PDF开放频谱
Robert J. Berger，互联网带宽开发公司（LLCA）
实现普遍连接的途径
正如开放标准和开放软件撼动了网络和计算行业一样，开放频谱有望成为无线电频谱通信使用中的颠覆性力量。与此同时，开放频谱将成为推动互联网继续前进，通过开放标准和通用硬件整合和促进所有电子通信的主要因素。
开放频谱是一系列新的无线电技术。其核心概念是，技术和标准可以动态管理频谱接入（从而实现频谱共享），以取代目前通过官僚“命令和控制”进行的静态频段分配。
以下是实现开放频谱的三大类技术（稍后将详细描述）：
- 低功率、宽带扩频底层
- 认知/敏捷/软件定义无线电
- 网状网络
由于开放频谱技术影响了频谱监管的方式，开放频谱带有一些技术政治运动的色彩。频谱监管已有近 100 年的历史，已成为最具政治性的官僚机构之一。世界上一些最强大的游说团体（全国广播电视协会、电话公司及其设备供应商）对美国联邦通信委员会 (FCC)（以及其他国家的类似情况）的方向和重点产生了很大影响，FCC 是美国主要的频谱监管机构。 FCC 通常根据具体申请来微观管理频谱分配，通常会指定许可证持有者可以使用其频谱的应用（电视广播、电话服务、公共安全等）和技术。
直到最近，人们还几乎不期望这种情况会发生改变。但在过去一年左右的时间里，FCC 本身意识到需要进行变革。它基本上已经没有更多的频谱可以分配，但对新用途——主要是数据——的需求却在加速增长。幸运的是，FCC 对使用频谱的新技术持开放态度，同时也发现多年来分配的频谱中有很大一部分被严重低估。问题在于，利用未充分利用的频谱的新技术需要一些全新的监管方式。
FCC 做了一件对于官僚机构来说相当令人惊讶的事情。它从国防高级研究计划局 (DARPA) 请来了一位项目经理 Paul J. Kolodzy 博士，以推动为期九个月的频谱政策任务组 (SPTF) 工作。他的小组探索并提出了一系列政策建议，积极推广许多开放频谱技术。公平地说，FCC 的一个派别（经济学家）提出了一个反提案，即拍卖所有频谱并将其私有化，从而利用市场机制来管理频谱（但我们将把这个讨论留到另一篇文章中）。
使 FCC 甚至能够考虑开放频谱这一想法的原因是 Wi-Fi（IEEE 802.11 标准）无线局域网出乎意料的成功。当 FCC 最初分配 85 兆赫的 2.4 吉赫频谱时，它被称为“垃圾频段”，因为它有太多冲突的用途。然而，802.11 标准已经证明了在非许可频谱下可以释放的创新。基于 802.11b 标准的产品和服务在 2002 年创造了 29 亿美元的产业。FCC 随后看到，技术和标准可以以似乎创造更多容量的方式使用频谱。
开放频谱呼吁开放大部分频谱用于非许可使用，使其能够与传统频谱用户共存，从而利用现有频谱“创造”巨大的新容量。这些新技术和其背后的基层支持可能是打破最后一英里瓶颈所需的。开放频谱将有助于实现几乎普遍存在的互联网接入，其程度在以前被认为只存在于科幻小说中。
干扰存在于接收器的“耳朵”中
乍一看，开放频谱的承诺听起来确实像是科幻小说中的东西。在不久的过去，为少数电视台、大量广播电台和少数手机运营商寻找足够的频谱都很困难。鉴于此，数百万人能够同时使用周围的频谱，每个人都拥有每秒 10 或 100 兆比特甚至千兆比特的带宽，这似乎确实是一个荒谬的梦想。这是因为我们对无线电频谱容量的常识性理解来自我们日常使用无线电技术的经验，这些无线电技术自上世纪初以来基本上没有改变。早在无线电技术刚开始发展且法规正在制定时，无线电技术还相当原始。无线电（以及后来的电视）接收器一次只能处理一个信号，并且该信号必须比噪声基底和任何接近相同频率的其他信号“响亮”（即幅度更高）。（参见图 1。）
如果存在频率相同或相近且幅度接近或超过接收器试图收听的信号幅度的信号，这种“笨”接收器很容易被搞糊涂。这通常被称为干扰。（参见图 2。）问题不是信号之间的干扰，而是接收器无法区分其感兴趣的信号和其他无关信号。
在 20 世纪 20 年代末和 30 年代初，这种简单的电路是唯一可能的。因此，无线电行业提出了一种监管方法，以确保在地理区域中分配给每个电台的每个载波频率中只允许一个信号。只有一个个体，即电台许可证持有者，可以传输该信号。
