頻譜資源是無線通信技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用迅速普及的根本保障，是先進(jìn)制造業(yè)迅猛發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前，世界各國政府都在努力通過發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)本國實(shí)體經(jīng)濟(jì)的高速增長，但發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)需要大量應(yīng)用無線通信技術(shù)，這樣就使得各國不得不面對嚴(yán)重的用頻危機(jī)問題。美國是先進(jìn)制造業(yè)高度發(fā)達(dá)的國家，他們?nèi)绾谓鉀Q這一問題，引起了其他國家的廣泛關(guān)注。因此，研究美國利用頻譜資源發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的做法和經(jīng)驗(yàn)，對我國有一定的借鑒和啟示作用。

　　美國發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)面臨用頻危機(jī)

　　已分配的ISM(工業(yè)、科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)，Industrial，Scientific and Medical)頻段和公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)頻段不能滿足制造業(yè)發(fā)展的用頻需求。

　　無線通信是發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的主要手段，隨著美國先進(jìn)制造業(yè)的快速發(fā)展，頻譜短缺和用頻干擾問題逐漸顯露出來。

　　頻譜需求增大。先進(jìn)制造業(yè)需要設(shè)備間在供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)過程工藝優(yōu)化、設(shè)備監(jiān)控管理以及能耗控制等各個環(huán)節(jié)，通過無線通信方式使人、機(jī)器和系統(tǒng)三者之間實(shí)現(xiàn)智能化、交互式的無縫連接，做到通信、控制和計算的集合，營造一個CPS的環(huán)境(Cyber-Physical Systems，信息物理系統(tǒng))，這樣就需要上萬億的無線傳輸終端傳輸數(shù)據(jù)信息。據(jù)IDC分析家預(yù)測，2020年全球聯(lián)網(wǎng)的“物體”裝機(jī)總量將達(dá)2120億個，其中將有301億個為“物”聯(lián)網(wǎng)，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸量和頻譜需求的急劇增加。由于頻譜資源的有限和用頻技術(shù)發(fā)展的局限性，頻譜資源短缺問題就顯得十分嚴(yán)重，已分配的ISM(工業(yè)、科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)，Industrial，Scientific and Medical)頻段，和公眾移動通信網(wǎng)絡(luò)頻段不能滿足制造業(yè)發(fā)展的用頻需求。

　　用頻環(huán)境復(fù)雜。先進(jìn)制造業(yè)在生產(chǎn)環(huán)境中大量使用傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)遍布工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。然而在數(shù)據(jù)采集階段，生產(chǎn)制造環(huán)境不但充滿強(qiáng)電磁干擾、金屬介質(zhì)和多障礙等多元干擾元素，而且存在“人、物料、設(shè)備、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品”等參與生產(chǎn)的元素，這種復(fù)雜的電磁環(huán)境，嚴(yán)重影響了傳感器獲得感知數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)傳輸階段，由于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，使得傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)不但受到更多的大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，而且還將受到馬達(dá)、器械等運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電磁噪聲對無線通信所產(chǎn)生的干擾，用頻環(huán)境異常復(fù)雜，致使數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性和準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重影響。

　　美國采取重要措施應(yīng)對

　　2010年美國開始規(guī)劃頻譜的使用，在無線寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域投入大量資金，并加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，打破標(biāo)準(zhǔn)壁壘，提高用頻效率。

