美国高效用频,我国急需跟上

 中国电子报、电子信息产业网  作者:薛楠 乔维
发布时间:2015-05-18
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    频谱资源是无线通信技术快速发展和应用迅速普及的根本保障,是先进制造业迅猛发展的物质基础。当前,世界各国政府都在努力通过发展先进制造业实现本国实体经济的高速增长,但发展先进制造业需要大量应用无线通信技术,这样就使得各国不得不面对严重的用频危机问题。美国是先进制造业高度发达的国家,他们如何解决这一问题,引起了其他国家的广泛关注。因此,研究美国利用频谱资源发展先进制造业的做法和经验,对我国有一定的借鉴和启示作用。

    美国发展先进制造业面临用频危机

    已分配的ISM(工业、科学研究和医学,Industrial,Scientific and Medical)频段和公众移动通信网络频段不能满足制造业发展的用频需求。

    无线通信是发展先进制造业的主要手段,随着美国先进制造业的快速发展,频谱短缺和用频干扰问题逐渐显露出来。

    频谱需求增大。先进制造业需要设备间在供应链管理、生产过程工艺优化、设备监控管理以及能耗控制等各个环节,通过无线通信方式使人、机器和系统三者之间实现智能化、交互式的无缝连接,做到通信、控制和计算的集合,营造一个CPS的环境(Cyber-Physical Systems,信息物理系统),这样就需要上万亿的无线传输终端传输数据信息。据IDC分析家预测,2020年全球联网的“物体”装机总量将达2120亿个,其中将有301亿个为“物”联网,这将导致数据传输量和频谱需求的急剧增加。由于频谱资源的有限和用频技术发展的局限性,频谱资源短缺问题就显得十分严重,已分配的ISM(工业、科学研究和医学,Industrial,Scientific and Medical)频段,和公众移动通信网络频段不能满足制造业发展的用频需求。

    用频环境复杂。先进制造业在生产环境中大量使用传感器,传感器节点遍布工业生产的各个环节。然而在数据采集阶段,生产制造环境不但充满强电磁干扰、金属介质和多障碍等多元干扰元素,而且存在“人、物料、设备、生产过程、产品”等参与生产的元素,这种复杂的电磁环境,严重影响了传感器获得感知数据的准确性。在数据传输阶段,由于工业生产环境的特殊性,使得传感器节点传输数据不但受到更多的大型器械、金属管道等对无线信号的反射、散射造成的多径效应,而且还将受到马达、器械等运转时产生的电磁噪声对无线通信所产生的干扰,用频环境异常复杂,致使数据传输的实时性、可靠性和准确性受到严重影响。

    美国采取重要措施应对

    2010年美国开始规划频谱的使用,在无线宽带网络基础设施建设领域投入大量资金,并加强技术研发,打破标准壁垒,提高用频效率。

    一是发挥政府决策职能,出台应对政策和规划。

    美国政府出台了一系列“挖掘无线频谱潜力,扩大频谱资源供给和提升使用效率”的政策措施和规划建议。

    频谱的规划与分配一般应距频谱应用提前5年以上。为保证先进制造业顺利发展,2010年美国就决定,在未来10年内从现有的联邦或非联邦频谱中腾出500MHz频谱供无线宽带使用。同年,美国商务部发布《将500MHz频谱用于无线宽带的计划与时间表》,报告确定了大约2200MHz候选频段、协调时间表以及相应的激励措施。2012年FCC发布《2012-2016年FCC战略规划》,目标之一就是频谱资源效益最大化,其子目标是:制定与执行灵活的以市场为导向的频谱资源分配政策,提高频谱资源利用率。同年7月,美国总统科技顾问小组(PCAST)向奥巴马总统提交了1000MHz(2700MHz~3700MHz)的宽带频谱共享报告,建议改变细分、独占的频谱划分模式,建立大带宽、微小区的频谱共享结构。2013年6月14日奥巴马发布了一份总统备忘录,指示联邦机构提高频谱的利用率、创造更多可用容量以满足个人和企业宽带用户迅速上涨的需求;指示联邦机构增加他们与私营部门的合作和数据共享,使各种利益相关者能够为了实现频谱利用率的最大化(包括促进政府和商业用户之间的频谱共享等)贡献专业知识。这些举措将使无线宽带提供商、设备供应商有机会获得更多频谱资源。

    二是投巨资搞建设,为持续发展打牢基础。

    为了充分利用频谱资源,奠定先进制造业发展基础,美国政府和企业在无线宽带网络基础设施建设领域投入大量资金,取得了较好的效果。

    2010年3月,美国政府公布了未来10年高速宽带发展计划,将目前宽带网速提高25倍。2009年至2012年,美国无线网络建设资金年投资额从210亿美元增长到300亿美元,远超过同一时期欧洲的零投资增长和亚洲(包括中国)的4%的投资增长率。美国电信工业协会(TIA)在《ICT市场回顾与预测》(ICTMarketReview and Forecast)报告中指出,美国无线运营商未来4年的无线网络设备和基础设施支出总额将达1593亿美元,较之前4年累计支出总额(1139亿美元)增长40%。在如此巨大投资的影响下,2016年北美地区无线数据流量将增长到2009年的100倍。2011年美国总统奥巴马承诺,确保2016年98%的美国人能够享受4G无线宽带服务。

