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1、电信技术2010年第一期物联网与开放频谱北京邮电大学 王志威 周正人类社会进入信息化时代以来，信息与通信技术的不断更新换代一直是引领经济发展和社会进步的风向标。上世纪中期出现的计算机及其普及应用，使得人们具有了强大的信息处理和存储能力，从此人类社会进入了计算机时代；20世纪80年代信息与通信技术的进一步发展，使得信息传输与信息处理相互融合，通过网络将单个计算机的所谓信息孤岛连接起来，在全球范围内形成了一个互联网，消除了人们之间进行信息交互的空间距离，整个信息世界变成了一个小小的地球村，人类社会从此进入了一个崭新的信息网络时代。人们可以在网上找到所需要的各种资源进行网络计算，“网络就是计算机”，
2、“上网”成了人们日常生活不可缺少的程序；有的人干脆就整天泡在网络的虚拟世界中，成了所谓的网虫；计算机和互联网对社会进步、生产关系的变化和生产力发展产生的巨大影响，是地球人有目共睹的。近年来出现的传感器网络及所谓的物联网，是信息与通信技术领域第二次大融合，即是信息传感、信息传输与信息处理三大子领域技术相互融合的产物，并将逐渐引领人类社会进入“网络即传感器”、“网络就是感知”的网络感知的新时代；人们可以通过传感网络直接感知真实物理世界的一切，从而极大地扩展网络的功能和增强人类认识客观物理世界的能力，并将能够使人类社会生活与自然界和谐共处的水平提升到一个全新的阶段；由此将会使得人类社会产生难以预料的
3、的巨大变化。在互联网的时代，信息与通信技术通过互联网及其计算机的网络终端，将面对计算机网络终端的人类用户链接起来，实现语音、文字、图像等多媒体信息的交互和通信，移动互联网则为手持移动网络终端手机的用户提供无处不在的信息服务和方便快捷的话音通信。因此，目前在许多国家和地区，可以说人和人之间已经基本上实现了无处不在的信息通信。然而，我们所面对的客观世界，是包括人类本身在内的世界万物；人类经济社会要实现可持续的发展，必须要与大自然实现和谐共存，要时刻应对各种自然灾害，要维持人类社会的稳定和谐发展，要应对各种战争以及恐怖活动的威胁与挑战，要时刻保证人们生命财产的安全。于是，基于无线传感器网络的物联网应
4、运而生，即通过无线传感器网络将互联网的终端再向外广泛地延伸，直接连接到物理世界的每个物体和每一个角落，比较形象的比喻是要将地球的每一寸土地都铺上一层智能化的电子皮肤。物联网的主要技术支撑是无线传感器网络，而无线传感器网络是由大量密集部署的自治节点构成的一种特殊的信息网络系统。正是由于未来无线传感器网络的规模巨大，而其传感器节点的能量非常有限，因此它与传统的以计算机为终端的网络相比较有着诸多不同的特点，例如自组织网络拓扑结构；网络节点间的协同及分布处理的能力，网络节点体积小、低功耗、低成本、自组织、多跳、对等通信、无人值守、可容错、可扩展、环境自适应等等。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计
5、算技术、分布式信息处理技术和通信技术等多学科交叉的研究领域，它能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、航空航天、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等众多领域。它将逐步实现人类社会与自然世界之间，形成无处不在的信息交融、高度智能化信息通信网络的梦想。当前，电信运营商所倡导的基于电信和移动网络的M2M业务就是开展物联网应用的非常诱人的良好开端。但是，未来真正全球化的基于无线传感器网络的物联网实现的规模之庞大，涉及的技术层面和各种社会层面的问
6、题之复杂的程度是目前人们难以想象的。除此之外，如此大规模的，无处不在的无线传感器网络的普及应用，再加上原有宽带无线移动通信网络的飞速发展，就对传统的电磁频谱的管理体制提出了巨大的挑战。众所周知，无线电电磁频谱是人类所拥有的非常宝贵的、不可多得的自然资源之一。雷达探测、气象预报、射电天文、无线电定位、工业电磁炉、医疗设备以及各种无线通信技术都离不开这一宝贵的电磁频谱资源的有效利用。例如如何提高频谱利用率，则是无线通信领域永恒的研究课题之一。而一个国家电磁频谱应用的情况也是该国经济发展水平的一个标志；如图1绘出了频谱利用情况与每个国家GDP的关系，我们从中可以看出发达国家与一些发展中国家的差距。今
7、天人类社会已经跨入了21世纪的新时代，然而，当前世界各国的频谱规划和管理的体制，基本上还在沿用上世纪20年代以来制定的原则：即将可用的电磁频谱按频段划分给不同的用户使用，一般在一个频段范围内只有一个授权用户可以使用独享。这样一来，随着经济技术的不断发展无线电电磁频谱的需求与日剧增，到目前为止一些发达国家在300GHz以下频段的频谱几乎早已分配殆尽、名花有主了，如图2所示美国FCC的频谱规划的现状。对于新的频谱需求很难再找出大量尚未被占用的所谓空闲频段，分配给新的用户来使用。另一方面，尽管频谱规划和管理部门已经将各个频段划分给特定用户独享使用了，但是这些频谱实际上的利用率却是很低，这是由各种无线
