITU-T通過(guò)的Y.2060[1]建議書(shū)，將物聯(lián)網(wǎng)定義為：“物聯(lián)網(wǎng)是信息社會(huì)的一個(gè)全球基礎(chǔ)設(shè)施，它基于現(xiàn)有和未來(lái)可互操作的信息和通信技術(shù)，通過(guò)物理的和虛擬的物物相聯(lián)，來(lái)提供更好的服務(wù)”。它包含兩個(gè)含義：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

作為新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，物聯(lián)網(wǎng)在各國(guó)的發(fā)展均得到了充分的重視。2008年以來(lái)，美、日、韓和歐盟均已針對(duì)垂直行業(yè)的應(yīng)用，推廣M2M業(yè)務(wù)。不論這些國(guó)家或聯(lián)盟有無(wú)國(guó)家層面的物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃，但他們憑借在底層芯片、軟件、高端應(yīng)用集成等領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)龍頭企業(yè)和基礎(chǔ)性行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，已逐漸打造出相對(duì)實(shí)力較強(qiáng)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，并通過(guò)政府和企業(yè)一系列戰(zhàn)略布局，不斷擴(kuò)展和提升產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)為加快推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展，國(guó)家發(fā)改委、工信部、科技部、教育部、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展部際聯(lián)席會(huì)議相關(guān)成員單位，也按照國(guó)務(wù)院會(huì)議精神及《關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（國(guó)發(fā)〔2013〕7號(hào)）[2]要求，制定了頂層設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用推廣等10個(gè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展相關(guān)的專項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃。

未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)與已有廣泛應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)以一系列ICT創(chuàng)新為基礎(chǔ)，建立一個(gè)泛在社會(huì)。而無(wú)線通信技術(shù)是這個(gè)泛在社會(huì)不可或缺的載體，這都讓人思考：物聯(lián)網(wǎng)到底需要怎樣的無(wú)線通信技術(shù)革新？為什么IEEE要針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信設(shè)立專門(mén)的802.11ah標(biāo)準(zhǔn)而不沿用之前的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)？物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)該使用什么樣的無(wú)線電頻譜資源？第一個(gè)問(wèn)題是一個(gè)開(kāi)放且發(fā)展的問(wèn)題，雖然ITU-T Y.2061[3]，Y.2080[4]等建議書(shū)對(duì)這個(gè)問(wèn)題已進(jìn)行了初步回答，但這個(gè)答案仍會(huì)雖然時(shí)間、應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)發(fā)展等有所變化。本文主要討論第二個(gè)問(wèn)題。

2 物聯(lián)網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11ah

發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)首先要解決標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，缺失統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品創(chuàng)新慢、業(yè)務(wù)成本高、服務(wù)質(zhì)量差等突出問(wèn)題。

802.11 系列協(xié)議是國(guó)際電工電子工程學(xué)會(huì)（IEEE）為無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）制定的標(biāo)準(zhǔn)。從1997年至今，該協(xié)議族已經(jīng)發(fā)布（或正在制定）的802.11標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20余項(xiàng)，涉及物理層增強(qiáng)技術(shù)、服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證、業(yè)務(wù)支撐能力、安全管控機(jī)制、組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡(luò)管理、使用頻段與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容及融合等多方面技術(shù)內(nèi)容，初步構(gòu)建了一套WLAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。但是，以往的IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)若用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域則存在以下問(wèn)題：

⊙ 最初版本的IEEE 802.11協(xié)議未將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗考慮進(jìn)去，因而不能為物物相連的泛在世界提供綠色節(jié)能的保障；

⊙ 目前廣泛應(yīng)用的802.11標(biāo)準(zhǔn)主要用在2.4GHz和5GHz頻段，這兩段免執(zhí)照頻段的傳播特性決定了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)不適合在兩個(gè)頻段內(nèi)做超大規(guī)模、遠(yuǎn)距離室外部署。