    三是加强技术研发,打破标准壁垒,提高用频效率。

    技术进步是保障高效利用频谱资源的重要手段,是推动先进制造业加速发展的重要基础。

    为继续保持在先进制造业领域的领先地位,美国加强了在频谱共享、高效利用和降低用频干扰等领域的技术研发投入力度。2011年,美国在ICT领域研发投入约为1263亿美元,占全球总研发支出的55%,设立了30亿美元的无线创新基金用于支持无线网络的基础研究和试验,力争在宽带无线技术的扩展使用、免执照的宽带无线通信系统、MIMO技术、超宽带技术等方面有所突破,以实现频谱资源的高效利用。2012年,美国推出“先进制造业国家战略计划”,还建立了45个研究中心。近期,美国政府计划拿出高达10亿美元资金建立一个覆盖全国研究机构和企业的网络。政府部门负责提供无处不在的宽带网络,工业界建立工业互联网联盟,通过制定通用标准,打破技术壁垒,使各个厂商设备之间可以实现数据共享,充分利用互联网更好地促进物理世界和数字世界的融合。

    对中国的启示

    我国急需在加强频谱资源的规划配置、技术研发和基础设施建设等方面下工夫,实现资源的优化配置和合理使用。

    美国正在进行的先进制造业计划与我国当前大力推进的两化深度融合在本质上是相同的,因此我国应借鉴美国高效利用频谱资源发展先进制造业的一些经验。结合我国无线电频谱管理工作的实际情况以及两化深度融合的用频特点,我们认为,做好无线电管理工作急需在加强频谱资源的规划配置、技术研发和基础设施建设等方面下工夫,实现资源的优化配置和合理使用,以适应两化深度融合发展需要。

    一是做好前期频谱资源的规划配置工作,确保满足两化深度融合发展需要。

    美国政府通过宏观决策和规划配置工作,充分挖掘无线频谱资源潜力、扩大频谱资源供给和使用效率的提升。一方面,可以通过政府以行政手段对频谱资源的供应和分配进行统筹协调,平衡各方利益,保障提供足够的频谱资源满足先进制造业发展需求;另一方面,提高重视程度,提早规划制定用频顶层设计,不仅可以满足先进制造业设备制造商创新发展的需要,而且解除了先进制造业发展对频谱需求短缺的后顾之忧。

    美国经验告诉我们,一方面,我国应尽早制定频谱规划路线图,加快建立我国频谱共享高速公路,从政策层面保证频谱资源能够被科学、合理、高效的利用,保证两化深度融合发展需求;另一方面,为保障决策和规划的顺利实施,应加快与开发利用频谱资源的相关法律法规建设,加快修订出台《中华人民共和国无线电管理条例》。积极推动无线电立法,完善与无线电管理相配套的法律规章及地方性法规建设,逐步提高无线电监管的法律层级和效力,为排除用频干扰,加强统一管理无线电频谱资源和设备、台站等提供法律依据。

    二是加大技术研发投入,充分利用频谱资源促进两化深度融合发展。

    美国通过政府引导,带动企业将资金大量投入频谱资源的应用技术研发领域,实现技术进步。一方面,用频技术进步不但可以实现频谱共享,提高用频效率,而且可以排除用频干扰,拓宽可用频谱,进一步挖掘频谱资源使用潜力,为先进制造业发展提供新的频谱资源;另一方面,可以提升无线数据传输数量和可靠性,适应多种工业领域无线应用发展需要,充分利用频谱资源满足先进制造业发展的基本需求。

    美国经验告诉我们,一方面,我国应重视用频技术研发,加强与发达国家在工业物联网技术应用和频谱共享技术方面建立广泛的交流与合作,鼓励、支持信息技术企业与高校、研究院所开展联合研发。用频部门适时加快新技术、新设备替代旧技术和旧设备的步伐,以达到通过科学配置、合理利用无线电频谱资源的目的;另一方面应重点支持认知无线电等可动态高效利用频率资源的技术以及可用频带宽,信息容量大的毫米波、亚毫米波无线技术的研究和发展。重视微功率(短距离)无线电技术的发展和应用。支持实现频谱共享和高效利用的新技术创新和新产品研发,制定动态频谱共享方法的长期研发计划,积极探讨可能的频谱共享方案,为加速频谱资源开放共享进程提供有力的技术支撑,保障两化深度融合用频发展需要。

    三是大力发展网络基础设施建设,以频谱资源为两化深度融合发展保驾护航。

    美国通过加强在无线通信基础设施和设备生产等领域的建设和资金投入力度,一方面,可以提高无线网络覆盖范围,改善无线应用环境,另一方面,可以带动ICT其他相关产业发展,缓解就业压力,为促进经济建设提供基础支撑。

    美国经验告诉我们,一方面,我国应以宽带普及和提速为重点,加快构建宽带、融合、安全和泛在的下一代国家信息基础设施,加强4G网络向纵深覆盖;另一方面,应结合以近距离通信为主的两化深度融合发展特点,高度重视高频段、微小区的无线网络基础设施建设,提高频谱资源的空间复用率,合理利用无线电频谱资源,为两化深度融合发展保驾护航。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:苏滢
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