頻譜資源是無線應(yīng)用發(fā)展的基礎(chǔ),沒有頻譜資源的支持,任何無線應(yīng)用都將難以展開。因?yàn)闊o線頻譜資源的有限性,各種無線通信技術(shù)在構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要科學(xué)的無線頻率規(guī)劃,這樣才可讓各種無線技術(shù)的發(fā)展有章可循,不會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象,充分發(fā)揮出各自的作用。因此,在無線融合發(fā)展的過程中,需要做好統(tǒng)籌規(guī)劃,處理好頻率劃分問題。
現(xiàn)在無線通信正在向更高速的方向發(fā)展,在這個(gè)過程中,把挖潛和向高頻段拓展相結(jié)合。一方面利用從頻分到時(shí)分、碼分、空分再到OFDMA的技術(shù)進(jìn)步,挖掘現(xiàn)有頻段無線技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Γ瞥鯨ET、WiMAX和UWB等新應(yīng)用;另一方面通過技術(shù)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(fā)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(xiàn)有頻譜的利用率。為此,人們提出了認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)的概念,這同樣可以用來解決物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展頻譜資源短缺的問題。認(rèn)知無線電的基本出發(fā)點(diǎn)就是:為了提高頻譜利用率,具有認(rèn)知功能的無線通信設(shè)備可以按照某種“伺機(jī)(Opportunistic Way)”的方式工作在已授權(quán)的范圍內(nèi),但這一定要建立在已授權(quán)頻段沒用或只有很少的通信業(yè)務(wù)在活動(dòng)的前提下。這種在空域、時(shí)域和頻域中出現(xiàn)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(shè)備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空洞”并合理利用的能力。認(rèn)知無線電作為一種智能的頻譜共享技術(shù),能夠依靠人工智能的支持,感知無線通信環(huán)境,根據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法,實(shí)時(shí)自適應(yīng)地改變系統(tǒng)工作參數(shù),動(dòng)態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜,理論上允許在時(shí)間、頻率以及空間上進(jìn)行多維的頻譜復(fù)用,這將大大降低頻譜和帶寬限制對無線技術(shù)發(fā)展的束縛。因此,如果能在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中加入認(rèn)知無線電技術(shù),這勢必能更好地滿足物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的頻率需求,提高頻譜的利用率。由于物聯(lián)網(wǎng)中用戶對帶寬的要求,可用信道的數(shù)量和位置都是隨時(shí)變化的,因此常規(guī)的頻譜分配方法并不完全適用。另外,要實(shí)現(xiàn)完全動(dòng)態(tài)頻譜分配(Dynamic Spectrum Allocation,DSA)受到很多政策、標(biāo)準(zhǔn)及介入?yún)f(xié)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(yè)務(wù)的頻譜合成一個(gè)公共的頻譜池,頻譜池中的頻譜是不連續(xù)的,并將整個(gè)頻譜池劃分為若干個(gè)子信道,已授權(quán)用戶并不是任何時(shí)候都占用自己的所有信道,因此未授權(quán)的用戶可以臨時(shí)占用頻譜池里的空閑信道。基于CR頻譜池思想提出的物聯(lián)網(wǎng)頻譜管理方案既可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的頻譜共享和DSA,又能滿足物聯(lián)網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)化組織提出的固定頻譜分配方案的自然演進(jìn)。在此方案中,仍然為每個(gè)運(yùn)營商分配固定數(shù)量的頻譜塊,且這些頻譜塊的寬度是定值,不隨時(shí)間與空間而改變。但是頻帶與無線接入技術(shù)(RAT)的分配不是獨(dú)立進(jìn)行的,各個(gè)頻帶有其對應(yīng)的RAT,用戶改變頻帶的同時(shí)也進(jìn)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(qū)別在于頻譜池中的頻段可以被任何RAT使用,同時(shí)保持相鄰無線接入技術(shù)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(jù)業(yè)務(wù)需求為每種無線接入技術(shù)分配適量的頻譜,也可以實(shí)現(xiàn)不同RAT之間的負(fù)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(gè)運(yùn)營商分配固定數(shù)量的頻譜塊,也不需要為每個(gè)RAT技術(shù)分配固定的帶寬每個(gè)頻譜塊的寬度隨時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)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(gè)運(yùn)營商的RAT和載頻進(jìn)行預(yù)先定義,因此終端能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)在相同地理區(qū)域的不同地點(diǎn)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(shí)現(xiàn)需要更復(fù)雜的無限資源管理和更多的信令交互。