有效解决电磁频谱拥塞问题

　　电场和磁场以适当的角度组合在一起会产生无线电波。这些无线电波在不同的频率产生，有用频率的范围称为电磁频谱。本文将讨论无线频谱的状况及相关问题。

　　频谱的管理

　　所有的电子通信都需要某种传输介质来传送要通信的信息，比如同轴电缆和光纤电缆。但是对于无线电而言，介质则是自由空间。

　　在无线电通信中，电磁波在空中以光速（每秒3亿米）从发射器传播到接收器。这意味着我们的周围到处都是电磁波。空中充满了你可以想得到的各种可想象的无线信号，其数量之多却是你无法想象的。

　　因此，无线电通信是如何通过所有这些看似干扰的信号成功实现的呢？是什么实现了无线连接呢？答案很简单：就是因为每通信都在其分配的频率上。

　　好的接收器和收发器做得出色的地方就是在其自己的频率上工作。信号根据频率来分隔和选择。电磁频谱是无线信号使用的满频率范围。

　　由于频谱终究是"自由"空间，因此你会认为每个人都可以使用它。其实错了！让我们想象一下，如果成千上万甚至上百万的设备试图同时使用同一频率会出现什么样的情况。由于干扰问题，终会产生大量无通信设备。

　　这就是政府控制和管理几乎所有频谱的原因。超过150个国家或地区中的大多数国家或地区都设有频率管理机构。这些机构和其他利益方每三年或四年会在国际电信联盟（ITU）赞助的无线电通信大会（WRC）上齐聚一堂。

　　ITU还负责推进卫星管理。地球上空距赤道22,300英里的对地静止卫星轨道正在日益饱和，毫不夸张地讲，在地球的某些地区上空的卫星简直可以互相看见。它每年下来都会变得越来越厚，以便能够在这个轨道上放置新的卫星。ITU和WRC负责管理卫星的放置问题。

　　在美国，联邦通信委员会（FCC）管理着所有的商用和民用频率，国家电信与信息管理机构（NTIA）负责处理所有的政府和军事频率的分配。这些频率包括无线电和电视广播、蜂窝、陆地移动无线电（LMR）、海洋与航空无线电、无线电定位、卫星、雷达和所有你能想得到的东西。

　　NTIA提供所有美国频率位置的图表，该图表在www.ntia.doc.gov/files/ntia/publications/2003-allochrt.pdf网站上提供。政府印刷局提供的美国联邦法规（CFR）第47条第0至100部分有更加完整的频谱分配列表。

　　美国联邦法规于2011年10月更新。第2部分列出了频率分配，但是频谱分配中的变化每天在联邦公报中公布。如果你以任何方式使用无线技术，本文将是所有相关法规的一个不可多得的参考。

　　解析频谱

　　给出了从直流到光以及该范围之外的总频谱的大图。请同时注意频率和波长。在无线领域，我们主要使用的是频率。但是在频谱的上游区域，我们使用以米为单位的波长作为频带。

电磁频谱涵盖从直流到光的范围。较低的无线电频率主要是以频率来指定。光学范围则是以波长作为参考的。

　　无线电频谱（用于无线通信的那些频率）大致从30 kHz扩展至300GHz.1GHz以上的频率一般称为微波（表1）。30至300GHz范围的频率也称为毫米波。无线电范围也分成多个部分，以便于识别。

　　300GHz以上是太赫（THz）区间，就在光谱开始之前。直到近，该区间一直都是一个死区。由于没有硬件可用来产生或接收该范围内的信号，因此该区间没有应用。如今，随着多个关键突破技术的实现，该区间已经变得前途无量。大量的研究和开发工作正在进行中，因此未来可能出现适当的设备和各种有用的应用。

　　然后就是光学区间。是的，光辐射是电磁辐射。我们从频率分配转换到波长分配。此范围的低频端是从300GHz（1000nm）开始的远红外线（IR），紧接着是中红外线和近红外线。

　　IR在热（温度测量）和电子成像（夜视）领域中应用非常广泛。它还是被选择用于光纤通信的光。典型的工作通道为800至1600nm.