　　一是發(fā)揮政府決策職能，出臺應(yīng)對政策和規(guī)劃。

　　美國政府出臺了一系列“挖掘無線頻譜潛力，擴(kuò)大頻譜資源供給和提升使用效率”的政策措施和規(guī)劃建議。

　　頻譜的規(guī)劃與分配一般應(yīng)距頻譜應(yīng)用提前5年以上。為保證先進(jìn)制造業(yè)順利發(fā)展，2010年美國就決定，在未來10年內(nèi)從現(xiàn)有的聯(lián)邦或非聯(lián)邦頻譜中騰出500MHz頻譜供無線寬帶使用。同年，美國商務(wù)部發(fā)布《將500MHz頻譜用于無線寬帶的計劃與時間表》，報告確定了大約2200MHz候選頻段、協(xié)調(diào)時間表以及相應(yīng)的激勵措施。2012年FCC發(fā)布《2012-2016年FCC戰(zhàn)略規(guī)劃》，目標(biāo)之一就是頻譜資源效益最大化，其子目標(biāo)是：制定與執(zhí)行靈活的以市場為導(dǎo)向的頻譜資源分配政策，提高頻譜資源利用率。同年7月，美國總統(tǒng)科技顧問小組(PCAST)向奧巴馬總統(tǒng)提交了1000MHz(2700MHz～3700MHz)的寬帶頻譜共享報告，建議改變細(xì)分、獨(dú)占的頻譜劃分模式，建立大帶寬、微小區(qū)的頻譜共享結(jié)構(gòu)。2013年6月14日奧巴馬發(fā)布了一份總統(tǒng)備忘錄，指示聯(lián)邦機(jī)構(gòu)提高頻譜的利用率、創(chuàng)造更多可用容量以滿足個人和企業(yè)寬帶用戶迅速上漲的需求;指示聯(lián)邦機(jī)構(gòu)增加他們與私營部門的合作和數(shù)據(jù)共享，使各種利益相關(guān)者能夠?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)頻譜利用率的最大化(包括促進(jìn)政府和商業(yè)用戶之間的頻譜共享等)貢獻(xiàn)專業(yè)知識。這些舉措將使無線寬帶提供商、設(shè)備供應(yīng)商有機(jī)會獲得更多頻譜資源。

　　二是投巨資搞建設(shè)，為持續(xù)發(fā)展打牢基礎(chǔ)。

　　為了充分利用頻譜資源，奠定先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)，美國政府和企業(yè)在無線寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域投入大量資金，取得了較好的效果。

　　2010年3月，美國政府公布了未來10年高速寬帶發(fā)展計劃，將目前寬帶網(wǎng)速提高25倍。2009年至2012年，美國無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)資金年投資額從210億美元增長到300億美元，遠(yuǎn)超過同一時期歐洲的零投資增長和亞洲(包括中國)的4%的投資增長率。美國電信工業(yè)協(xié)會(TIA)在《ICT市場回顧與預(yù)測》(ICTMarketReview and Forecast)報告中指出，美國無線運(yùn)營商未來4年的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施支出總額將達(dá)1593億美元，較之前4年累計支出總額(1139億美元)增長40%。在如此巨大投資的影響下，2016年北美地區(qū)無線數(shù)據(jù)流量將增長到2009年的100倍。2011年美國總統(tǒng)奧巴馬承諾，確保2016年98%的美國人能夠享受4G無線寬帶服務(wù)。

　　三是加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，打破標(biāo)準(zhǔn)壁壘，提高用頻效率。

　　技術(shù)進(jìn)步是保障高效利用頻譜資源的重要手段，是推動先進(jìn)制造業(yè)加速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

　　為繼續(xù)保持在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，美國加強(qiáng)了在頻譜共享、高效利用和降低用頻干擾等領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)投入力度。2011年，美國在ICT領(lǐng)域研發(fā)投入約為1263億美元，占全球總研發(fā)支出的55%，設(shè)立了30億美元的無線創(chuàng)新基金用于支持無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)，力爭在寬帶無線技術(shù)的擴(kuò)展使用、免執(zhí)照的寬帶無線通信系統(tǒng)、MIMO技術(shù)、超寬帶技術(shù)等方面有所突破，以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用。2012年，美國推出“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，還建立了45個研究中心。近期，美國政府計劃拿出高達(dá)10億美元資金建立一個覆蓋全國研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)。政府部門負(fù)責(zé)提供無處不在的寬帶網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)界建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，通過制定通用標(biāo)準(zhǔn)，打破技術(shù)壁壘，使各個廠商設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，充分利用互聯(lián)網(wǎng)更好地促進(jìn)物理世界和數(shù)字世界的融合。

　　對中國的啟示

　　我國急需在加強(qiáng)頻譜資源的規(guī)劃配置、技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面下工夫，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和合理使用。

　　美國正在進(jìn)行的先進(jìn)制造業(yè)計劃與我國當(dāng)前大力推進(jìn)的兩化深度融合在本質(zhì)上是相同的，因此我國應(yīng)借鑒美國高效利用頻譜資源發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的一些經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合我國無線電頻譜管理工作的實(shí)際情況以及兩化深度融合的用頻特點(diǎn)，我們認(rèn)為，做好無線電管理工作急需在加強(qiáng)頻譜資源的規(guī)劃配置、技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面下工夫，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和合理使用，以適應(yīng)兩化深度融合發(fā)展需要。

