互动科普

新型智能型无线电装置具有极强的识别和应变能力。当你的手机在遭遇频道阻塞或受到干扰时，它可以自动探测并切换邻近的空闲频段上，随时保持通信畅通。在紧急情况下，这种技术将发挥意想不到的作用。

       你喜爱的电台用特定频率播送节目。当你把收音机调到这一频率的赫兹值上后，收音机内的天线电路即与这一频率发生谐振，从无线电波的汪洋大海中捕捉到此频率所承载的电台信号。如果其他无线发射装置干扰了你的收听，那么对不起，你除了坐等干扰自行消失外，别无他法。然而，我们可以看看这样一种最理想的情况：你的收音机一遇到干扰就立即切换到一个空着的候补频段上，让你可以继续收听。这样一招超出了现今无线电技术的水平，而我们所举的这个例子，或许会让你觉得此类干扰不过是区区小事：没什么大不了，顶多妨碍你收听广播而已。但试想一下，如果这种干扰打断了一个十万火急的手机求救电话，那么将电话立即转到一个空着的手机频道上，就不仅仅是方便的问题了——一个电话可能挽救一条人命，这总不是小事吧？

现在，工程师们正设法把这种可以通融的操作智能融入到下一代收音机、手机或其他无线通信装置中。在未来十年内，借助智能无线电技术(cognitive radio technology)，几乎所有无线系统都能找出当地现有的空闲无线频段，并接入到这些频段中，为消费者提供最佳服务。利用自适应软件，这些智能装置能够重新设置其功能，从而满足传输网络或用户的要求。

智能无线电技术将根据先前积累的经验来判断该做些什么。例如，当你清晨驱车上班时，在与你同行的过程中，智能无线电装置将测量不同频段的传播特性、信号强度和传输质量，并据此建立一个内部数据库，以确定在一天内的不同地方和不同时间中应该如何运作，才能达到最佳状态。反观现今的无线系统，其频段和传输协议参数，基本上是固定不变的。

智能无线电装置在发送和接收信号时，一有必要即可瞬时切入或退出空闲频道，同时避开那些已经被占用的频段。这一快如闪电般的频段切换，将使智能无线电系统以适当的速度传送语音和数据流。智能无线电技术将能大大提高现有无线电频率(RF)资源的利用效率，改善频谱有限所造成的通信拥挤状况，从而使无线通信系统成为一种比现今的无线电技术可靠得多、方便得多、或许还要便宜得多的通信手段。如果智能无线电技术的进展与其开发者的期望不谋而合，那么无线频谱资源最终可能会多得用不完，无线通信将因此而彻底改观。

“波”满为患

遗憾的是，现今的无线电波已经是拥塞不堪。某些频段挤得可谓水泄不通，漫长的等待和恼人的干扰早已是家常便饭。这些传输频道的通畅程度，取决于所用的无线系统。无线电波段(即由射频波组成的电磁波段)现在容纳了不计其数的通信装置。在美国，联邦通信委员会(FCC)负责为各用户分配一定的频率，包括人们熟知的AM(调幅波)、FM(调频波)、短波及民用频段，还有VHF(甚高频)和UHF(超高频)电视频道，还有数百个人们比较陌生的频段，分别用于手机和无绳电话、GPS(全球定位系统)跟踪器、空中交通管制雷达、安全警报装置、无线遥控玩具等等。

现今无线电频谱资源紧张，很大程度上源于上一代硬件在上个世纪所形成的成本及性能方面的局限性。例如，在20世纪50年代后期，新型的晶体管电视机问世，但老一代真空管电视机所采用的设计仍然沿用下来，迫使晶体管电视机只能接收VHF信号，直到若干年后工程师们改造了电视机，这种状况才得以改变。诸如此类硬件带来的局限性，现在可通过以软件为基础的自适应无线通信设计来解决。

这种下一代无线技术，称为“软件无线电”(software-defined radio, SDR)，它将采用嵌入式信号处理算法和可能性编程代码结构，前者用于搜寻微弱的无线电信号，后者用于接收/发送新的无线电协议。专家预计，在近期内，这一由软件推动的进展将使无线电设计发生天翻地覆的变化。