　　此外，IR也是电视和其他消费类产品遥控器的主要通信频带，这些设备工作在800至1000nm区间。然后是700nm（红色）至400nm（紫色）区间的可视光谱。超过可视光谱之外的是紫外光、X光和伽马射线，这些光都超出了本文讨论的范围。

　　频谱危机

　　马克吐温提出的"购买土地吧，因为它不可再生"的建议同样也适用于频谱。一旦我们把频谱用完，那么将在何处使用无线应用呢？虽然我们现在还没有全部用完，但是也非常接近了。有些频谱段相比另外的频谱更为有用，这些频谱段基本上都已经全部使用。

　　这些已满的频谱段包括VHF、UHF和100MHz至4GHz的低微波频率。这就是蜂窝手机、广播电视、无线局域网（LAN）以及蓝牙和Wi-Fi等众多流行短距离通信技术的工作频率。如果没有更多的频谱，我们将面临着无线扩展的危机。

　　如今，无线是热门，增长快的电子应用板块。如果没有频谱扩展，是否意味着我们的无线应用走到了尽头？移动运营商就是这样认为的。那么美国政府是怎样看待这个问题的呢？美国政府正将无线作为实现其国家宽带计划的解决方案，用于在整个美国普及高速互联网服务。该怎么办呢？

　　现在我们更加具体地了解一下这里所谓的频谱危机。这个危机就是缺少扩展手机和宽带无线服务的频谱。以下几个关键趋势使得问题更加恶化：

　　由于智能手机非同一般的普及和成功导致移动互联网访问的爆增；"物联网"连接现象以及无线机器对机器（M2M）通信的增长；实现国家宽带计划以便在美国的大部分地区提供高速互联网连接的压力。

　　更加具体地讲，此危机是缺少使无线在这些应用中实现表现的具体频率范围。频谱可以提供，只不过频谱不是移动运营商等相关方想要的频率范围。每个人都想使用100MHz至大约4GHz的频率范围、VHF、UHF以及上文中提到的低频微波范围。为什么这个频率区间这么受欢迎呢？

　　首先，该频段非常适合不到100英里的短距离通信。其中的许多频谱都是视距（LOS）频谱，在这种频谱中，通信的天线必须在可视范围内。不过，该范围内的较低频率工作在部分非LOS环境中。这种特性使得信号无法传得太远，并且会干扰同一频率上的其他应用。

　　此外，信号不像许多低频信号一样从电离层折射。短波信号（被称为天空电波，频率范围为3至30MHz）可以从电离层反弹，从而使得信号传送很长的距离，在某些情况下可以从地面反弹到电离层，然后又从电离层反弹到地面，如此这样多次反弹。VHF、UHF和微波信号可以穿透电离层，因此这些信号在卫星和其他航天器中使用。这种特性正是某些应用所需要的。

　　由于物理学的原因，高于6GHz的频率无法传送那么远，除非使用极高功率和高灵敏度接收器。着名的弗林斯（Friis）公式规定，对于给定的功率级别，信号范围与波长成比例。频率越高，波长越短，给定功率级别和天线增益的信号的范围越有限。

　　因此，确实只存在理想的频率以及连续频率短缺的情况。大多数新型手机和其他技术都采用正交频分调制（OFDM）技术，这些应用都需要高带宽。不能将其分成较窄的通道。

　　此外，频分双工（FDD）蜂窝系统需要一个用于上行链路的连续频段和一个用于下行链路的连续频段。这些频段必须具有适当的间隔，以避免发射器与接收器之间产生干扰。在移动运营商占有的频谱内寻找这些频段一直都很难，有时候甚至是不可能的。有些频谱可能可供使用，但是这些频谱要么不够宽，要么没有所需的间隔。频谱碎片是一个难题，事实上它会造成频谱浪费。

　　关于这个问题，有意思的是在需要的范围内仍在许多未使用的频谱块。这些频率由FCC或NTIA分配，为公司或政府机构所有，不过它们一直未被使用。这些频率由特定的被许可人占用，这些被许可人一直在控制这些频率以备将来使用。

　　例如，电视频道在几年前就进行了分配，但是广播公司过去并不必为其支付费用，但是大多数其他公司现在却必须支付频谱费用。由于具有用于众多其他有用服务的潜能，因此许多机构对这些未使用的频段一直觊觎不已。

　　低频则更多，这个范围有许多空白。遗憾的这些低频无法支持如今的数字技术中非常普遍的高数据速率。数据必须调制到载波上才能发射。如果调制频率或数据速率大于载波频率，调制就不起作用。在某些情况下调制会起作用，但是终的调制带宽会占据周围的太多频谱。对于高速数据来讲，我们需要更高的频率。