8、电业务的特点及其用户的数量所决定的。图3给出了国外一些权威机构实际统计测量的频谱利用情况的数据，除了一少部分特定频段（如ISM工科医频段）以外，3GHz以下频段的频谱平均利用率为6%左右，而3GHz以上频段的频谱平均利用率竟然只有0.5%；传统频谱管理机制的弊端显露无遗。一方面电磁频谱的需求日益紧张，大有供不应求的趋势，例如美国FCC的权威人士预计，到2015年美国全国范围内的电磁频谱供求关系将出现危机；而另一方面，大量已经分配给某些用户的频谱却经常闲置，或只是偶尔使用一下。尽管这种分配体制是建立在有偿使用的基础之上的，其合理性仍然是令人难以接受的。这就好比我们日常交通运输所使用的公路，其建设
9、当然是利用了国家的土地资源，但若是按照各种特殊用户的需求划分了不同的专用车道，虽然该用户付了车道占用费，如果是每个用户都独占一条车道，即使是该车道空闲着也不许他人使用；那么这种“霸道”的体制显然是不合理的。同样如当前房地产业的情况，占用的土地是国家资源，如果大量的房屋都被少数有钱人买去了，其买房的目的并不是为了自己居住，而是出于投机盈利，由此推高房价使得大批中低收入的公民买不起房，没有房屋居住的话，那么这种住房体制显然也是极不合理的，迟早要被人们所唾弃。此外，传统电磁频谱的管理体制也阻碍了无线通信新技术的发展；因此，近年来一些业内的有识之士，其中包括一些国家频率管理部门的官员，都纷纷提出改革传
10、统频谱管理体制的设想；更有人提出“开放频谱”的倡议并建立了相应的组织和网站，旨在推动这一专业技术领域的变革，从而促进无线通信新技术的发展。所谓开放频谱，就是要求政府频率管理部门放宽对于频谱的微观管理，或者政府部门仅对频谱资源进行宏观管理；让众多用户在一定条件下，通过先进的技术手段共享某一频段的频谱资源，从而可以大大提高频谱的利用率；此外、开放频谱还意味着促进频谱共享无线通信新技术的发展，并为更多无线电新技术的出现开辟一条新的途径。开放频谱的目的就是要以多种不同的方式、最大限度地开发频谱资源，提高其利用率；以促进信息通信技术的高速发展，从而能够不断地引领经济社会的可持续的高速发展，为人类社会造福
11、。近百年来的无线通信技术有了巨大的进步；而我们的频谱管理原则却仍然停留在一个世纪之前，无线通信刚刚诞生的初始阶段。实际上，这种政府部门只是负责频谱宏观管理的、频谱共享无线通信技术成功应用的先例，早就客观存在着，只是人们受传统观念的束缚还没有明确意识到而已。随着扩频通信、无线局域网、蓝牙、ZigBee、超宽带等频谱共享无线通信技术的飞速发展及其大规模的普及应用，人们已经看到、并亲身体验到了频谱共享无线通信技术的巨大潜力和广阔的应用前景。目前这些频谱共享的无线通信系统主要还是工作在原来不受重视的一小部分(如2.4GHz的)ISM工科医频段，就发挥了如此巨大的潜能，并展现了如此广阔的市场应用前景。可
12、见这种开放频谱的趋势是科学技术进步的结果，是历史发展的必然；我们应当与时俱进跟上时代发展的脚步。近年来，随着信息与通信技术的飞速发展，在无线通信领域的新技术不断涌现，例如直接序列扩频、自适应跳频和跳时、Chirp通信、UWB衬垫式频谱共享通信以及认知无线电和认知网络等等，都成为现代无线通信系统朝着高度智能化方向快速演进的标志；未来各种无线电通信的新技术还将会象雨后春笋一般不断出现。一百年前波波夫和马可尼发明无线电报的原始无线通信技术时代，已经成为历史；而传统频谱管理体制还是把无线通信系统当作一百年前“阿斗”式原始设备，显然已经不合时宜了。国外一些发达国家的机构现已认识到了这一点，并已开始有所动
13、作。近年来，我们与国家无线电监测中心及其他有关单位合作，开展了多项有关我国短距离无线通信新技术及其电磁兼容和频率规划等方面的研究任务，深感频谱规划对于促进无线通信新技术发展的重要性。“兵马未动，粮草先行”。温家宝总理在视察无锡高新技术基地时，就加快推进感知中国、物联网和无线传感器网络发展的讲话，就提到我们要早一点谋划未来；而应对未来物联网无线传感器网络的大规模普及应用，做好频谱规划是引领其技术进步和产品研发走上正确轨道的首要任务。而且全球经济一体化的趋势也日益明显，物联网等频谱规划及其技术标准的建立，都将是关系到各国利益的国际化问题。开放频谱为我们开辟了一条崭新的途径和难得的发展机遇，尽管还会有各种新的挑战，建议国家有关部门抓住机遇，尽快组织队伍开展研究，为我国物联网及无线通信新技术的发展争得先机，为我国能够尽快抢占这一高新技术领域的制高点铺平道路。参考文献1王雪等，国家自然科学基金委员会传感器网络专题研讨会会议记要,2004年1月。2FCC官方网站频谱规划数据等。图1、频谱利用与各国GDP的关系图2、美国FCC的频谱规划的现状图3、国外权威机构统计0-6GHz的频谱实际利用情况本文得到国家重大专项（2009ZX03006-006/-009）及863项目（2009AA01Z262）的资助。
