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什么是开放式频谱?

“开放式频谱”是基于可以减 少甚至消除政府对无线通信系 统的微观管理技术的实现。在 不同的场景中,它可以被看作 是

  • 无线电频率理想化地自由使 用;
  • 对传统频谱管理的一项挑战 ;
  • 无线电设计的一个可能发展 方向。
实际上,它是上述三个方面的 总和——只是开放式频谱支持 者强调的重点和观念上的差异 而已。仅仅一个网页的内容虽 然并不足以来说明这些差异, 但是可以通过澄清一些政策方 面的选择来定位我们的工作。

政府对无线资源使用强制加 以详细的限制已经几乎整整一 个世纪,它规定了谁能够在哪 些地方、在什么样的功率水平 上、为何种目的接收和发送哪 些频率和波形。频谱使用牌照 概述了对特定用户或"工作站"的 这些控制。政府对无线频谱使 用的控制远远超出了对其他媒 质的许可程度(如声音、出版 、图像、因特网等等)。然而 ,大多数人因为坚信这些对无 线资源的严格控制对防止频谱 使用混乱和频谱间干扰非常必 要而接受了。

然而,近20年来,智能无线电 的开发,大大帮助解决了曾经 似乎需要政府干涉的才能解决 问题。无绳电话可以自动搜寻 一个频带,并选择一个未被占 用的信道。蜂窝GSM电话网络在 手持设备处于激活状态时为其 动态分配频率,并把信号强度 设定为保持链接所需的最小水 平上。智能接收器能够分离相 同信道上不同编码的信号。智 能无线电趋向于把易于使用更 好的链路质量与支持新应用相 结合。这些属性的结合加速了 公众对无线设备需求的迅猛发 掌。同时,这些设备的推广显 著地改进了经济效益、生产力 、个人安全、便携性以及社会 凝聚力。

无线通信的繁荣引起了对这 一事实的关注——设计为保护 “哑”(Dumb)无线电设备免受 干扰的政府对无线电调控措施 人为造成了频率的匮乏。最近 的调查已经表明静态频谱分配 可能导致频带利用率低到了5- 10%。在九十年代中期,少数 射频专家开始关注这个问题, 并把开放式频谱出现的基础作 为频谱管理的一个可选模型。 Eli Noam、 Yochai Benkler、 Dave Hughes 和 Kevin Werbach 参加了把 开放式频谱作为一个重要策略 选择的最初的讨论。1985年,美 国联邦通信委员会决定允许在 无牌照的"工业、科学和医学 (Industrial, Scientific and Medical [ISM])备使用的频带 中使用新的通信技术,该决策 推动了开放式频谱管理的这一 演进。

ISM 频带上的通信必须容忍干扰 。这与以防止干扰为目标的传 统频谱管理相反。通常,对干 扰的防护是通过不允许其他传 输设备在地理上的“保护带” 内使用一个已发放牌照给他人 使用的信道。但是ISM频带上开 发的技术——Wi-fi,说明了如果 每个人都使用低功率和减轻 干扰影响的波形设计的话, 大量的人可以共享一个频带 ,而无需为每个人分别分配 信道。实际上,象我们的全 球调查表明的一样,大部分 国家把Wi-fi排除在需要发放牌照 的频带之外。

Wi-fi 经常被引用作开放式频谱的 “概念证明” (Proof of Concept) 上,它 验证了“无牌照共用” (unlicensed commons) 是频谱管理中一个实用 的范例。正是由于政府调控 部门刚刚开始启动更自由地 公共无线接入,使得我们关 注于将Wi-fi无牌照使用作为建立 信心的措施。然而值得注意 的是,开放式频谱是比Wi-fi更为 宽泛的概念。同时,Wi-fi的运行 不仅因为能广泛自愿接受 IEEE 802.11b 标准;而且还因为其强制的 “类型认证” (Type Approval) 过程( “类型认证”指的是一种遵从 一定的参数的、由调控部门批 准自由销售的设备,尤其是指 对有辐射功率和频谱使用的设 备)。因此,无需牌照并不与 无调控等同。开放式频谱的支 持者似乎被这个差异所划分, 争论是否完全的无调控,而其 他人(象我们自己)信奉类型 认证比发放牌照更优。