例如，这种变化意味着：在标准的笔记本电脑(安装着一块小小的外围无线电频率部件连接卡)上运行的SDR代码，并使用其他可编程无线通信前端接口技术，则可以接收并显示电视信号。如果笔记本电脑配置了一块模拟无线电频率SDR卡的话，那么它就可以上传软件编程，使它摇身一变而成为手机或中心站，或者变成无线个人安排器乃至军用频率无线电电话，总之，它可以尽力满足你之所需，我们已经跨入了SDR无线通信时代，尽管很多人还没有意识到这一点。

SDR技术刚刚问世，智能无线电又接踵而至，并且以前者基础。这一新的无线通信模式使用的SDR系统，能够重新设置其模拟射频输出，并且整合了“自我意识”以及传输协议、规矩和程序等方面的知识。这些进展，有助于开发一种全新的智能无线电装置，它能够探知其无线电频率环境及所在位置，并据此改变其功率、频率、调制方式和其他运行参数，因此重新充分利用任何可用的频谱。

所谓“自我意识”，指的是这种装置能够了解自身的情况，以及它与自己所处的无线网络之间的关系。工程师们设置一个有关该装置及其环境的计算机模型，即可实现这些功能。该模型把此装置定义为一个以“无线电装置”的身份运作的单独的实体(“自我”)，同时它还定义了一个“用户”，而无线电装置系统也可通过认识来掌握“用户”的情况。

根据它和附近的其他无线电话发射机所发射的功率，智能无线电装置可以自动探测其无线电频率环境如何随位置和时间而改变，这些数据结构和相关软件将使智能无线电装置能够找到周围的网络，并把找到的网络利用到最佳效果，同时避免其他无线装置的干扰。在不太遥远的将来，智能无线电技术将会最有效地共享可用频谱，而无须依赖监控网络的指令，这一进展，或许最终可让用户摆脱使用合同和费用的束缚。

只要看看智能无线电技术的经济效益，这种技术对现有无线通信业务的改革所产生潜力便一目了然。比如，手机每月的费用包括了无线电频率使用费、手机发射塔租借费及手机购置费，还有手机网中心站硬件折旧费、手机站之间的互联成本、开单计账的费用以及通信营运网的利润等等。手机服务商为建立和经营专用无线通信网而投入的资金，便靠这些收费来收回。

一旦智能无线电技术最终推向市场，这些费用就有可能大幅度下降，而服务质量也将大幅度提升。试看现今市面上出售的最高级的手机，可供该手机使用的无线电频段宽度为1千兆赫(GHz)以上，这一范围内的无线电频率非常有用，但利用率却很低。在任何时刻，此手机也充其量只用了10兆赫的频率，仅为可用频率的百分之一，而且，就连这区区10兆赫的频率，也是从手机电路可用的仅仅约100兆赫宽的固定分配频谱中挑选出来的。

此外，一部典型的手机具有每秒处理几亿条指令的能力，这一处理能力主要用在手机独有的标准上。手机服务商为了自己的需要(例如修补软件中的漏洞)而将这些标准上传，但对用户来说，这些标准不一定能让他们直接受益。关键在于，这一处理能力可以用来安全地上传第三方软件，使手机能够接入免费的无线局域网(WLAN)。在2004年召开的一次移动通信专业会议上，摩托罗拉公司的一位高级主管声称，WLAN型电话在技术上早就可行，但手机服务商们却对它敬而远之，这毫不奇怪，因为这样一种手机可以在工作日期间自动切换到单位的无线局域网上，这样的话，手机服务商每天就有好多个小时收不到服务费了，因此，他们又岂能让到口的肥肉白白丢掉？

但是，智能无线电这个关不住的妖怪已经出笼了。SDR进入几乎闲置不用的无线电频段，再加上智能无线电技术的自主控制软件(它对消费者有利)，为采用这种技术铺平了产业化道路。

