物联网频谱需求的比较研究

物联网频率管理方面的论文

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物联网频谱需求的比较研究

何廷润

国家无线电频谱管理研究所

Ｉ摘要】频谱是物联网存在与发展的基础性资源，但目前对物联网频谱需求研究仍属空白。文章采用与４Ｇ频谱需求

预测比较研究的思路，探讨物联网频谱需求的框架并给出了２０２０年物联网频谱需求预测值。同时，针对物联网的不同发展阶段，论述了频率资源的应用方式。

【关键词ｌ物联网

频谱需求３Ｇ

４Ｇ

混同承载区别承载独立承载

１

刖舌

自２００９下半年开始，物联网在国内成为广泛关注的。热点”，但不容忽视的是，物联网正处于产业发展初

率需求预测及分配是以人与人的通信为目标的，并未完全包含人与物和物与物的通信与连接。比如，３Ｇ频率需求预测是遵循ＩＴＵ—ＲＭ．１３９０建议。主要考虑语音基础业务的系统频率需求。在预测的参数设置中，如用户密度

期，仍有许多瓶颈等待突破。在物联网存在与发展的诸多资源要素中，无线电频谱是当之无愧的基础性支撑资源。当前，在热衷推动物联网的标准、产业、装备和应用的不断发展中，切不可忽视频谱资源的紧缺对物联网

在中心商务区的室内环境为１４００００／ｋｍ２；中心商务区的

室外步行环境为１０００００１ｋｍ２；中心商务区的室外车辆环境为３０００／ｋｍ２。其中，并未考虑物联网的用户数量。另外，如各种业务的渗透率、忙时呼叫次数、呼叫持续时间等都是按照话音业务设置的。这些参数可能与物联网用户某些业务使用的参数大相径庭，如连续实时监测控

的制约。因此。在物联网标准、框架等顶层设计中应同

时部署对物联网频谱资源需求及规划的研究，以便寻求解决物联网频谱需求的良策。

制的应用场景，特别是视频监测的应用完全超出３Ｇ所能

２物联网频谱需求研究仍属空白

物联网的巨大规模。以及信息交互与传输以无线为主的特点，注定使物联网成为频谱资源需求的大户。首先。物联网的业务规模是通信业无法比拟的。据美国研究机构Ｆｏｒｒｅｓｔｅｒ预测，蛩Ｊ２０２０年物物互联业务与现有人与人的通信互联比例将达至ｌＪ３０：１，即可能从６０亿人口扩展蛩Ｊ５００亿乃至上万亿的机器和物体。因此，当物联网得

承载的速率，以及３Ｇ业务的应用方式。

再如，４Ｇ频率需求预测是遵循ＩＴＵ—ＲＭ．２０７８报告、ＩＴＵ—ＲＭ．２０７２报告和ＩＴＵ—ＲＭ．１７６８建议，在４Ｇ

系统中将由以语音业务为主转变为以多媒体通信业务为

主，以ｌＰ为基础的数据业务将主导４Ｇ移动通信网络。

因此．在预测４Ｇ频率需求时要涵盖未来演进的３Ｇ和４Ｇ系统支持的数据速率能力；业务等级要适应于具有不同带宽和ＱｏＳ需求的会话业务、交互式业务、流式业务和

后台处理式业务等混合业务的能力；能够对多个网络互

以大规模应用，将有超过５００亿以上的终端需要通过无线方式连接在一起，其对频谱的需求绝不是如今己分配的移动通信和无线接入频率所能承载的。

其次，有人将己分配的２Ｇ、３Ｇ和未来４Ｇ移动通信频率视为物联网传输层的频率资源，但是３Ｇ与４Ｇ的频

通建模，灵活处理不同环境中的混合无线接入技术的组

合。在人口密集城市中其用户密度至Ｕ２０２０年预测为２１．９万／ｋｍ２，显然是为人与人通信而设计的。当然，在４Ｇ设想的业务中包括了部分机器对机器、遥测、工业控制、

收稿日期：２０１０－０７—０６

视频监视等物联网类的应用。可以认为４Ｇ的频谱需求虽

责任编辑

周霞ｚｈｏｕｘｉａ＠ｍｂｃｏｍｃｉＢ：＞＞：＞

矽ｂ通信ｌ２０１０年第１ｓ期

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强Ⅲｉ“物联网技术与发展”专题；；

然是为人与人通信预测的，同时也包涵了部分如Ｍ２Ｍ等初期形态的物联网业务。但是，不能认为４Ｇ频谱预测中己涵盖了未来物联网的全部频谱需求。

究其原因，上述ＩＴＵ—Ｒ的报告与建议都形成于

２００５～２００６年，当时物联网的概念刚刚提出。物联网还

不像今天这样被视为信息产业划时代的浪潮。所以，至今物联网的流量模型及常见应用模型虽然有了一些研究，但并没有权威的研究结果。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，甚至是几十个字节，但是必须一次传输成功，有着非