　　一是做好前期頻譜資源的規(guī)劃配置工作，確保滿足兩化深度融合發(fā)展需要。

　　美國政府通過宏觀決策和規(guī)劃配置工作，充分挖掘無線頻譜資源潛力、擴(kuò)大頻譜資源供給和使用效率的提升。一方面，可以通過政府以行政手段對頻譜資源的供應(yīng)和分配進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，平衡各方利益，保障提供足夠的頻譜資源滿足先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展需求;另一方面，提高重視程度，提早規(guī)劃制定用頻頂層設(shè)計，不僅可以滿足先進(jìn)制造業(yè)設(shè)備制造商創(chuàng)新發(fā)展的需要，而且解除了先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展對頻譜需求短缺的后顧之憂。

　　美國經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一方面，我國應(yīng)盡早制定頻譜規(guī)劃路線圖，加快建立我國頻譜共享高速公路，從政策層面保證頻譜資源能夠被科學(xué)、合理、高效的利用，保證兩化深度融合發(fā)展需求;另一方面，為保障決策和規(guī)劃的順利實(shí)施，應(yīng)加快與開發(fā)利用頻譜資源的相關(guān)法律法規(guī)建設(shè)，加快修訂出臺《中華人民共和國無線電管理條例》。積極推動無線電立法，完善與無線電管理相配套的法律規(guī)章及地方性法規(guī)建設(shè)，逐步提高無線電監(jiān)管的法律層級和效力，為排除用頻干擾，加強(qiáng)統(tǒng)一管理無線電頻譜資源和設(shè)備、臺站等提供法律依據(jù)。

　　二是加大技術(shù)研發(fā)投入，充分利用頻譜資源促進(jìn)兩化深度融合發(fā)展。

　　美國通過政府引導(dǎo)，帶動企業(yè)將資金大量投入頻譜資源的應(yīng)用技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。一方面，用頻技術(shù)進(jìn)步不但可以實(shí)現(xiàn)頻譜共享，提高用頻效率，而且可以排除用頻干擾，拓寬可用頻譜，進(jìn)一步挖掘頻譜資源使用潛力，為先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展提供新的頻譜資源;另一方面，可以提升無線數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量和可靠性，適應(yīng)多種工業(yè)領(lǐng)域無線應(yīng)用發(fā)展需要，充分利用頻譜資源滿足先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的基本需求。

　　美國經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一方面，我國應(yīng)重視用頻技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)與發(fā)達(dá)國家在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用和頻譜共享技術(shù)方面建立廣泛的交流與合作，鼓勵、支持信息技術(shù)企業(yè)與高校、研究院所開展聯(lián)合研發(fā)。用頻部門適時加快新技術(shù)、新設(shè)備替代舊技術(shù)和舊設(shè)備的步伐，以達(dá)到通過科學(xué)配置、合理利用無線電頻譜資源的目的;另一方面應(yīng)重點(diǎn)支持認(rèn)知無線電等可動態(tài)高效利用頻率資源的技術(shù)以及可用頻帶寬，信息容量大的毫米波、亞毫米波無線技術(shù)的研究和發(fā)展。重視微功率(短距離)無線電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。支持實(shí)現(xiàn)頻譜共享和高效利用的新技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品研發(fā)，制定動態(tài)頻譜共享方法的長期研發(fā)計劃，積極探討可能的頻譜共享方案，為加速頻譜資源開放共享進(jìn)程提供有力的技術(shù)支撐，保障兩化深度融合用頻發(fā)展需要。

　　三是大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以頻譜資源為兩化深度融合發(fā)展保駕護(hù)航。

　　美國通過加強(qiáng)在無線通信基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備生產(chǎn)等領(lǐng)域的建設(shè)和資金投入力度，一方面，可以提高無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，改善無線應(yīng)用環(huán)境，另一方面，可以帶動ICT其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，緩解就業(yè)壓力，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

　　美國經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一方面，我國應(yīng)以寬帶普及和提速為重點(diǎn)，加快構(gòu)建寬帶、融合、安全和泛在的下一代國家信息基礎(chǔ)設(shè)施，加強(qiáng)4G網(wǎng)絡(luò)向縱深覆蓋;另一方面，應(yīng)結(jié)合以近距離通信為主的兩化深度融合發(fā)展特點(diǎn)，高度重視高頻段、微小區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高頻譜資源的空間復(fù)用率，合理利用無線電頻譜資源，為兩化深度融合發(fā)展保駕護(hù)航。