这些模拟电路非常“笨”，以至于您不能在分配信道的信号附近有任何其他信号。每个地理区域的信道之间都需要未使用的频率（额外信道）的保护频带，从而浪费了更多的频谱。这就是为什么在一个城市中几乎没有两个相邻的电视或无线电信道。政府在行业的指导下，对真正是技术问题的东西应用了监管“补丁”。
这种情况已经持续了很长时间，以至于人们相信这是思考频谱和干扰的自然且唯一的方式——也就是说，频谱必须被划分为数量有限的小信道，并采用监管或产权模式来保护接收器免受其他设备的干扰。
今天，凭借廉价制造数百万晶体管芯片的能力，凭借新的调制技术和对信息理论的更好理解，我们可以将大量的信号处理嵌入到发射器和接收器中。这使得它们能够从潜在的数百万个其他信号和噪声中辨别出它们感兴趣的信号。与传统的单频信道维度相比，它们可以以低得多的功率运行，并通过编码、频率捷变和空间/时间复用等多个维度共享频谱。
摩尔定律：动态和智能无线电的动力
开放频谱技术利用摩尔定律及其相关的廉价信号处理和嵌入式智能能力，从频谱中提取巨大的“新”容量。这些技术可以分为两大类：
- 物理层接入方法，例如宽带扩频。
- 智能频谱使用方式，可以包括认知无线电和网状网络。
宽带扩频物理层。主要的物理层技术包括各种宽带扩频技术，例如超宽带 (UWB)。许多产品已经使用某种形式的扩频，包括 802.11。然而，目前的产品分配到的频谱量有限。例如，802.11b/g 具有 75-85 MHz（取决于国家/地区），而 802.11a 具有约 300 MHz（同样，或多或少取决于不同国家/地区的频谱政策）。诸如 UWB 之类的宽带扩频将其信号扩展到千兆赫的频谱上，但每赫兹仅使用极少量的功率（皮瓦）。这意味着对于传统的窄带无线电接收器而言，UWB 信号“看起来”像背景辐射（称为噪声基底）。（参见图 3。）
宽带扩频接收器不“调谐”到信号。相反，它们使用数字处理技术，例如代码和/或时序同步。数据中的嵌入式数字代码或数字信号的时序使接收器能够从噪声基底中提取所需的信号。因此，有可能在频谱上叠加大量的同时信号。数量和可用带宽仅受通信设备中的处理能力以及可以扩展的频谱量限制。这被称为克劳德·香农通信定理中的处理增益。香农定理与摩尔定律（数字处理能力每两年翻一番）相结合，清楚地表明，如果我们想充分利用频谱容量，我们就需要制定频谱政策，允许无线电尽可能地扩展频谱。
UWB 特别适用于低功率、相对短距离的应用，例如个人区域网、局域网，甚至可能是邻域区域网（1 到 100 米范围）。当允许 UWB 和其他宽带扩频技术在数百 MHz 到 10 GHz 的范围内工作时，即使在低功率下，信号也可以穿过墙壁和其他障碍物。目前的美国法规要求 UWB 在 3.1 GHz 以上且功率水平非常低的频率下运行，因此它们通常无法穿透墙壁。可以使用稍后描述的认知无线电和网状网络技术来克服其中一些问题。随着时间的推移，预计宽带扩频将能够在整个频谱范围内运行，并且在某些情况/频谱下以更高的功率运行。
用于更智能频谱利用的认知无线电和软件定义无线电。现有的频谱政策迫使频谱表现得像一个碎片化的磁盘。它将其切分成数千个小频段。这种碎片化不仅使得难以充分利用扩频，而且还平白无故地浪费了频谱。FCC 最近的测量表明，即使在主要城市地区，在任何一个时间也仅使用了 30% 的已分配频谱。
这引出了第二种开放频谱技术：认知无线电，也称为敏捷或软件定义无线电 (SDR)。Joseph Mitola III 在 1991 年创造了“认知无线电”一词，他的网站上有许多关于该主题的资源 [http://ourworld.compuserve.com/homepages/jmitola/]。认知无线电具有嵌入式智能和射频 (RF) 技术，使其能够了解所需的传输类型（带宽、延迟、紧急程度）。它们可以“监听”大片的频谱，并确定周围哪些频谱块可用。它们还知道频谱可能共享的规则，如果该频谱的主要许可证持有者在认知无线电所在的当时或当地未使用该频谱。然后，认知无线电可以使用这些频谱块与附近的其他认知无线电通信，使用最合适的 RF 调制技术来实现所需的传输和可用频谱。SDR 可以发射/接收定制的 RF 调制，这些调制可以是传统的、超宽带的，甚至是多频段的，其中扩频技术可以跨越许多非相邻频段而不是单频段 UWB 所需的连续频谱进行扩展。