闲置频率其实多多

除了6千兆赫以上的高频和微波波段外，在28兆赫和5600兆赫之间的约2.8千兆赫宽的现有已分配无线电频谱，并没有得到充分利用，但智能无线电装置可以利用这些频率(这一估计值的得出，来自于接收机的标准灵敏度以及现有天线的放大系数)。与此同时，手机和无线上网服务的频段却往往是用户爆满。无数新奇的电子玩意——从无钥车门开锁链，到车库遥控开门装置，再到无线电遥控玩具等等——利用这些频段进入短距离数据通信。如果有多个用户聚在一起，例如一大群无线电遥控模型飞机爱好者在一起表演或比赛，那就可能把分配的频段挤爆。同样，手机频段在凌晨3点半时使用者寥寥，但在早上10点钟的通话高峰期或晚间上班族纷纷返家之际，却拥挤不堪，特别是如果道路也堵塞得水泄不通的话。

在6千兆赫以上，空气中的水分和降雨会大幅度吸收无线电频率信号；即使空气干燥，在20千兆赫和60千兆赫附近的吸收率也会急剧上升。不过，某些短距离数据通信(常被归入“校园内”通信或军用的“上行”通信一类)，在34兆赫和70兆赫附近的频率上已达到了Mbps级(每秒兆比特，megabit-per-second)的传输速度。近来，计算机功率不断增强，已使工作在这些较高频段上的无线装置得到了提高，使之能够在非常小的覆盖区(即所谓“微微单元”或“皮可单元”)内达到Gbps级(每秒千兆比特，gigabit-per-second)的瞬时带宽。对于在公路上行驶的车辆之间的移动用户的通信，还有行人间彼此的通信以及大楼内固定无线系统的通信，这种技术都可能非常有用。

瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院研究无线通信系统的权威延斯·赞德尔(Jens Zander)认为，无线电频率资源并不短缺，缺少的只是费用低廉的基础通信网设施。手机发射塔、手机与公共电话网的互连以及开单计费系统等，对于租用无线电频率是必不可少而又昂贵的基础条件。从20世纪90年代起，手机的体积就逐步从与砖块相仿的“大哥大”缩小到摩托罗拉的StarTac款手机，再缩小到如今可放在掌心上的多功能轻薄型手机，但万变不离其宗，建立并维持一个专用基础通信网络，始终是实现移动通信的唯一途径。然而，2005年初，美国Vanu公司展示了第一个GSM(全球移动通信系统)的SDR中心站，它用于处理无线电信号的无线电频率转换器，实际上相当于一台既无键盘也无显示器的高性能笔记本电脑。而仅仅5年前，单单是GSM译码器和速率匹配器装置，就需要整整一个服务器柜来安放，运行功率达数千瓦。在那段时期，半导体的发展降低了廉价的小型单元中心站的成本，因此现在仅用一台笔记本电脑或家用电脑，便可充当中心站了。

想变就变

这样，在过去十年中，微电子技术和计算机技术日新月异，一举扭转了无线电硬件所设下的根本限制，使手机通信基础设施的成本降到了原先的1%以下。人们刚刚才感到这些变革对先进无线通信技术及其市场的影响。

在早年，使用专门硬件、带宽为6兆赫的模拟电视是无线电频谱的最大实际用户，而现在，同样在6兆赫频段上，高清晰度数字电视(HDDTV)可以达到将近100Mbps的传输速率。装有Intel奔腾级处理器的笔记本电脑现在可以利用软件，从无线电频率转换器输出的数字化版模拟电视信号中生成图像和声音。该转换器把无线电信号的载波频率从天线接收到的无线电频率转换成某种中频，然后再由一块模数转换芯片把中频信号转换成可用软件处理的格式。因此，高速模数转换芯片可以同时利用数百兆赫的无线电频谱。某些这类芯片采用了微电子机械系统(MEMS，即装有微米级机械元件的半导体器件)，例如可用数字方式编程的模拟无线电频率电容器。批量生产的MEMS型外围无线通信卡，可以使用30兆赫到5,600兆赫之间任一频率上的数十兆赫宽的无线电频谱，而其价格仅相当于现今的手机价格。