常实时的传输要求。以物联网的视频应用为例，视频感知是国外物联网的典型应用。如远程专家诊断、远程医疗培训已经成为智慧医疗应用的一个必然组成部分；在智能电网中，输电线路远程视频监控系统、电网抢修视频采集和调度指挥；在智慧城市中，几乎所有的城市都可以看到城市视频安全监管等。而物联网的信息传输中，视频传输要求是最高的，也是占用频谱最多的业务。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，引发网络拥塞或者是资源分配不平衡的问题。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己有的无线通信。但是，至今物联网频谱需求研究仍是“空白”。

３物联网频谱需求的比较研究

在物联网用户及流量模型尚不明朗，以及ＩＴＵ也无权威建议的情况下，本文采用与４Ｇ频谱需求比较研究的思路。探讨物联网频谱需求的框架。

在ＩＴＵ—ＲＭ．２０７８报告：《ＩＭＴ一２０００和ｌＭＴ—Ａｄｖａｎｃｅｄ的未来发展估计的频谱带宽需求》中，对到２０２０年的频谱需求预测，如表１所示。

在三个运营商情况下，至１Ｊ２０２０年的频谱需求，如表２所示。

以上频谱需求是在满足ＩＴＵ—ＲＭ．２０７２报告：《世界移动通信市场预测》的《未来发展提供的应用程序／业务列表》９７项业务前提下预测的。在这些业务中包括物联

网性质的业务有１３项，如表３所示。

１

２｜蒙腊

万方数据

表１２０２０年ＲＡＴＧｌ和ＲＡＴＧ２的频谱需求《ＭＨｚ）

ＲＡＴＧｌ频率

ＲＡＴＧ２频率

总频率市场设置需求

需求

需求

先进型市场

８８０８４０１７２０后进型市场

８００

４８０

１２８０

注：ＲＡＴＧｌ为ＩＭＴ一２０００和ＩＭＴ－２０００增强型系统（这一分组包括了数字蜂窝移动系统，ＩＭＴ一２０００系统和ＩＭＴ一２０００增强型系统）。

ＲＡＴＧ２为ＩＭＴ—Ａｄｖａｎｃｅｄ系统（如ＩＴＵ－Ｒ

Ｍ－１６４５所描述

的新的移动接入和新的游牧／本地无线接入能力，但不包括其它任何已经包含在其它ＲＡＴＧ中的系统）。

表２

２０２０年三个运营商ＲＡＴＧｌ和ＲＡＴＧ２的

频谱需求｛ＭＨｚ）

市场设置ＲＡＴＧｌ频率的

ＲＡＴＧ２频率

总频率需求

需求

需求

先进型市场９６０１０２０１９８０后进型市场

８４０

７２０

１５６０

表３ＩＭＴ一２０００和后ｌＭＴ一２０００系统未来发展业务

列表中的物联网类业务

序号

业务

序号

业务１ｌＴＳ

（智能交通系统）

８遥测

２定位服务９上传视频数据监视

３定位服务／定位搜索１０远距离医学４

慢速扫描监视视频／

工业控制１１

卫生保健／远程诊断５

低速数据处理（例如ＲＦＩＤ）１２网络摄影机观测／监视６中速数据监视和处理１３

生活／教育／远程监视／

控制

７

机器对机器业务

这些物联网业务按通信量预测，至１Ｊ２０２０年其通信量因此，可将物联网业务在２０２０年的频谱需求视为占ＩＭＴ一２０００和后ＩＭＴ一２０００频谱总需求的１４％，那么物联网业务在２０２０年的频谱需求。如表４所示。