认知无线电的智能感知和动态接入能力将使其能够在高于最低公分母噪声基底的功率水平下运行，因为它们“知道”它们不会干扰附近区域内的任何其他发射器，从而允许它们与传统的无线电应用共存。这方面的一个直接例子是常见的情况，即在城市中未分配整个电视频道，因为它们靠近已分配的频率频道。例如，如果为东京分配了电视频道 4，则该城市将不会有频道 3 或 5，因为传统的电视接收器一直无法处理相邻频道。然而，认知无线电可以使用这些频率，其功率低于电视但高于噪声基底，并且不会对除最古老的电视之外的任何电视造成问题。
网状网络利用智能和地理频谱复用。您必须记住，我们使用频谱的方式与传统系统不同。摩尔定律并没有让我们将电视台缩小到 PC 的大小。开放频谱技术要求设备以非常低的功率运行——绝对小于几瓦，通常小于一瓦的总功率，而传统无线电和电视的功率为数万或数十万，在某些情况下甚至数百万瓦。这确实意味着大多数开放频谱设备的范围将在 10 到 5,000 米范围内（取决于应用和环境），我们笔记本电脑、PDA 和其他设备中的大多数嵌入式设备的室内范围可能为 100 米。为了克服这些距离限制，我们同时利用了摩尔定律和梅特卡夫定律。[梅特卡夫定律以以太网发明者 Bob Metcalfe 的名字命名，它指出网络的价值随着用户数量的平方而增长；它在 http://www.infoworld.com/cgi-bin/displayArchive.pl?/96/19/o04-19.52.htm 中进行了描述。] 我们使每个设备既是数据源/宿，又是设备网格中的中继节点。
嵌入式智能（由摩尔定律使其变得廉价而强大）将允许每个开放频谱设备不仅成为网络中的终端节点，而且还可以成为任何附近邻居的中继单元，形成网状网络而不是传统的点对点或点对多点架构。这样的网状网络意味着，只要一个或多个节点可以访问骨干网的网关，任何可以连接到网状网络中任何其他节点的节点也可以将其数据传输到骨干网和从骨干网传输数据。因此，邻居到邻居的链路可以非常短，范围在 UWB 和其他低功率扩频技术的范围内。参与网状网络的设备越多，到达骨干网（以及彼此之间）的可能路径就越多。这就是梅特卡夫定律的一个例子。这种网状网络的一个方面是，网状网络的容量随着节点的增加而增加，这被称为合作增益。假设存在关键数量的节点和骨干网网关，以便新节点具有到达骨干网的路径，则系统可以很好地扩展，并允许每个节点更低的功率输出，从而实现显著的地理频谱复用，同时仍然扩展网状网络的覆盖范围。
超宽带：竞赛已经开始
发令枪于 2002 年 2 月刚刚打响，当时 FCC 允许在 3.1 至 10 GHz 频谱中有限地使用 UWB 技术。芯片供应商承诺“随时”推出 UWB 芯片组。IEEE 802.15 WPAN 高速率替代 PHY 任务组 3a (TG3a) [www.ieee802.org/15/pub/TG3a.html] 正处于制定基于 UWB 的标准的早期阶段。802.15.3a 的重点是制定一项标准，用于以至少 110 Mbps 的速率在 10 米范围内以及在更短距离内以更高的速度无线连接家庭娱乐、多媒体和其他高带宽设备，使其相互连接以及连接到 PC。引用任务组的标准：“需要建议的更快比特率的应用示例包括时间依赖性的大文件传输、多个同时发生的高清音频/视频流和电缆替代。可以连接的设备示例包括计算机、计算机外围设备（类似于 USB 2.0 的 480-Mbps 功能）、PDA、手持 PC、打印机、机顶盒、信息亭、图像显示器、虚拟现实游戏、DVD 播放器和摄像机（类似于 IEEE 1394 的 400-Mbps 功能）”[参见 www.ieee802.org/15/pub/2002/Sep02/02371r0P802-15_SG3a-5_Criteria.doc]。
