低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)和ISM頻段：物聯(lián)網(wǎng)的里程碑還是公地悲劇？

    頻譜資源具有典型的公共資源的特點(diǎn)，尤其是非授權(quán)頻譜。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)未來大部分都在非授權(quán)的ISM頻譜上部署，不過，不斷增加的通信協(xié)議使用ISM非授權(quán)頻段，讓非授權(quán)的LPWAN成為另一個(gè)典型的“公地悲劇”，即各類協(xié)議均希望更多占用頻譜資源從而形成強(qiáng)烈干擾。 “公地悲劇”是公共資源應(yīng)用中的典型現(xiàn)象，最早由英國(guó)學(xué)者哈丁提出。“公地”實(shí)際上更多代表的是一種公共資源，它并不歸屬于某個(gè)私人所有，理論上每一個(gè)都對(duì)其有使用權(quán)，但所有人沒有權(quán)利阻止其他人使用，于是每一個(gè)人都傾向于過度使用，從而造成資源的枯竭。比較容易理解的“公地悲劇”包括過度砍伐的公共森林、過度捕撈漁業(yè)資源及污染嚴(yán)重的河流和空氣，都是“公地悲劇”的典型例子。

    為什么要引入“公地悲劇”這一公共經(jīng)濟(jì)學(xué)的概念？因?yàn)槲覀円�探討的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的無線電頻率使用問題。頻譜資源是無線通信的生命線，不過頻譜資源具有典型的公共資源的特點(diǎn)，尤其是非授權(quán)頻譜。不可避免的，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)也面對(duì)著頻譜使用的問題。眾所周知，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)齊了物聯(lián)網(wǎng)通信層的重大短板，但在未來的商用中，頻譜規(guī)劃和使用是否也存在“公地悲劇”？

    知名市場(chǎng)研究公司Machina Research剛剛發(fā)布了新的戰(zhàn)略報(bào)告，探討低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)前景以及在物聯(lián)網(wǎng)中的作用。其中，頻譜是這一領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問題。到目前為止，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)大部分都在非授權(quán)頻譜上部署，即我們所熟悉的ISM頻段（工業(yè)、科技和醫(yī)療）。一旦基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LPWA技術(shù)成熟，授權(quán)頻譜在未來也會(huì)成為L(zhǎng)PWAN的選擇。當(dāng)然，我們也希望未來至少有一些LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在授權(quán)頻譜上。

    授權(quán)與非授權(quán)頻譜的優(yōu)劣勢(shì)比較：

    采用授權(quán)頻譜的LPWAN

    采用非授權(quán)頻譜的LPWAN

    優(yōu)勢(shì)

    使用特許的網(wǎng)絡(luò)可復(fù)用已有的站址快速實(shí)現(xiàn)多層次覆蓋

    優(yōu)勢(shì)

    快速面市允許新的供應(yīng)商進(jìn)入自助選擇

    不足

    高度依賴頻譜所有者不確定的服務(wù)命題頻譜費(fèi)用開支

    不足

    安全性不足生態(tài)鏈不完善服務(wù)質(zhì)量和數(shù)量問題簡(jiǎn)而言之，魚和熊掌不可以兼得：解決方案也是來自于各自條件權(quán)衡后的妥協(xié)。我們接下來主要探討非授權(quán)頻譜的模式，因?yàn)樗�也面臨著典型的公共資源使用所面臨的問題。

    ISM頻段很長(zhǎng)一段時(shí)間是現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信的必要組成部分，作為WiFi、藍(lán)牙以及多種無線技術(shù)的血管，我們可以看到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)，即那些之前已被占用的頻譜如何擴(kuò)展來實(shí)現(xiàn)充分應(yīng)用。這次所不同的是，驅(qū)動(dòng)這一趨勢(shì)的是所謂的廣域網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于近距離通信技術(shù)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的疊加會(huì)引起多種技術(shù)故障，只是這些問題影響有限，不至于上升到戰(zhàn)略層面的故障——同一地域中多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共存在某一天可能會(huì)產(chǎn)生這樣那樣的風(fēng)險(xiǎn)。

    當(dāng)前存在一個(gè)的很大的可能性：不斷增加的通信協(xié)議使用ISM非授權(quán)頻段，讓非授權(quán)的LPWAN成為另一個(gè)典型的“公地悲劇”——所有參與方各自希望最大化使用稀缺的頻譜資源，導(dǎo)致頻譜資源過度消耗而不利于每一位參與者。“公地悲劇”可能發(fā)生在多種不同的基于ISM非授權(quán)頻譜LPWA網(wǎng)絡(luò)部署后，形成互相重疊，并且如果大部分都有大量終端接入的話（比如每個(gè)基站連接上萬個(gè)終端），每日可能產(chǎn)生大量通信需求，但供應(yīng)商在這一環(huán)境下如何有效地處理信號(hào)干擾和沖突還不能確定。對(duì)于每一運(yùn)營(yíng)商來說，他們會(huì)在一個(gè)區(qū)域盡量多部署一些網(wǎng)關(guān)，這樣會(huì)減少基站直接連接的終端數(shù)量，但如果每一供應(yīng)商都采用這一方式，且供應(yīng)商成本增加，這一補(bǔ)救措施效果也會(huì)遇到天花板。最后，非授權(quán)的低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的效應(yīng)很大程度上依賴于供應(yīng)商自己的直接控制。

    如果過度使用頻譜的現(xiàn)象成為現(xiàn)實(shí)后，監(jiān)管機(jī)構(gòu)會(huì)采取各種措施來處理。一種方式是釋放更多頻譜資源給非授權(quán)使用，這種方式一般出現(xiàn)在擁堵是由于非授權(quán)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的成功商用以及市場(chǎng)需要更多頻譜支持其發(fā)展；第二種方式是保持頻譜資源不變，但限制負(fù)載循環(huán)和其他設(shè)備參數(shù)；第三種也是最具有戲劇化的方式是廢除現(xiàn)存的ISM頻段，并將大部分適用于廣域網(wǎng)絡(luò)的頻段轉(zhuǎn)為授權(quán)頻段，以提升供應(yīng)商的門檻，淘汰不勝任的供應(yīng)商，這樣或許會(huì)保留部分碎片化的頻段作為非授權(quán)頻段，但這些頻段只為非商業(yè)化用途而預(yù)留；第四種方式是第三種方式的變體，即堅(jiān)持頻譜資源免費(fèi)使用，但設(shè)置一些條款，要求每一個(gè)運(yùn)營(yíng)商業(yè)化廣域網(wǎng)絡(luò)的機(jī)構(gòu)必須取得一張?jiān)S可證。

    當(dāng)前，非授權(quán)低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管與這些未成熟的想法關(guān)系并不大。不過，電信業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能希望提前對(duì)此進(jìn)行規(guī)劃，因?yàn)槿暨@些想法在將來某一天成為現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，其將引起更大的利害關(guān)系。

    作者：Aapo Markkanen 來源：Machina