　　随着数字数据速率的不断攀升，带宽也必须随之增加--数据越快，传送数据所需的带宽就越高。香农定理规定了速度、带宽与噪声之间的关系。降低数据速率或者使用数据压缩或更的调制技术等其他措施可以限度地降低带宽需求，降低频谱要求。

　　FCC的频谱分配表为大众提供了一种查阅方式，大众可以通过此表了解频段是如何分配的，这些频段的用途是什么，以及这些频段的被许可人和应用领域。该表覆盖从225 MHz至3.7 GHz的有用的频率范围。可在https://reboot.fcc.gov/reform/systems/spectrum-dashboard上获得此表。

　　缓解频谱问题

　　这并不是什么新问题。这个问题已经出现几年了，随着技术的更新换代将我们带入智能手机、高速数据、高清电视和快速互联网接入时代，这个问题已经变得日趋严重。这个永无止境的难题催生了一系列新方法、新政策和新技术。但解决这个问题任重而道远。

　　保留频谱古老的方法之一是允许多个用户在信号不互相干扰的情况下使用同一频率，比如AM和FM广播。

　　美国有十几家频率为780kHz的AM无线电台，但是这些无线电台在整个美国范围内间隔很远的距离。信号互相干扰的情况几乎不存在，特别是在白天范围限制在一百英里的时候。晚上，在天空电波反弹的情况下，可能会出现一些干扰。但是一般来讲，通过选择频率和地理位置可以将这类问题减至少。

　　FM也有同样的问题。许多电台都使用98.7 MHz.但是由于大多数FM信号多只能传送70至100英里，因此许多电台可以分配至同一频率。

　　通过谨慎处理相邻蜂窝基站的间距并调整蜂窝基站天线高度和方向以及功率级别，蜂窝手机系统可以重复使用频率。由于大多数蜂窝基站范围仅对几英里有效，因此可以在覆盖区域同一频率上增加许多通话。

　　移动运营商向毫微微蜂窝基站以及更小的PICO微蜂窝基站和metro蜂窝基站方向的发展将有助于通过将蜂窝基站范围限制为不到一英里（某些中仅几百英尺），从而进一步扩展频率复用方案。LMR基站以同样的方式工作，它将VHF和UHF用于短距离手持设备和移动无线电通信。

　　如果你用完了低频空间，则可以在空间较多的高频范围寻找频谱。这也是我们近几十年所采取的做法。由于IC和其他固态设备已经开发出来，我们已经实现了更加优化的高频工作，这使得有可能将部分服务移到高频范围。蜂窝无线电范围为800至900MHz,目前仍在使用。不过现在，1800至2700MHz的频率范围内有许多更新的频段。

　　Wi-Fi LAN开始和现在均使用2.4GHz,虽然现在分配的5GHz范围的较新频率已经可以使用。在频谱可用并且有电子设备支持该频谱的情况下，大多数无线电服务都在逐步向高频发展。随着新无线标准（比如802.11ad）的制定和许可，Wi-Fi有望移至60GHz频率。

　　同时，多年来，业界一直在致力于开发频谱效率更高的电子设备。调制和接入技术已经在增加给定带宽的信号数量方面做了相当多的工作。

　　初采用FM调制技术的蜂窝手机很快就被使用时分多路复用（TDM）的数字调制技术代替了。接下来出现的是展频，如直扩和跳频方式，这些技术可以将许多用户塞到分配的公共频谱中去。

　　OFDM的频谱效率更高。长期演进（LTE）蜂窝标准使用OFDM和更的调制方案，从而在更窄的通道中获得高数据速率。OFDM版本称为离散多频音调制（DMT），用来在DSL高速互联网系统的带宽有限的电话双绞线上获得高数据速率。

　　多输入多输出（MIMO）是用于在有限的频谱中提高数据速率的另一种技术。通过使用多个收发器和天线，高速数据可以分成不同的数据流，然后在同一通道中同时发射。通过每个被发射信号的编码和具有本质差别的信号特性，数据可以在接收器端进行提取，然后重组成初的快速数据流。Wi-Fi使用的就是这种技术，LTE也是。