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)各種業(yè)務(wù)發(fā)展的需求，IEEE啟動(dòng)了面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的1GHz以下低頻段WLAN標(biāo)準(zhǔn)802.11ah的制定。802.11ah可以作為物聯(lián)網(wǎng)新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，首先，因?yàn)槠湓谖锢韺邮褂肙FDM技術(shù)，有增強(qiáng)型的IEEE802.11 MAC層技術(shù)匹配其物理層技術(shù)，并提供相應(yīng)的機(jī)制以支持其與802.15.4以及802.15.4g的共存。其設(shè)計(jì)的目的是將廣泛用于5GHz和2.4GHz頻段的WLAN協(xié)議向更低的ISM頻段遷移，以保障室外接入時(shí)更大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并以低功耗、低、中速率等特點(diǎn)支持多用戶。其次，使用Sub 1GHz頻段的802.11ah協(xié)議，因其自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和低頻段資源優(yōu)勢(shì)，可以在智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化、視頻監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化、智能醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因此，自2010年4月IEEE專門(mén)成立SGah工作組以來(lái)，即受到了國(guó)、內(nèi)外主流公司的積極關(guān)注。隨著各國(guó)提案的逐步提交及討論，至2013年中旬，802.11ah已進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)草案制定階段，預(yù)計(jì)2015年，基于802.11ah協(xié)議的芯片和系統(tǒng)將逐步投入市場(chǎng)，而正式標(biāo)準(zhǔn)將于2016年發(fā)布。

3 國(guó)際ISM頻段的劃分和使用情況

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展要解決的最大困難就是頻譜資源問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)世界，1GHz以下頻譜資源是保障更大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵因素。

3.1 國(guó)際ISM頻段的劃分情況

ISM頻段是由ITU-R在無(wú)線電規(guī)則[5]第一章第一條里定義，主要開(kāi)放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用的免授權(quán)頻段。在無(wú)線電規(guī)則的5.138，5.280，5.150腳注里規(guī)定了ISM頻段所包含的頻段范圍，見(jiàn)表1。并在第四章第15條15.13款里定義了工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療所用設(shè)備產(chǎn)生的干擾。使用ISM頻段時(shí)，需要保證設(shè)備的發(fā)射功率不能過(guò)大（一般低于1W），并且不能對(duì)其他頻段造成干擾。

表1 ISM頻段國(guó)際劃分表

3.2 美國(guó)Sub 1GHz ISM頻段劃分及使用情況

雖然ITU-R做了上述規(guī)定，但在ISM頻段在不同的國(guó)家里規(guī)定并不統(tǒng)一。在美國(guó)，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦無(wú)線電頻率劃分表（FCC Rules & Regulations）part 18[5]的規(guī)定，工科醫(yī)設(shè)備可以使用9kHz以上，除用于安全、搜救和救援業(yè)務(wù)的490-510kHz，2170-2194kHz，8354-8374kHz，121.4-121.6MHz，156.7-156.9MHz，242.8-243.2MHz等頻段外的任何頻段。美國(guó)已經(jīng)分配的Sub 1GHz ISM頻段、頻率容限及使用限制見(jiàn)表2。

表2 美國(guó)Sub 1GHz ISM頻段規(guī)劃及使用情況

915 MHz ±13.0 MHz按美國(guó)聯(lián)邦無(wú)線電頻率劃分表（eCFR）part 15§15.243、§15.245、§15.247、§15.249小節(jié)使用。按30米處距離計(jì)，任何發(fā)射的帶內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)不得超過(guò)500微伏/米。帶外發(fā)射的限值按3米處距離處，不得超過(guò)200微伏/米計(jì)算。若用于場(chǎng)強(qiáng)擾動(dòng)感測(cè)器設(shè)備，按3米處距離處，發(fā)射的帶內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)不得超過(guò)500微伏/米，有害發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)按3米處距離處不得超過(guò)1.6微伏/米計(jì)算，帶外發(fā)射的限值按3米處距離處，不得超過(guò)200微伏/米。若該頻段用于跳頻，跳頻信道的20dB占用帶寬小于250kHz，系統(tǒng)使用50跳，在一個(gè)20秒的周期內(nèi)，平均每個(gè)頻帶占用時(shí)間長(zhǎng)度小于0.4秒。如若跳頻信道的20dB占用帶寬大于等于250kHz，則在一個(gè)10秒的周期內(nèi)，平均每個(gè)頻帶占用時(shí)間長(zhǎng)度小于0.4秒。最大的跳頻信道的20dB占用帶寬為500kHz?！?5.249規(guī)定了故意輻射裝置的使用限值