MEMS型无线装置进入市场的步伐一直比较缓慢，因为它们的成本高于功能较差的固定无线电频率芯片装置。然而，2004年，FCC作出了一项有利于智能无线电技术发展的决定，这一重大举措大大激发了厂商们采用无线MEMS产品的积极性。FCC建议把智能无线电技术用于空闲电视频段上的低功率临时性通信网，这一决定，为典型的城市市场中的智能无线电通信释放了100兆赫以上的频谱资源。无线MEMS的问世，再加上FCC的力挺，为今后频谱共享的进一步发展提供了强大的推动力。工作在无线电频谱低频率或中频段的一两个无线电频率MEMS模拟频道，在持照频谱用户愿意出租、分享或用来进行无线电频谱交易的任意频段中，可以建立短距临时性通信网。

这样，一块MEMS智能无线电通信卡，就可以使手机变成无线局域网，使笔记本电脑变成手机，或使无绳电话变成皮可单元的“发射塔”。一台配备有智能无线电控制系统的家用电脑，可以通过这样一个皮可单元把广播时间出租给路过的人，并通过相关的互联网服务商，向路人收取安全可靠的无线语音或数据通信费用。

改造无线网

对于传统的手机通信系统，其高效运转所需要的智能，主要集中在网络中。虽然新一代手机技术的处理功能有所增强，但它们的智能与前辈相比，确实没有多大提高。消费者仍然需要与手机服务商签订合同，才能接入手机通信网，然后接入公共电话交换网。相反，智能无线电技术则是在手机、笔记本电脑或无线安排器中内嵌了接入无线通信网所需的智能。由于智能控制子系统左右着SDR功能，因此无线电装置一旦“发现自我”，便能抓住无线入网的机会。

目前，90%的新型笔记本电脑都整合了无线局域网功能。家庭与商业无线局域网以及相关的热点地区，如雨后春笋般遍地开花，呈指数迅猛增长。凭借智能无线电将具有的运行智能，用户可以迅速出租或租用无线局域网和其他无线电频谱，一次出租或租用时间为若干秒或若干分钟，以所谓“频谱现金”(spectrum cash)作为交换。所谓“频谱现金”，就是承诺在将来把智能无线电装置本身的皮可单元功能借给另一台智能无线电装置使用，而且这种承诺是可以核实的，然后，从这些无线接入点，互联网服务商就可能把用户的数据或通话转发给世界上任何地方的任何人。由此可以看出，智能无线电不需要专门的手机通信网，就能够通过无线局域网和互联网把一位用户连接到其他装置上。此外，随着智能无线电与无线网络的互动不断扩大，用户也就越来越没有必要与手机服务商签长期合了。

熟悉环境

在普通消费者使用现有的商品级电子器件装备起来的无线网时，该系统总是竭其所能地把本来就很紧张的频谱资源又尽可能多地抢占了一部分，同时还干扰邻近的其他无线电装置。智能无线电拥有充分的智能，使得无线电频谱的运作尽量做到举止“文明礼貌”，遵循合情合理的交易规矩，杜绝你争我夺。智能无线电装置也可能利用自己的智能探测到邻近的皮可小区，随时随地结合具体情况，采用最符合智能无线电用户的需求的方式，从而使其用户始终保持联络畅通。

为了完成这些任务，智能无线电装置需要做几件事情。首先，它必须掌握在它所处的位置，了解各个方位(包括地面、障碍物间以及空中)的无线电辐射功率如何随距离的变化而变化。手机无须知道这一信息，因为固定通信网使用的是专用无线电频谱，它先前就已经根据现有的辐射功率模式作了校正。而智能无线电装置，则要凭自己的力量去探知整个局域无线环境，包括低频、中频及高频等各频段在内，并绘图表示它的特性怎样随空间、时间及频率传播而变化。为了开发能探测频谱环境的智能无线电装置，需要设计高质量的传感器，并编写实用的算法，以便互相配合的通信节点彼此交换频谱监测数据。具有多重输入/输出功能(MIMO)的系统发出的信号，可以沿着多条复杂的路径传送(从而把建筑物和车辆等反射的信号也包括进去)，并避开其他可能相互干扰的无线电装置。

