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低功耗广域网络和频段:物联网的里程碑还是公地悲剧?

2016-01-13 16:04:16           
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频谱资源具有典型的公共资源的特点,尤其是非授权频谱。低功耗广域网络未来大部分都在非授权的ISM频谱上部署,不过,不断增加的通信协议使用ISM非授权频段,让非授权的LPWAN成为另一个典型的“公地悲剧”,即各类协议均希望更多占用频谱资源从而形成强烈干扰。 “公地悲剧”是公共资源应用中的典型现象,最早由英国学者哈丁提出。“公地”实际上更多代表的是一种公共资源,它并不归属于某个私人所有,理论上每一个都对其有使用权,但所有人没有权利阻止其他人使用,于是每一个人都倾向于过度使用,从而造成资源的枯竭。比较容易理解的“公地悲剧”包括过度砍伐的公共森林、过度捕捞渔业资源及污染严重的河流和空气,都是“公地悲剧”的典型例子。

低功耗广域网络和ISM频段:物联网的里程碑还是公地悲剧?

为什么要引入“公地悲剧”这一公共经济学的概念?因为我们要探讨的低功耗广域网络的无线电频率使用问题。频谱资源是无线通信的生命线,不过频谱资源具有典型的公共资源的特点,尤其是非授权频谱。不可避免的,低功耗广域网络也面对着频谱使用的问题。众所周知,低功耗广域网络补齐了物联网通信层的重大短板,但在未来的商用中,频谱规划和使用是否也存在“公地悲剧”?

知名市场研究公司Machina Research刚刚发布了新的战略报告,探讨低功耗广域网络的技术前景以及在物联网中的作用。其中,频谱是这一领域的一个关键问题。到目前为止,低功耗广域网络大部分都在非授权频谱上部署,即我们所熟悉的ISM频段(工业、科技和医疗)。一旦基于蜂窝网络的LPWA技术成熟,授权频谱在未来也会成为LPWAN的选择。当然,我们也希望未来至少有一些LoRaWAN的网络运行在授权频谱上。

授权与非授权频谱的优劣势比较:

采用授权频谱的LPWAN

采用非授权频谱的LPWAN

优势

使用特许的网络可复用已有的站址快速实现多层次覆盖

优势

快速面市允许新的供应商进入自助选择

不足

高度依赖频谱所有者不确定的服务命题频谱费用开支

不足

安全性不足生态链不完善服务质量和数量问题简而言之,鱼和熊掌不可以兼得:解决方案也是来自于各自条件权衡后的妥协。我们接下来主要探讨非授权频谱的模式,因为它也面临着典型的公共资源使用所面临的问题。

ISM频段很长一段时间是现代数据通信的必要组成部分,作为WiFi、蓝牙以及多种无线技术的血管,我们可以看到物联网领域的一个趋势,即那些之前已被占用的频谱如何扩展来实现充分应用。这次所不同的是,驱动这一趋势的是所谓的广域网络。对于近距离通信技术,多个网络的叠加会引起多种技术故障,只是这些问题影响有限,不至于上升到战略层面的故障——同一地域中多个运营商共存在某一天可能会产生这样那样的风险。

当前存在一个的很大的可能性:不断增加的通信协议使用ISM非授权频段,让非授权的LPWAN成为另一个典型的“公地悲剧”——所有参与方各自希望最大化使用稀缺的频谱资源,导致频谱资源过度消耗而不利于每一位参与者。“公地悲剧”可能发生在多种不同的基于ISM非授权频谱LPWA网络部署后,形成互相重叠,并且如果大部分都有大量终端接入的话(比如每个基站连接上万个终端),每日可能产生大量通信需求,但供应商在这一环境下如何有效地处理信号干扰和冲突还不能确定。对于每一运营商来说,他们会在一个区域尽量多部署一些网关,这样会减少基站直接连接的终端数量,但如果每一供应商都采用这一方式,且供应商成本增加,这一补救措施效果也会遇到天花板。最后,非授权的低功耗广域网络的效应很大程度上依赖于供应商自己的直接控制。

如果过度使用频谱的现象成为现实后,监管机构会采取各种措施来处理。一种方式是释放更多频谱资源给非授权使用,这种方式一般出现在拥堵是由于非授权低功耗广域网络的成功商用以及市场需要更多频谱支持其发展;第二种方式是保持频谱资源不变,但限制负载循环和其他设备参数;第三种也是最具有戏剧化的方式是废除现存的ISM频段,并将大部分适用于广域网络的频段转为授权频段,以提升供应商的门槛,淘汰不胜任的供应商,这样或许会保留部分碎片化的频段作为非授权频段,但这些频段只为非商业化用途而预留;第四种方式是第三种方式的变体,即坚持频谱资源免费使用,但设置一些条款,要求每一个运营商业化广域网络的机构必须取得一张许可证。

当前,非授权低功耗广域网络的监管与这些未成熟的想法关系并不大。不过,电信业监管机构可能希望提前对此进行规划,因为若这些想法在将来某一天成为现实问题时,其将引起更大的利害关系。

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