另外一个有争议的问题是无 牌照用户接入已发放牌照的频 带。例如,超宽带 (Ultra-WideBand [UWB]) 信令可以在已允许的非有 意发射功率之下的低功率上 使用,使得许多人不认为UWB会 干扰以获牌照的服务。另一 方面,为自己的频率支付了 数十亿美金的牌照持有者并 不愿意这些无牌照的UWB设备免 费接入相同的频带。另外一 种方法是“可感知的无线电 ” (Cognitive Radio)。 可感知的无线电 设备可以识别出它们所在环 境中存在的其他信令,迅速 切换到未被占用的信道,并 在该频带上的有牌照的用户 开始使用它时让出该信道。 这样动态的、迅速抓住机会 的接入能够真正地把频谱利 用率提高到一个很高的水平 上。但是,可感知的无线电 技术的干扰风险真的是最小 限度的吗?这个问题需要在 广泛的环境条件下进行更多 的测试。然而,对无牌照用 户开放共享使用发放牌照的 频带比清空一个频带的有牌 照用户要容易,因此,如果 你认为开放式频谱是可以逐 步引入的事物,那这将是一 个重要的选择。

“被动的”(Passive)无线电设 备,如同射电天文学和卫星 下行链路一样,提出了一个 特别的问题。它们的地面基 站并不发射可感知的无线电 设备所能监测到的信号,并 且必须能够接收非常微弱的 无干扰信号。这些用于被动 服务的频带象野生区域一样 可能需要保护,而且禁止无 牌照用户使用。我们对此没 有疑问,但是开放式频谱的 其他倡导者则认为所有的频 带都应该无需牌照地共用, 且只用“保证促使无线共用 成功的最小规则集来进行调 控”。

不考虑问题和风险,一些人 认为无线电技术正不可避免 地朝着传统调控形式将成为 不可能的未来演进。在随后 的十年里,数十亿的射频身 份识别(RFID)标签会散布在全 球范围,他们将象流行病一 样难以控制。“软件定义无 线电”(Software-Defined Radio) 是另外一个挑战。在将来 ,越来越多的硬件执行的无 线电功能会在软件中实现。 如果这种软件开放源代码, 或者可以在购买后修改或代 换代码的话,“类型认证”手 续就会遭到破坏。

那么,未来将会是什么样子 ?乐观主义者想象了一个后 -调控时代,这里达尔文的 市场竞争法则将产生“最合 适”的设备,这些设备能够 对干扰免疫,在需要的时候 能够发现并利用任一未使用 的频点。这就像最大的动物 趋向于变成温和的素食动物 ,大功率的射频设备为了总 体利益可能选择不去造成干 扰。广泛支持的标准以及自 动合作和“礼貌”(politeness)的 协议似乎是这种场景的精髓 。如果把自发产生的自组织 系统设计为对干扰加以惩罚 的话,在这样的时代中,每 个人都会感到更有信心。

我们的目标更为温和。在批 准个人或组织无害使用无线 频谱方面我们想消除政府角 色,尤其是在发展中国家里 。明确地讲,我们希望把无 线通信对经济和社会发展带 来的收益释放到最大。因为 不需要严格对待无线频谱资 源,为了弥补技术上的不足 ,通俗地讲,无线频谱调控 应该朝着适用于最通用媒质 的规则方向汇聚。这可能需 要一些时间,但是经济增长 和人们生活质量的改进将会 为这种发展历程打下烙印。

---Robert Horvitz, 2005 年六月29日

编辑: Cindy Lemcke-Hoong

翻译:郝丹丹,2006年6月15日