超越Wi-Fi:一个新的无线时代 - 彭博社
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在6月10日的清晨,马克·麦肯里爬上了华盛顿繁忙的杜邦圈附近一栋七层办公楼的屋顶。他和另一位工程师拖着一根笨重的10英尺天线和一个灰色金属箱,设置了一个实验,以测量在高峰商业时段国家首都上空的实际无线电波使用情况。
他们的目的是揭穿一个流行的神话:随着无线设备的爆炸性增长,空气几乎被嗡嗡作响的电视、广播、手机和黑莓信号所饱和,对吧?更不用说卫星和空中交通控制信号、警察调度以及不断增长的Wi-Fi网络。然而,这对工程师发现,即使在哥伦比亚特区上空的繁忙无线电波区域,在八小时的时间段内,只有19%到40%的频谱在任何时刻被占用。
这个实验突显了困扰无线行业的一个悖论。尽管几乎所有美国最好的可用频谱都租给了从广播公司到美国军方的租户,但大多数时候,它是未被使用的——只是空置的空间。“就好像每个运营商都有自己个人的上班道路,而不是共享这条道路,”麦肯里说,他是位于弗吉尼亚州麦克林的技术初创公司Shared Spectrum Co.的总裁。结果是:拥有新想法的无线发明者可能无法获得无线电波的使用权。
然而,正如这些发明者中的任何一位可能会告诉你的,重大变化正在酝酿中。数字技术已经允许蜂窝运营商在每个频段中比旧的模拟制度下打包更多的信号。现在,一波智能网络技术正在从大学和军事实验室涌入市场。这些创新被称为各种名称,包括智能天线、网状网络和灵活无线电——它们都共享数字信号处理的基本突破。它们似乎准备好打破频谱高速公路上的车道分隔线,这些分隔线是在大约75年前联邦监管机构得出无线电波是一种稀缺资源时设计的。
监管机构正在赞扬频谱的解放——尤其是在目睹了Wi-Fi的迅猛发展之后。这种无线网络标准及其衍生出的无处不在的互联网“热点”,之所以在美国蓬勃发展,正是因为监管机构为微波炉和车库门开启器等无许可证设备留出了一个频段。这就是为什么FCC正在拆除更多的围栏。在11月中旬,它提供了一个新的轻度监管的5千兆赫频率切片。“能够在沙箱中玩耍的人越多,技术创新的概率就越高,”联邦通信委员会首席工程师埃德蒙·托马斯说。
顽固的抵抗
广播公司、手机运营商以及其他长期持有频谱权的许可证持有者不会轻易放弃他们的独占权利。“如果我们必须为频谱付费,而其他人可以免费获得这些频段的访问权,这就成了一个平等问题,”Cingular Wireless的联邦关系副总裁布赖恩·F·丰特斯说。尽管如此,工程师、发明家及其财务支持者肯定会继续向FCC施压,要求更高效和富有想象力地利用空中波段。新的智能设备和新型网络架构的想法将共同开启一个无线前沿。以下是工程师们的构想:
智能天线: 当1920年第一座AM广播塔在匹兹堡的KDKA竖立时,骄傲的天线向四周360度发射信号。就像一颗投进池塘的卵石,它在空气中以同心波纹的方式无差别地发送能量。
许多工程师今天都说这是一种浪费。如果你能将所有的能量朝着你想要接触的用户方向投射,信号可以传播得更远,并避免在其他方向上不必要地干扰无线电波。使用“智能天线”,一个狭窄的波束可以以与园丁用拇指覆盖喷嘴时水管喷射更远的方式传播更远。但这并没有捕捉到这些系统的智能。无线顾问尼廷·沙赫更喜欢将其比作聚光灯跟随舞台上的个别演员,而不是照亮每个人的房间灯。
在大学和企业实验室中,有许多关于这种天线的研究方法,包括来自旧金山初创公司Vivato Inc.的商业产品。通过聚集128个铅笔大小的天线,Vivato可以将信号投射到2.5英里远。他们通过将大约100毫瓦的微小能量(约为手机功率的一半)压缩到狭窄的七到八度的波束中来实现这一点。每个天线在不同的时刻开始,定期发送自己的信号。当一个信号的波开始减弱时,另一个信号的波可能正在上升。将这些波结合在一起,可以形成特别形状的光线,以达到特定目标。在软件的帮助下,当目标移动时,天线可以在瞬间改变这些光线的形状和方向。通过这种方式,Vivato期望扩展Wi-Fi的范围,目前限制在大约300英尺。“智能天线是无线频谱共享的未来,”位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的Airgo Networks Inc.首席执行官格雷格·拉利说,该公司制造了这种技术的更复杂扩展。“十年后,它们将出现在每个无线设备中。”