在所有新的开放频谱技术中，UWB 是物理层技术，最接近可用于开发。从 MAC 实现、嵌入式系统、PC 和 PDA 的驱动程序到 MAC 以上的标准以及将实际使用这些服务的应用程序，机会都非常广泛。UWB 芯片组和基本的 802.15.3a 标准的可用性最初将影响设备制造商，如 802.15.3a 任务组标准中的引言所述。一旦第一批 UWB 设备展示了其功能，FCC 预计将扩大对 UWB 的限制，以允许更高的功率并在 3.1 GHz 以下的频率下运行。这将使 UWB 能够用于更长距离的场景，例如无线局域网和邻域区域网 (NAN)。我们可以预期 UWB 将成为 802.11 无线局域网标准的另一种物理链路 (PHY)。
网状网络：即时的开发机会
网状网络在某种程度上较少依赖于使用的物理层类型，因此一些开发工作已经在针对专有和基于标准的 PHY 的无线网状网络上进行。然而，令人惊讶的是，开发工作尚未普及，这为开发人员留下了广阔的空间。然而，最大的问题之一是：实施网状网络的最佳位置在哪里？
大多数开发人员认为它应该是第 3 层的路由方法。已发布的大多数网状网络开发，尤其是在学术界，都是基于第 3 层的。这包括 IETF 的移动自组网 (manet) 标准 [www.ietf.org/html.charters/manet-charter.html] 和一些开源工作，例如 LocustWorld MeshAP [global.locustworld.com/index.php]。除了软件开发人员在第 3 层具有更高的舒适度之外，第 3 层实现的代码开发可以相对独立于正在使用的无线硬件设备，这也是一个优势。无线设备通过通用接口（例如 802.11 无线局域网）或看起来就像 802.3 以太网接口一样进行抽象。然而，这种抽象级别确实使得将 RF 链路的详细信息纳入中继决策变得更加困难。
有些人认为，在第 2 层集成中继可能更合适，更像是以太网快速生成树的扩展 [www.ieee802.org/1/pages/802.1w.html]。毕竟，无线局域网或更广泛区域情况下的无线城域接入网传统上是作为第 2 层网络实现的，然后馈送到路由网络以实现全球连接。通过在第 2 层内实现中继，数据包转发决策可以更容易地访问和更直接地控制 RF 链路因素（信号强度、方向、每个节点链路上的负载），这些因素已经由 MAC 层跟踪。目前还没有标准专门支持第 2 层多跳连接。少数初创公司，例如 Mesh Networks 和 Skypilot，可能正在使用第 2 层技术。
在第 2 层集成增强功能通常需要在设备的固件中进行开发。例如，向 802.11 添加第 2 层中继意味着修改接入点或要参与中继网格的任何设备的固件。这通常需要与设备或芯片制造商建立关系，以便开发人员可以访问源代码。
除了基本的中继功能外，让设备自动发现其邻居并根据不断变化的条件动态重新配置链路，所有这些都以安全但灵活的方式进行，这将是有利的。确保公共数据传输不会与个人或公司流量混合非常重要。这可以使用与数据包转发集成的虚拟 LAN (VLAN) 类型技术来实现。可以使用为确保 802.11 安全而开发的新 802.1x/EAP 标准来实现身份验证和访问控制。[有关更多信息，请参阅 Arthur A. Fischer 的“身份验证和授权：IEEE 802.1X 的概况”，www.sans.org/rr/authentic/IEEE_8021X.php。] 在这种情况下，您不仅要验证最终用户，还要验证设备。这样的系统可以支持一系列甚至混合的社区、运营商和企业网络网格化在一起。策略（以及收费，如果适用）可以由批发和漫游 ISP 服务（例如 GRIC、iPass 和 Boingo）以及企业访问控制系统使用的现有代理远程身份验证拨入用户服务 (RADIUS) 技术来处理。无线网状网络可以只是一个私有企业网状网络，也可以是一个混合的私有-公共网状网络，其中公共访问流量位于其自己的 VLAN 上，优先级低于私有网络。公共互联网访问可以是免费的，也可以通过漫游服务付费。