　　通过以不同的时隙将发送和接收数字信号放在同一频率，时分双工技术（TDD）还可以节省空间。TDD技术是一种可以实现全双工（同时双向转换）的高频谱效率技术。大多数蜂窝系统仍在使用FDD技术，该技术使用两个隔开的频谱段，以避免发射和接收的信号之间产生干扰。一个频谱段是上行链路，另一个频谱段是下行链路。但是使用TDD技术时，只需要一个频谱段。

　　接下来是数据压缩。开始的时候，电视广播系统分配的是6MHz频道，通过面向视频的截断或残留边带AM来配合初的模拟电视信号。如今，广播公司通过MPEG2视频压缩和八级残留边带（8VSB）等多符号调制技术将高清视频放入该6MHz频带中。视频压缩在蜂窝手机中也很常见。

　　双向无线电也使用节省频谱的方法。老的方法之一是单边带（SSB），这是一种仅使用AM处理产生的两个边带之一的AM无线电形式。这就将所需的频谱减少了一半。军事、海洋无线电和业余无线电运营商全部采用SSB技术。

　　用于公共安全和服务的基于FM的LMR系统现在必须将其带宽从25kHz减至12.5kHz,并终减至6.25kHz,从而容纳更多的用户。现在通过语音压缩和四级频移键控（4FSK）等多符号调制技术就能实现这一点。

　　一种的新技术可以通过滤波间接保留频谱。ISCO International的Proteus PurePass信号处理器是一款设计用来安装在蜂窝基站接收端的自适应数字滤波器。该设备可以消除对上行链路从手持设备接收到的小信号的任何干扰。这种干扰可能来自相邻的通道或者其他附近的干扰源。该滤波器可以限度地提高现有频谱使用率，从而支持现有频谱中的更多呼叫，并实现更高的数据吞吐能力。

ISCO International公司的Proteus滤波器可以通过蜂窝基站接收端的自适应数字滤波来优化现有频谱的使用。

　　这个行业也可以采用挪东补西的方式。有时，当一个服务用完频谱并且无法扩展时就会出现这种情况，因此它会向FCC（或NTIA）请求和施压。FCC会找出一些分配给别人的未使用频谱，拿出来进行重新分配。这就像房地产中的土地征用权。随着压力的不断增加，未来将会寻找更多像这样的频谱。

　　拍卖是所有方案中有用的方案之一。只需找出和获得未使用的频谱，重新确定其用途，然后将其卖给出价的投标人。FCC于2008年举行了多次拍卖，该机构将许多频谱卖给了移动运营商，从而解决了他们的一些问题，并使美国财政部获得了190亿美元的收入。期待不久的将来有另外拍卖，在这次拍卖中，回收利用的广播电视频谱将被卖出，主要用于蜂窝扩展和国家宽带计划。

　　频谱问题的另一个解决方案是找到拥有你所需频谱的人，购买该频谱，或者用你所拥有的其他频谱进行交换。通常可行的办法是，通过找到拥有所需频谱的各方，将不相关的频谱块拼凑成大频谱段。不过这需要FCC的批准。频谱经纪人会在买家和卖家之间穿针引线。

　　或者可以试试向议会、FCC和NTIA施压。FCC和NTIA掌握着重新分配频谱的权力。在大部分频谱都已经分配的情况下，寻找新的频谱块进行重新分配或拍卖是很难的事情。不过有时候也可以这样做。这些管理机构需要一些充分的理由（政治理由或经济理由）来促使他们有所行动。像说客这样的外部影响往往会起作用。

　　当然，这些机构可以改进他们的频谱管理。FCC和NTIA手头的频谱分配管理工作非常繁忙。这种工作极其复杂，涉及数千家实体。每天会发生几百甚至几千次频谱交易，跟踪这些交易的进展是一个巨大的挑战。管理工作中的任何改进都可以找到可以重新分配的频谱。其目标是优化现有频谱的使用情况。

　　然后这些机构就可以再次分配更多未经许可的频谱。在考虑可以做什么之后，这才能视为一个解决方案。例如，任何人都可以将未经授权的工业、科学和医疗（ISM）频带（比如规章第15部分许可的902至928MHz）与经过许可的设备配合使用。

　　各类人员、服务和设备都可以不受干扰地使用这一区间，如工业遥测系统和无绳电话。用户间隔较大和低功率限制可以限度地降低干扰，从而实现这些应用。

　　此外，上亿未经授权的设备也在使用广受欢迎的2.4至2.483GHz频带。的用户是蓝牙和上亿台耳机/蜂窝手机无线电。Wi-Fi LAN以及访问上百万个接入点和热点的笔记本电脑、平板电脑和智能手机也是的用户。那么为什么会没有更多的干扰呢？

