頻譜資源是無線應用發展的基礎,沒有頻譜資源的支持,任何無線應用都將難以展開。因為無線頻譜資源的有限性,各種無線通信技術在構筑物聯網時需要科學的無線頻率規劃,這樣才可讓各種無線技術的發展有章可循,不會出現相互干擾的現象,充分發揮出各自的作用。因此,在無線融合發展的過程中,需要做好統籌規劃,處理好頻率劃分問題。
現在無線通信正在向更高速的方向發展,在這個過程中,把挖潛和向高頻段拓展相結合。一方面利用從頻分到時分、碼分、空分再到OFDMA的技術進步,挖掘現有頻段無線技術的發展潛力,推出LET、WiMAX和UWB等新應用;另一方面通過技術研究,讓無線電頻譜的使用率越來越高,從HF、VHF、UHF一直到C、X、Ku、Ka和Q等,不斷向更高頻帶發展,拓展無線頻譜的可用資源。
為了解決頻譜資源匱乏的問題,基本思路就是盡量提高現有頻譜的利用率。為此,人們提出了認知無線電(Cognitive Radio,CR)的概念,這同樣可以用來解決物聯網發展頻譜資源短缺的問題。認知無線電的基本出發點就是:為了提高頻譜利用率,具有認知功能的無線通信設備可以按照某種“伺機(Opportunistic Way)”的方式工作在已授權的范圍內,但這一定要建立在已授權頻段沒用或只有很少的通信業務在活動的前提下。這種在空域、時域和頻域中出現的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空洞”。CR的核心思想就是使無線通信設備具有發現“頻譜空洞”并合理利用的能力。認知無線電作為一種智能的頻譜共享技術,能夠依靠人工智能的支持,感知無線通信環境,根據一定的學習和決策算法,實時自適應地改變系統工作參數,動態地檢測和有效地利用空閑頻譜,理論上允許在時間、頻率以及空間上進行多維的頻譜復用,這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術發展的束縛。因此,如果能在物聯網應用開發中加入認知無線電技術,這勢必能更好地滿足物聯網發展的頻率需求,提高頻譜的利用率。由于物聯網中用戶對帶寬的要求,可用信道的數量和位置都是隨時變化的,因此常規的頻譜分配方法并不完全適用。另外,要實現完全動態頻譜分配(Dynamic Spectrum Allocation,DSA)受到很多政策、標準及介入協議的限制。因此,目前基于CR頻譜共享池(Spectrun Pooling,SP)研究可滿足這一需求。
頻譜池是CR的頻譜共享的主要研究策略,其思想是將一部分分配給不同業務的頻譜合成一個公共的頻譜池,頻譜池中的頻譜是不連續的,并將整個頻譜池劃分為若干個子信道,已授權用戶并不是任何時候都占用自己的所有信道,因此未授權的用戶可以臨時占用頻譜池里的空閑信道。基于CR頻譜池思想提出的物聯網頻譜管理方案既可以實現動態的頻譜共享和DSA,又能滿足物聯網巨大的頻譜需求。
常用的頻譜分配方法如下所述:
1、固定頻譜分配
固定頻譜分配是標準化組織提出的固定頻譜分配方案的自然演進。在此方案中,仍然為每個運營商分配固定數量的頻譜塊,且這些頻譜塊的寬度是定值,不隨時間與空間而改變。但是頻帶與無線接入技術(RAT)的分配不是獨立進行的,各個頻帶有其對應的RAT,用戶改變頻帶的同時也進行RAT的切換。
2、共享頻譜池的固定頻譜分配
共享頻譜池的固定頻譜分配與固定頻譜分配的主要區別在于頻譜池中的頻段可以被任何RAT使用,同時保持相鄰無線接入技術的兼容性。這種新的靈活頻譜分配方法是一種高效頻譜管理方案,對比以前的固定頻譜分配方案,此方案可以根據業務需求為每種無線接入技術分配適量的頻譜,也可以實現不同RAT之間的負載平衡。此方法為頻譜資源提供了自平衡能力,在必要情況下可為RAT提供更多的頻譜資源。
3、非固定頻譜分配
在這種解決方案下,頻譜分配是完全靈活的,不需要為每個運營商分配固定數量的頻譜塊,也不需要為每個RAT技術分配固定的帶寬每個頻譜塊的寬度隨時間和空間動態變化。用戶利用終端的重配置能力可接入任何RAT。非固定頻譜分配解決方案不需要對分配給每個運營商的RAT和載頻進行預先定義,因此終端能夠實現完全的(RAT和載頻)重配置。在這種解決方案下,不同的無線接入技術在相同地理區域的不同地點共享相同的載波頻率,然而,對比前面介紹的解決方案,此方案的實現需要更復雜的無限資源管理和更多的信令交互。