物联网感知层频谱的科学规范

　　频谱资源是无线应用发展的基础，没有频谱资源的支持，任何无线应用都将难以展开。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，不会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LET、WiMAX和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和Q等，不断向更高频带发展，拓展无线频谱的可用资源。

　　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前提下。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，如果能在物联网应用开发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（Dynamic Spectrum 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（Spectrun Pooling，SP）研究可满足这一需求。

　　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。

　　常用的频谱分配方法如下所述：

　　1、固定频谱分配

　　固定频谱分配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

　　共享频谱池的固定频谱分配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，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，不同的无线接入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。