功能完全的智能无线电系统，将具有足够高的智能，可以探出本地的无线电“景色”，以选择它所需要的无线电频段、模式和服务，以及连接到所选频段和模式的SDR上传线路。然后，它将向目标接收机发送能量，同时尽量减少对其他无线电装置(包括智能无线电装置)的干扰。因此，它文明使用频谱的水平非常高，能够为用户实现安全可靠、保密性好的通信连接。

开发存储在GB级硬驱上的完整局域城市地形的三维计算机表示模型，有助于进一步提高这类通信业务的精确性。在需要的时候，无线电装置可通过无线方式查询相关的城市地形环境资料。根据这些模型，智能无线电装置可以预测接收到的信号强度，从而避开大部分干扰。无线通信“文明守则”的最后一环，就是设置某些标准化的广播频道，在遭遇干扰时，智能无线电用户可以通过这些频道进行“投诉”，而不阻塞其他频道。

环境所产生的总体干扰随时间变幻无常，使智能无线电文明使用规则这一理想方案的实现变得更加复杂。一半干扰，包括闪电产生的天然电气噪声以及发电机、电动机、汽车点火系统和无线电发射机等产生的干扰，这些无线电频率源的影响随时在变化。例如，在夜间，电梯大部分停开，因此它们的驱动电机所发出的噪声大大减少，但在电梯使用高峰期间，这种噪声就大幅度增加。通常，在城市中心区，所有射频源辐射出的总功率，在上午10时左右达到最高峰，而在乡村及夜间，辐射功率则要小得多。统计这类总体辐射源的复杂性，使人们很难准确地预测干扰，但对于已知的用户，智能无线电装置可以设法逐渐摸索出重要场所(如工作地点和家里)产生的总合辐射源的规律。

智能无线电的未来

在掌握了每个波段射频能量的变化模式后，智能无线电装置就能够使用语义网技术(Semantic Web technology)[参见《科学美国人》 2001年5月号蒂姆·伯纳斯-李、詹姆斯·亨德勒及奥拉·拉西拉所著《语义网》一文]来同其他无线电装置自由地交流这方面的信息。对每台无线电装置搜索未充分利用且可出租的频率，这一功能将进行优化，而且带来很大的好处。这样，智能无线电装置就可以避免干扰其他无线装置，同时仍然能够用足够高的功率发送自己的信号，以克服环境干扰，并进行创造性的合作。

在手机与电信产业同“互联网产业”(包括微软、英特尔、Google等IT头和互联网服务商及消费电脑厂商等)这两大行业明争暗斗的背景下，关系到智能无线电技术发展前途的决策目前正逐渐浮出水面。虽然既得利益集团可能会竭力抵制，但是向智能无线电迈进的步伐看来难以阻挡，因为这种技术可以消除目前未纳入规范的无线电波段(如仪器仪表和医疗器械现在使用的频段)的那种相对无序而死板的状态。智能无线电技术有利于智能无线通信经营者文明使用频谱，从而让现今未充分发挥潜力的数千兆赫宽频谱得以大显身手，帮助千家万户实现宽带通信。

如果FCC的官员们沿着现今的方向继续前进，他们就应该拿出大片大片数百兆赫宽的单一用途频谱区，来让大家共享。到那个时候，长期以来甚嚣尘上的频率资源短缺之说或许将销声匿迹，取而代之的是可用频率资源多得用不完。现在的手机上传一幅经过压缩的兆像素级图片需要一分钟，而到那时，或许一秒钟就能上传10幅这样的图片。

手机的问世，给社会和商业带来了广泛而深刻的影响，与此相仿，随着在无线网络运行的高级通信装置逐步取代传统手机，智能无线电技术必将促成类似的变革。智能无线电技术的发展尚需时日，但它对我们整个生活将具有非常重要的影响。