对以上物联网频率需求预测结论需要注意的是，其ＩＭＴ一２０００频谱总需求中。其二，ＩＴＵ—ＲＭ．２０７２报告：

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周霞ｚｈｏｕｘ｛ａ＠ｍｂｃｏｍｃｔ３

约占总通信量的１４％，如图１所示。

一，这些物联网业务所需频率已包涵在ＩＭＴ一２０００和后

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强“物联网技术与发展”专题强ｉ；ｉ

图１２０２０年的通信量类型

进型市场）；在三个运营商情况下为５９４ＭＨｚ（先进型市场）和４６８ＭＨｚ（后进型市场）。

第二，到２０２０年物联网通信量达到总通信量的５０％，那么物联网频谱需求，在一个运营商情况下为８６０ＭＨｚ（先进型市场）和６４０ＭＨｚ（后进型市场）；在三个运营商情况下为９９０ＭＨｚ（先进型市场）和７８０ＭＨｚ（后进型市场）。

第三，到２０２０年物联网通信量约达到总通信量的８０％，那么物联网频谱需求，在一个运营商情况下为１３７６ＭＨｚ（先进型市场）和１０２４ＭＨｚ（后进型市场）；在三个运营商情况下为１５８４ＭＨｚ（先进型市场）和１２４８ＭＨｚ（后进型市场）。如表５所示。

表４

市场设置先进型市场后进型市场

２０２０物联网业务的频率需求（ＭＨｚ）

１个运营商频率需求

２４１１７９

从以上比较研究的结果可见。物联网的发展对频谱提出大量新需求，也使频谱资源面临新的严峻挑战。

３个运营商频率需求

２７７２１８

４物联网不同发展阶段频谱需求分析

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。

《世界移动通信市场预测》中并不看好物联网的发展，虽然它肯定“在未来（２０２０年或者以后）的某些时刻，联网点、产品或者机器的数量可能超过联网的人数”也提到“高速无线宽带开启了新机器的出现的可能性，例如流式安全照相机”，但同时又作了悲观的预测，该报告认为

第一阶段为机器互联阶段，即目前的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

“除非位置感知变得更可靠，否则传感器网络不能在市场

现有移动网络承载物联网业务，网络本身不作大的改

上取得进展。如果你必须记录每个节点的位置，部署几十

动，网络参数基本不变。由于现有移动网络不能区分人

亿的传感器显然不是个好办法。当前，有关位置感知的技

与人的通信，还是物与物的通信，主要通过终端侧的配

术仍然处于早期研究阶段。可以进行巧妙的部署，这样传

置以及对终端的管理来缓解网络的压力。因此，此时物

感器的数量是足够小以至于位置不必是自动的，但是真正的传感器网络必须要等待”。

源，频谱矛盾不显著。

而现实状况是。物联网的发展步伐和趋势如火如茶，因此，可以判断到２０２０年物联网的业务类型和通信总量一定会大大超过ＩＴＵ—ＲＭ．２０７２｝Ｅ告的预想，其频谱需求也要大量增加。

本文作出三种假设：

第一，到２０２０年物联网通信量达到总通信量的３０％，那么物联网频谱需求，在一个运营商情

三个运营商一个运营商

后进型市场先进型市场后进型市场

３８４５９４４６８

６４０９９０７８０

１０２４１５８４１２４８

联网业务直接依托运营商已有的２Ｇ或３Ｇ网络的频率资

第二阶段为局域感知阶段。在这个阶段“物”的

表５

２０２０年物联网业务不同发展程度的频率需求预测

物联网业务所需频率（ＭＨｚ）

占总通信置比例先进型市场

３０％

５１６

５０％８６０

８０％１３７６

况下为５１６ＭＨｚ（先进型市场）和３８４ＭＨｚ（后

责任编辑周霞ｚｈｏｕｘｆａ＠ｍｂｃｏｍＣｎ＞：＞＞

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年第１５期

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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。使得网络侧能区分物与物的通信，从而采取不同的措施缓解网络压力，保障物联网业务质量。混合组

网方式是将现有ＰＤＳＮ（分组数据服务节点）、ＡＡＡ（鉴权认证）等分组域设备升级成为支持增强功能的设备，

物联网业务和非物联网业务使用同一个移动分组域核心

网。这种方式需要对现网分组核心网的ＰＤＳＮ、ＡＡＡ升级改造，因此对网络影响较大。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，应积极寻求另外的频谱资源，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。独立承载阶段（也称为独立组网方式）是在物联网业务实现规模化发展后，将产生与人与人通信相互干扰的问题，同时也出现大量