根據(jù)美國(guó)現(xiàn)有的劃分，表2中可以作為公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)免執(zhí)照使用的1GHz以下的頻段為902-928MHz，該頻段的頻帶寬度為26MHz。根據(jù)FCC發(fā)布的美國(guó)聯(lián)邦無(wú)線電頻率劃分表，圖1描述了902-928MHz頻段在美國(guó)的使用情況：目前已經(jīng)規(guī)劃的主要業(yè)務(wù)是定位和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)以及業(yè)余無(wú)線電。其中定位和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)有兩種：多點(diǎn)定位系統(tǒng)和非多點(diǎn)定位系統(tǒng)。多點(diǎn)定位系統(tǒng)用在大區(qū)域范圍內(nèi)跟蹤和定位對(duì)象；非多點(diǎn)定位系統(tǒng)通過(guò)特定位置與對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)交互（比如自動(dòng)收費(fèi)或者有軌汽車(chē)）。而且，LMS需要忍受其他次要業(yè)務(wù)的干擾。目前，這兩種業(yè)務(wù)均有多張?jiān)谑褂玫膱?zhí)照，但實(shí)際上該頻段內(nèi)并不存在多點(diǎn)定位系統(tǒng)，因該類系統(tǒng)一直未投入生產(chǎn)和使用。

圖1 902-928MHz頻段在美國(guó)的使用情況

3.3 歐盟Sub 1GHz ISM頻段劃分及使用情況

根據(jù)ECC于2013年10月通過(guò)的歐洲無(wú)線電頻率劃分表[7]，歐洲已經(jīng)分配的ISM頻段、劃分及使用限制見(jiàn)表3。

表3 歐洲Sub 1GHz ISM頻段規(guī)劃及使用情況

在歐洲，表3所示的ISM頻段無(wú)法滿足1GHz以下適用于IEEE 802.11ah的劃分，但I(xiàn)EEE 802.11ah協(xié)議是作為物聯(lián)網(wǎng)新協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其預(yù)構(gòu)建低功耗、低、中速率的廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)。所以，在歐洲可以根據(jù)CEPT建議書(shū)[8]及[9]按照短距離微功率設(shè)備的限值給出IEEE 802.11ah適用的頻段為862-870MHz，共8MHz。文獻(xiàn)[10]給出了CEPT關(guān)于此頻段現(xiàn)行及未來(lái)的規(guī)劃使用方案。具體的使用情況請(qǐng)見(jiàn)圖2。

圖2 862-870 MHz頻段在歐洲的使用情況

3.4 我國(guó)Sub 1GHz ISM頻段劃分及規(guī)劃情況

我國(guó)ISM頻段的劃分情況可以參見(jiàn)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》[11]的兩條腳注5.138和5.150。我國(guó)于2005年發(fā)布的信部無(wú)〔2005〕423號(hào)文[12]，對(duì)微功率（短距離）無(wú)線電設(shè)備的發(fā)射限值做了相關(guān)規(guī)定，這里不再贅述。工業(yè)與信息化部電信研究院于2011年提交給IEEE SGah工作組的文稿[13]詳細(xì)分析了我國(guó)Sub 1GHz可能適用于IEEE 802.11ah的頻段見(jiàn)表4。

表4 我國(guó)Sub 1GHz ISM頻段可能規(guī)劃

4 基于IEEE 802.11ah協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)Sub 1GHz頻段可能的規(guī)劃情況

根據(jù)各國(guó)對(duì)于IEEE SGah工作組的建議，我們總結(jié)了各國(guó)當(dāng)前Sub 1GHz可能適用于IEEE 802.11ah的頻段，并根據(jù)這些頻段的使用限制在以下地區(qū)制定了可能適用于IEEE 802.11ah的候選頻段建議，見(jiàn)表5。

表5 基于802.11ah的物聯(lián)網(wǎng)可能的候選頻段

尋找合適的頻譜是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化以及產(chǎn)業(yè)化的前提條件。究竟表5中的頻譜是否就是802.11ah適用的頻譜，還需要基于802.11ah物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景及典型業(yè)務(wù)特征分析物聯(lián)網(wǎng)頻譜需求，并根據(jù)802.11ah典型場(chǎng)景，完成候選頻段的相關(guān)共存研究以支撐未來(lái)基于802.11ah的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位應(yīng)更積極地參與到802.11ah相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作中來(lái)，以支撐我國(guó)在802.11ah的技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化工作方面掌控話語(yǔ)權(quán)。

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

[2] 國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn).國(guó)發(fā)〔2013〕7號(hào)，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] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部令第26號(hào)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》，2013年11月5日.

[12] 《關(guān)于發(fā)布〈微功率（短距離）無(wú)線電設(shè)備的技術(shù)要求〉的通知》（信部無(wú)〔2005〕423號(hào)）.

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