以下是这样一个系统如何在财务上运作的一个示例：宽带服务提供商可以为安装支持公共-私有访问的无线接入点的个人和公司提供宽带有线连接（xDSL、有线调制解调器、光纤到户等）的折扣。然后，宽带服务提供商可以成为使用这些接入点的任何公共访问客户的计费处理器。同样，最终用户可以获得奖励，以允许公共-私有网格软件在其笔记本电脑、PDA 或其他设备上运行，从而进一步和更深入地扩展互联网的“边缘”。在这种情况下，可以部署几乎普遍存在的无线接入，而无需任何单一运营商来资本化建设无线网络的成本。相反，最终用户有效地支付了无线接入网络的资本成本。仍然需要有人来实现和推广这种软件。
SDR：软件开发的沃土
根据定义，SDR（此处用于指代整个无线电类别，包括认知无线电和敏捷无线电）将需要最多的软件。它也是实现承诺所需的硬件仍然最遥远的领域。摩尔定律尚未完全发挥作用，以至于我们能够拥有一个通用处理器，能够创建和解码多 GHz 范围内的任意波形。一些设备，包括开源 GNU 无线电 [请参阅 www.gnu.org/software/gnuradio/]，允许在数百 MHz 范围内操作信号。还有一些 SDR 平台可以在一组受限的频率和调制下工作。因此，可以开始尝试 SDR 和认知无线电技术。早期的实验可能需要占用一两个机架的笨重设备，但我们可以预期这些系统会随着摩尔定律的浪潮而缩小。
除了用于进行调制和解调的 SDR 之外，还有认知方面。这些将包括对正在使用的频谱进行近实时频谱分析，然后动态选择该位置中的空闲频谱以用于与邻居链接。一些协议挑战将包括协商和同步频谱的哪些部分是空闲的，以及链路的多个方面将如何决定在任何时刻使用哪些频率和协议进行链路。
认知方面与网状网络的结合将特别有趣。让 NAN 的所有节点共享其频谱分析将创建一种更准确的共享频谱方式，并避免“隐藏节点”问题，这些问题发生在每个节点只能“听到”它们视线范围内的信号时。这将克服以下情况：单个节点可能被传统发射器阻塞，而网状网络的其他成员或该频谱的传统用户可以“听到”该发射器。在正常情况下，单个节点将听不到发射器，因此尝试使用相同的频率，至少会对传统用户造成干扰。如果网状网络共享有关整个邻域频率使用情况的信息，那么即使是被传统发射器阻塞的节点也会从其他邻域节点了解它，从而意识到它必须使用不同的频率集。
这些认知无线电和软件定义无线电的开发领域只是冰山一角。Mitola 的博士论文答辩“认知无线电：软件定义无线电的集成代理架构” [www.it.kth.se/~jmitola/Mitola_Dissertation8_Integrated.pdf] 讨论了认知无线电的许多更高阶的方面，这些方面比调制和避免干扰的级别要高得多。它涵盖了知识表示、机器学习、知识获取和自然语言处理，因为他对认知无线电的最终愿景是它动态地适应环境以及用户的需求。
回到现实：2003 年
开放频谱的终极形式在未来仍然有点遥远。然而，存在使用无线技术（例如 802.11 和蜂窝数据服务）创建基础甚至一些基本工具和应用程序的机会。作为开发人员，我们很幸运世界正在围绕互联网标准融合。互联网“端到端”和 IP“沙漏”架构使我们能够忽略 IP 层以下发生的大多数物理现实。另一方面，我们已经对 IP 下面的有线设备有点宠坏了，在有线设备中，带宽和延迟通常不是问题。
对于无线，我们将看到各种各样的性能特征，具体取决于 IP 层下使用的技术。如今，您可以在无线网络之上拥有到 PDA 或笔记本电脑的 IP 链路，其范围可能从某些 2G 蜂窝系统的 9600 波特，或某些较新的 2.5 通用分组无线服务 (GPRS) 蜂窝系统的 20 到 64 kbps，到 802.11 无线“热区”的多兆比特吞吐量。“移动战士”可能会在所有这些不同的链路质量中使用相同的设备和应用程序，具体取决于他们当时所处的位置。如果您正在为这些用户开发应用程序，那么理想情况下，这些应用程序应该足够自适应，以便在任何这些情况下都可用。