对通信质量要求较高的物联网应用。此时，应考虑采用

物理／逻辑隔离的网络承载物联网业务。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。独立组网方式是由ＰＤＳＮ、ＡＡＡ提供手机终端的业务数据路

由，终端鉴权、认证、计费。ＡＡＡ—Ｍ（物联网业务鉴权认证）存储物联网业务的数据签约数据；ＰＤＳＮ—Ｍ

（物联网业务分组数据服务节点）从ＡＡＡ—Ｍ下载业务

签约数据，提供物联网终端业务数据路由，从而进行业务控制。手机终端接人ＰＣＦ（分组控制模块），ＰＣＦ将

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ｌ磊豁驴

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业务接入ＰＤＳＮ；物联网终端接入ＰＣＦ，ＰＣＦ将业务接人ＰＤＳＮ—Ｍ，这要求ＰＣＦ能将不同用户的数据分发到不同的核心网设备。在此阶段，由于ＬＴＥ或４Ｇ业务已得到长足发展，原有及预测的频谱将被大量占用，而物联网也

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。

５结束语

频谱是物联网存在和发展的重要基础资源。但业界

对物联网频谱资源需求及面临困难的研究远远落后于其他方面，必然成为阻碍物联网发展的“难点”。凡事预则立，希望在国家及产业层面尽早积极研究物联网频谱

资源需求趋势，以及突破频谱资源瓶颈的技术措施与相

应的政策调整，以便为我国物联网的发展提供频谱资源

的有效保障。

参考文献

【１】ＩＴＵ—ＲＭ．２０７８．ＥｓｔｉｍａｔｅｄＳｐｅｃｔｒｕｍＢａｎｄｗｊｄｔｈＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅＦｕｔｕｒｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩＭＴ一２０００ａｎｄｌＭＴ－Ａｄｖａｎｃｅｄ【Ｒ】．

【２】ＩＴＵ—ＲＭ．２０７２．ＷｏｒｌｄＭｏｂｉｌｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＭａｒｋｅｔＦｏｒｅｃａｓｔ［Ｒ］．

【３ｌｌＴＵ—ＲＭ．１７６８．ＭｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｆｏｒＣａｌＣＵＩａｔｉＯｎｏｆＳｐｅｃｔｒｕｍＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅＦｕｔｕｒｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ０ｆｔｈｅＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆＩＭＴ一２０００ａｎｄＳｙｓｔｅｍｓＢｅｙｏｎｄｌＭＴ一２０００［ＲＩ．

【４】何廷润．物联网发展需以频谱资源有效供给为前提【Ｊ】．通

信世界，２０１Ｏ（３）．

【５】何廷润．试论物联网对Ｃ网演进路线与策略的影响【Ｊ】．移动通信．２０１０（１１）．

【６】诸瑾文．王艺．从电信运营商角度看物联网总体架构和发展【Ｊ】电信科学，２０１０（４）．★

【作者简介】

何廷润：高级工程师，国家无线电频谱管理研究所高级顾问，长期从事无线通信技术开发研究和技术、计划、工程、经营等管理工作，参与和组织多项通信项目的开发、生产、工程的具体实施，在无线电频谱管理和监测

及无线通信技术和市场发展领域发表数十篇文章。

≤≤ｃ：责任编辑周霞ｚｈｏｕｘ３ａ＠ｍｂｃｏｍ

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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

何廷润

国家无线电频谱管理研究所移动通信

MOBILE COMMUNICATIONS2010，34(15)0次

参考文献(6条)

1.ITU-R M.2078.Estimated Spectrum Bandwidth Requirements for the Future Development of IMT2000 andIMT-Advanced

2.ITU-R M.2072.World Mobile Telecommunication Market Forecast

3.ITU-R M.1768.Methodology for Calculation of Spectrum Requirements for the Future Development ofthe Terrestrial Component of IMT-2000 and Systems Beyond IMT-20004.何廷润 物联网发展需以频谱资源有效供给为前提 2010(3)5.何廷润 试论物联网对C网演进路线与策略的影响 2010(11)6.诸瑾文.王艺 从电信运营商角度看物联网总体架构和发展 2010(4)

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