**网状网络:**正如智能天线比传统塔台释放更多的频谱一样,一种新的路由技术使得即使是今天最有效的数字网络看起来也像是频谱的浪费者。例如,在今天的手机系统中,用户必须在基站(也称为小区塔)的范围内才能获得连接。小区塔是连接周围手机的中央枢纽。
在所谓的网状网络中,一个发射器可以从旁边的天线获得连接,即使两者都不在枢纽的范围内。所需的只是用户之间的连接,无论是直接的还是曲折的,最终通向一个枢纽——这可能是一个互联网接入点或一个小区塔。为了说明这个想法,工程师们常常用拥挤的鸡尾酒会作为类比。与其在房间的另一端大声喊叫告诉你的配偶该回家了,从而淹没其他人,不如让客人们一个个低声传递消息。
在网状网络的情况下,每个设备——无论是笔记本电脑(如今天大多数原型)还是未来的手机——都相当于一个基站或网络枢纽。一旦其中一个设备被打开,它就会发出信号,宣布它的存在并搜索其他设备的信号。一旦新设备找到一组联网设备,它就会敲门,其他设备欢迎它加入这个组。确实,有线互联网交换机也能实现同样的效果。但在无线世界中,挑战成倍增加,因为不断变化的地形始终是一个威胁。如果你街对面建起了一栋楼,网状网络会发现这个障碍并绕过它。
各种公司已经尝试过像这样的临时网络——到目前为止,商业成功并不多。首先,网状网络的需求可能会耗尽每个人的电池。即使你的笔记本电脑此刻不想通过网络进行通信,它最终也会被用作其他人的消息跳转站。尽管如此,诺基亚(NOK )、微软(MSFT )、英特尔(INTC )等公司希望利用这项技术来扩展Wi-Fi的范围。而且,不仅仅是商业企业对此感兴趣。在加利福尼亚州圣马特奥,警察局正在测试一家当地初创公司Tropos Networks的系统,以连接市中心区域警车中的笔记本电脑。
敏捷无线电: 在圣地亚哥湾的蓝色水域,工程师们实施了一个实验的第一阶段,这可能导致最大的无线电突破。十二名海军旗舰USS Coronado上的水手正在测试来自通用动力公司(GD )的无线电,该无线电可以在10个不同的频段中进行通信。这很重要,因为军方可以访问许多频谱,但不同的军种使用不同的无线电,这些无线电往往无法相互通信。Coronado上的设备使用软件在多个频率中进行传输和接收,从而打破了障碍。“把这些无线电想象成一台带天线的计算机,”佛罗里达州梅尔堡的太空海岸通信系统公司首席执行官约翰·D·巴德说,该公司正在编写新的无线电软件。
一台超智能机器
军方在软件定义无线电方面的工作是许多人认为无线未来终极解决方案的前奏:灵活无线电。这种设备可以在频谱中的空闲空间中跳跃,能够在不同的频段中操作,在没有其他人使用的空间中。国防高级研究计划局(DARPA)正在资助这台超智能机器的开发,它能够扫描无线电波并自行确定空闲空间。随着其他用户涌入这些频率,灵活无线电将看到流量并立即寻找其他频段中的“白色空间”。
根据Vanu Inc的首席执行官Vanu Bose的说法,创建一个可用的灵活无线电至少需要10年时间。首先,它必须足够智能,以确保空闲频段确实可用,并且不会对现有用户造成干扰。“我们必须证明我们可以共存,”DARPA灵活无线电项目经理Preston Marshall说。但如果能够制造出如此敏感的无线电,研究人员表示用户可以从无线电波中收获多达10倍的收益。
如此丰厚的收益吸引了联邦监管机构成为这些潜在颠覆性技术的传播者。起初,FCC可能会缓慢行动,释放小块租给军方和其他机构的频谱。但一旦大坝被突破,就无法阻止洪水。在洪泛区,无线创新者可能会实现他们最狂野的梦想——而公民将获得进入天空新边疆的机会。
华盛顿的凯瑟琳·杨