　　当然，干扰是有的，只不过这种干扰在短距离范围内，由于功率低而得到了限度地降低。此外，捷频技术可以检测并避免冲突。这些未经许可的技术可以解决干扰问题并实现在广泛使用的频谱中 共存。应该有更多这样的技术。不过与独占许可频谱一样，仍然不能保证不会出现任何干扰。

　　白色空间（指50至700MHz范围内未使用的电视频道）可以提供另一种解决方案。这些空间随不同城市而有所不同，具体取决于电视频道分配以及它们之间的隔开方式。FCC已经授权将这些频道用于无线高速上网等数据应用。有人称其为"超级Wi-Fi",但它并不是802.11.它采用不同的无线电技术以限度地提高现有6MHz通道的数据速率。

　　白色空间发展的是强制使用无线电必须访问的数据库，以确保它们不会干扰当地电视台或者附近的其他无线设备，比如无线麦克风。无线电选择可工作频道，然后访问该数据库以检查是否可能出现干扰问题。如果未检测到干扰，就会进行传送。如果可能有干扰，则会选择另一个频道以避免产生干扰。

　　这种捷频特性来源于一种称为"认知无线电"的技术，该无线电是软件定义无线电（SDR）的衍生物，它可以给无线电增加智能和决策能力，使其能够找到可进行可靠通信的频率，同时避免干扰。FCC认可的数据库现在由Spectrum Bridge公司和Telcordia公司提供。

　　Carlson Wireless公司和英国合作伙伴Neul公司是首批推出白色空间无线电设备的公司。Carlson Wireless公司的RuralConnect IP Version II （RCIP VII）包含一个基站和用户终端设备。该设备被设计用来在470至786MHz范围内创建用于语音、数据和视频的点对点和点对多点网络。它还可以通过正交相移键控（QPSK）或16相位正交振幅调制（16QAM）在6MHz频道内实现4、6、8、12或16Mbps的数据速率。同时还使用了时分双工（TDD）技术。

Carlson公司的RuralConnect IP Version II由一个基站（a）和一个CPE设备（b）组成，CPE设备安装在天线上或天线附近，通过以太网电缆连接至用户的PC或其他设备。

　　6MHz通道通过支持下游3Mbps和上游1Mbps的典型数据流，可以容纳40至60个同时使用的用户。发射功率为+30dBm,接收灵敏度范围为-86至-89dBm.安全方面使用AES-128加密标准，具有共享的加密密钥。这些设备被设计为使用Telcordia和Spectrum Bridge公司的数据库，工作在FCC第15部分规则和英国Ofcom机构的规则下。

　　有些移动运营商正在将视频流传输等高速数据访问卸载至附近的Wi-Fi网络。如果智能手机用户访问视频时运营商的网络出现过载，可以通过附近的Wi-Fi热点（如果有的话）重新路由数据流。由于附近的Wi-Fi接入点无处不在（这得益于几百万个接入点），因此这是一个可行的解决方案。有些运营商甚至正在扩展他们的现有Wi-Fi网络或者构建新的Wi-Fi网络来实现这个解决频谱危机的变通解决方案。

　　Wi-Fi的版本802.11ac在帮助解决卸载问题方面还有很长的路要走。该版本可以在5GHz ISM频带中实现高于1Gbps的数据速率。博通（Broadcom）公司的BCM43460系统级芯片（SoC）将有助于实现一些这样的新型快速接入点。

博通的BCM43460是一款符合IEEE 802.11ac标准的SoC,该芯片的目标应用是能够进行蜂窝频带卸载的企业接入点和热点。

它采用3×3 MIMO技术，可实现高达1.3Gbps的数据速率。

　　，如果所有方案都不起作用的话，就采用电缆。用一条同轴电缆就可以传送无线电频谱的大多数低频部分，并且不会干扰其他应用。有线电视就是这样做的。标准RG-6/U同轴电缆传送40MHz至高于1GHz的电视信号和高速互联网服务。光纤电缆可以以100Gbps或更高的速率传送数据信号。电缆的成本虽高，但是如果使用电缆的话就意味着整个电缆频谱全部都属于你。