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2.3 今日的家族
——十多个技术方向形成两大阵营

从2015年低功耗广域网络再次抬头到今天,该领域正经历着一个百花齐放、百家争鸣的过程。回顾2015年,那些具有技术和市场创新精神的人们推出了十多种低功耗广域网络技术,形成了一个庞大的家族,每一种技术都力争自身能够在群雄逐鹿中胜出。

2.3.1 明显的两大阵营

总体来看,整个低功耗广域网络家族可以分为两大阵营,而这个阵营划分的依据是各类技术所使用的无线电频谱是否属于授权频谱,因此形成了基于授权频谱的技术和基于非授权频段的技术两大阵营。通过对公开资料的收集,目前两大阵营的主要技术如表2.1所示。

表2.1 低功耗广域网络两大阵营的主要技术

续表

表2.1中除了列出了主要技术外,还将研发每一类技术的企业或组织列出,供读者参考。可以看出,虽然全球参与低功耗广域网络技术研发的企业和组织非常多,但基于授权频谱的技术主要还是由通信标准化组织3GPP集中推动的,虽然3GPP组织是由各国标准化组织和企业组成的,但最终能形成统一协议;而非授权频谱技术由大量分散的企业和组织来完成,各自拥有知识产权并各自推动商用。这样的情形与无线电频谱的使用权限有一定关系。

2.3.2 无线电频谱也是阵地

无线电频谱是移动通信信号传播的载体,作为无线通信的技术,能够使用的无线电频谱资源就是其阵地。低功耗广域网络是无线通信的分支,它们的阵营按照授权频谱和非授权频谱分为两大类,可以看出频谱资源在这一技术领域中的重要作用,也从一定程度上决定了各类技术的进入门槛。

授权与非授权频谱:稀缺性需要管理

无线电频谱是一个有限、不可再生的自然资源,也是宝贵的战略资源,因此各国有专门的无线电频谱管理机构,出台专门的政策法规,实现无线电频谱的统一规划管理。目前各国的频谱管理大多采用固定频谱分配策略,即频谱资源由政府主管部门管理并分配给固定的授权用户,这样能够确保各用户之间避免过多相互干扰,更好地利用频谱资源。目前频谱资源可分为两类:授权频谱(Licensed Spectrum)和非授权频谱(Unlicensed Spectrum)。

授权频谱受到严格的限制和保护,只允许授权用户及其符合规范的设备接入,而且用户要进行付费。目前,公安、铁路、民航、广电、电信等重要的部门均拥有一定的授权频谱,这些部门内设备的通信是运行在其授权频谱上的,尤其是电信行业,我们每天使用的手机就是通过运营商拥有的授权频谱来通信的,三大运营商都拥有国家无线电管理局授权的专用频谱,保障公众移动通信不受干扰。

非授权频谱是满足一定规范和标准的设备都可以接入和使用的频谱,但必须保证不对其他用户造成干扰。比较典型的是我们经常使用的WiFi、蓝牙。国际电信联盟无线电通信局曾定义过ISM(Industrial Scientific Medical)频谱,主要开放给工业、科学、医学三个机构使用,无须授权许可,当然也需要遵守在一定的发射功率范围内,并且不对其他频段造成干扰即可。

基于无线电频谱的阵地

由3GPP推动的低功耗广域网络标准运行在授权频谱上,它瞄准了电信运营商对未来物联网市场的布局。而其他技术标准则运行在非授权频谱上,即使脱离了电信运营商,其他企业和组织也可以采用其来建成专用于物联网的广覆盖的网络。

相应地,采用不同频谱的低功耗广域网络标准,其商用准入门槛差别很大,授权频谱技术的商用需要得到拥有授权频谱资源的运营商的支持,而运营商获取频谱资源时也花费了高昂的成本,不少国家通过竞价拍卖的方式授权无线电频谱的使用权。因为频谱越来越稀缺,其使用成本也居高不下。2015年,德国4G频谱拍卖,3家运营商付出超过50亿欧元的成本;2017年4月,美国多家运营商为拍得600MHz频谱花费了总额为198亿美元的成本。我国对于移动通信使用的频谱主要采用行政审批制度,虽然无须运营商支付天价的费用,但这种行政审批的高门槛让授权频谱的获取也形成了另一种昂贵的成本。修订后的《中华人民共和国无线电管理条例》将拍卖引入到频谱资源分配制度中,未来将对运营商频谱的获取成本产生巨大影响。虽然低功耗广域网络只占据非常少的频谱资源,但计算下来这少量的频谱资源成本也不低。

而那些基于非授权频谱的标准,只要符合各国无线电管理机构的相关规定,均可以使用公共频谱而无须支付高额的频谱成本,因此进入门槛大大降低。非授权频谱具有一定的“非排他”性质,无怪乎近年来全球会产生大量的基于非授权频谱的低功耗广域网络技术,而每一项技术在频谱的使用面前机会都是均等的,而且可以按需形成非常灵活的部署方式。

无线电频谱成了低功耗广域网络技术明显的“阵地”,不同的“阵地”会形成不同的产业生态、商用成本,产生不同的商业模式。例如,显而易见的是授权频谱技术由于采用专用频段、运营商统一部署,会具有电信级的安全性、干扰小的特点,可以形成全网覆盖和运营;而非授权频谱则要专门处理同频干扰的问题,在很多地区定位于企业级专网。

无线电频谱作为“阵地”还有另一方面的特点,低功耗广域网络要达到广覆盖、低成本等特点,大部分需要部署在Sub 1GHz频谱上,而且频段越低效果越好。这是由于电磁波的特性,频率越高,虽然能量越大(即承载的信息量大,网络传输速度更快),定向性越强,但衍射散射能力越弱,就是俗称的穿墙能力越弱。例如,我们了解光纤比WiFi快,但是光纤方向固定,只能在玻璃纤维内传输,而WiFi是可以散射到四面八方的。低功耗广域网络无须承载更多信息的大能量、高传输速率,但要达到相对于传统蜂窝网络更好的覆盖效果,部署在低频谱,提升衍射散射能力就非常重要了。中国电信2017年5月份完成了全国31万个NB-IoT基站的升级,就基于其拥有的800MHz优质频谱,能够快速领先于其他两家运营商开展商用,可见频谱对于低功耗广域网络“阵地”的作用非常明显。 TByq+OPQOwzx6SdtFtpkq79U3fzT8G9EHkPnNgA31itl0tcSeX1qOPwB/XaR0Df2

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