在这一点上，底层基础设施没有标准方法来告诉应用程序当前的性能能力是什么。因此，应用程序开发人员（或可能是中间件开发人员）将需要包含一些机制，这些机制不断测试最终用户和后端服务之间链路的性能能力，并据此进行调整。应用程序或中间件软件开发人员必须为断开连接、可变延迟、带宽变化，甚至最终用户的 IP 地址随着最终用户从一个位置移动到另一个位置而变化做好准备。位置的变化不仅意味着最终用户和本地基站之间的 RF 特性的变化，还可能意味着当时使用的技术和协议的变化。例如，对于混合了蜂窝数据和 802.11 的多频段/多协议设备，用户可能会移出 802.11 热点并进入蜂窝 GPRS 覆盖范围。届时，延迟和带宽将发生巨大变化。
不幸的是，无线选项将需要这种适应性再过几年，直到我们拥有近乎普及的宽带无线。当我们展望开放频谱的未来时，我们可以期望在摩尔定律再发展一到两次的情况下实现这种宽带普及。问
资源
开放频谱的技术-经济-政治方面
“开放频谱常见问题解答”，作者：David Weinberger、Jock Gill、Dewayne Hendricks 和 David P. Reed，Greater Democracy，www.greaterdemocracy.org/OpenSpectrumFAQ.html
“为什么开放频谱至关重要：广播国家的终结”，作者：David Weinberger，Greater Democracy，www.greaterdemocracy.org/framing_openspectrum.html
“开放频谱：新的无线范例”，作者：Kevin Werbach，New American Foundation，werbach.com/docs/new_wireless_paradigm.htm
“无线通信的一些经济学”，作者：Yochai Benkler，Harvard Journal of Law & Technology，www.benkler.org/OwlEcon.html
UWB 概述
“无线数据冲击波”，作者：David G. Leeper，《科学美国人》，2002 年 5 月，
www.sciam.com/article.cfm?articleID=0002D51D-0A78-1CD4-B4A8809EC588EEDF
“超宽带 (UWB) 常见问题解答 (FAQ)”，
MultiSpectral Solutions Inc.，www.multispectral.com/UWBFAQ.html
“用于短程或中程无线通信的超宽带技术”，Intel Technology Journal，intel.com/technology/itj/q22001/articles/art_4.htm
软件定义无线电/认知无线电
“21 世纪的无线架构”，作者：Joseph Mitola III，ourworld.compuserve.com/homepages/jmitola
软件定义无线电论坛，www.sdrforum.org/
网状网络公司，www.meshnetworks.com/
“智能网络的希望”，BBC 新闻，news.bbc.co.uk/1/hi/technology/2787953.stm
“可扩展多跳扩频中的分散信道管理”
“分组无线电网络”，作者：Timothy J. Shepard，麻省理工学院博士论文，
www.lcs.mit.edu/publications/pubs/pdf/MIT-LCS-TR-670.pdf
ROBERT BERGER 是 Internet Bandwidth Development, LLC 的顾问，帮助公司开发和使用互联网技术和基础设施，专门从事骨干网、接入点、无线、服务器农场和电子商务技术与业务架构，以及互联网应用服务和软件。他也是东京 Global Communications 的访问研究员。 他是多家初创公司的创始人，包括 UltraDevices 和 Internex Information Services。
最初发表于《Queue》杂志第 1 卷，第 3 期—
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