互动科普

将信息分成为数字波束，并在不同的频率上以较低功率发射这些波束，便可使成千上万的人们能够同时发送和接收它们。

通常的观点均认为，无线电空域是一种宝贵的——和有限的一一资源，不得不像沙漠中的水那样加以定量供给，那种思想源于传统的发射机和接收机，这些装置的作业运行必须受限于狭窄的专用电磁频谱片区，以便最大程度减小干扰。因而，一些政府像对待不动产那样分配和发放无线电信道许可证。在美国，联邦通信委员会(FCC)有时使用一种现金投标法(cash—biddingprocess)，将宝贵的频带分配用于各种用途，包括商用电视和无线电广播：军事、海上和警务传输：出租汽车调度员；CB通信：以及无线电收发报业余爱好者和移动通信话机用户。

然而，数字通信当前所取得的一些进展已为一种全新的通信模式开辟了道路。目前发射机能够利用所谓的扩展频谱技术来分享信道，而不会相互发生冲突。信息可分成为由1和0组成的微电子波束，然后通过无线电波发射，以较低功率在不同的信道或频率上将每个信息包发送出去。一些新的研究已经证明，从理论上说，在同一城市地区内的成千上万台无线电发射机能成功地在相同的频带上运行，与此同时每秒钟可传送数百兆比特数据。

对扩展频谱的这类分享式使用向通常的惯例提出了挑战。过去，当将狭窄的频带分配给专门的商业性用途时，政府便给一些公司(例如那些提供移动通信话机和个人通信业务(pcs)的公司)发放许可证。正如普通电话公司向用户收取电话费一样，那些许可证用户也要支付服务费，在这种新型的经济模式中，经纪人变得不必要了：用户可相互直接免费通话，甚至当人们相隔数公里远时和当无数其他人正在使用同一无线电信道时亦是如此。这种根本性变化已经导致美国和外国政府的法定政策的修改，这些修改目前已专门为公众免费、随意使用扩展频谱无线电设备设计了某些频带。

足够供每个人使用的频谱

这一技术革命的基础是什么呢?传统的无线电设备是以较高功率在一种单一、狭窄的信道上传递信息而工作的。通过在尽可能狭小的电磁频谱片区上运行，发射机便为在邻近频率上运行的其他装置留下了空位，而不会发生干扰。但是目前无线电工程师都知道有一种完全相反的发射数据的方式更为有效，即以较低功率将信息涂抹或扩展于一块较宽的频谱上。

这种概念是反直觉的：该技术不是将一块馅饼切割成有限数量的小块，而是通过允许几乎无限数量的个体仅仅咬上显而易见的几口而在整个馅饼上分享较多的份额。虽然扩展频谱无线电设备使用的带宽宽于必需的带宽，但是这样一来，这些装置便由于传输处于这种最小的功率状态而避免仅在任何一个频率上数据突发而出现的干扰。实际上，所发射的信号是如此之微弱，以致于它们在背景噪声的情况下也几乎难以被觉察到。这一特征使扩展频谱带来了额外的好处：其他无线电设备非常难于在其传输过程中进行窃听。实际上，只有预定的接收机才可以甚至知道某一传输正在进行中。

扩展频谱的隐蔽性特征最初是其主要吸引力。在二战期间，美国军方变得对一种有迷惑力的装置感兴趣起来，女演员HedyLamarr对该装置亦拥有一份专利权(见框图)。这——设计思想非常之简单——不是在单一的信道上播发信息，而是在敌方可能偶然获得这一传输时，无线电装置不断地转换信道，根据仅由发报人和预定接收人知道的密码，分别在不同的信道上播发少量信息。这种反复跳频技术可使敌方从周围噪声中提取出完整的信息极为困难。但是Lamarr的装置被认为是行不通的，因为它依赖于一种使用不便的机械装置来执行跳频。

然而，电子电路技术方面后来所取得的进展已使扩展频谱变得切实可行起来。塞满了数千个晶体管的半导体芯片，能够在许多信道上以一种看起来似乎是随机的模式，播发数据的数字化信息包。按照发送无线电装置的精确而专门的序列专门设计来收听信号的接收机，能够从不同的频率中按正确的顺序取出片段信息。此外，当接收机遇到遗漏或搀杂讹误的信息包时，它还能通知发送无线电装置重新发送那些信息包。还可使用一种称为前向纠错的技术来增加首次正确地接收数据的机会。

一些电子技术已使另一种频谱扩展的方法成为可能：直接序列法，在直接序列法中，将所发送的信息与对于局外人听起来像噪声的一种编码信号混合起来。在这种跳频法的替代方案中，每个数据位都同时以若干不同的频率加以发送，当然发射机和接收机都按同一编码序列加以同步化。

最近，芯片技术的进一步进展已产生出一些能够高速扫过数据、能耗极低并且相对便宜的数字信号处理机。这种改进型硬件使更为复杂的扩展频谱技术成为可能，其中包括一些平衡利用跳频和直接序列法、以及编码数据的其他方法的最佳特征的混合技术。这些新型方法特别抗干扰，噪声和多路径效应——一种频率相关效应，在这种效应中，信号从建筑物，地面和不同的大气层反射，造成在传输过程中可能扰乱接收者的延迟现象。

1985年，FCC最终允许公众无许可证使用扩展频谱无线电设备，但仍有一些限制。这些无线电设备必须在称为无证工业、科技、医学(ISM)频带上依照FCC规定操作运行。更为重要的是，这些无线电设备被禁止以大于1瓦的功率运行，并且这类传输必须在指定频谱上作最小数量扩展。

尽管有上述限制，但是1985年(和以后)的FCC规则已经导致各种各样“不需许可证”产品的研制开发、制造和市场营销。因为批量制造尚未出现，所以来自60台左右现有自动售货机的数据传输用扩展频谱产品价格昂贵，已使这一技术主要限制在一些大型组织，例如企业、学校和实验室。目前，能够处理近“以太”网络通信业务(每秒10兆比特，适宜于高速计算机通信)达到大约40公里(25英里)距离的一种无线电设备价格为1．1万美元。一些较低能力一—在T1速度(每秒1．5兆比特)上运行达到25公里左右范围——的装置价格为1500美元。对于极小范围(例如在一幢大楼内的通信)而言，无线局域网(LAN)的个人计算机卡定价低达250美元。

人们有理由认为，随着制造量增加而满足对较高带宽日益增长的市场需求和保证PC与因特网的无线连接，上述价格将随之下降。将来，例如人们可能会经常依赖无线传输到达中央系统，然后中央系统可能与一个传统的地面线路网络相连。我们预计，一些在30公里以上范围内，以T1或更高速度运行的可靠安全的数据无线电设备的价格不久将下降到600美元。

这一技术发展前景如何呢?发射机和接收机正在全面数字化。这一发展趋势，与快速发展的、以信元为基础的无线系统相结合，将开发出各种各样的以扩展频谱为基础的业务。这些业务将依赖于一些装有作为基础部件的无线电收发两用机和交换机的智能网络。例如，这类装置可能知道有哪些不同的扩展频谱技术在某一情况下用于确保信息无差错地发送。这些新型网络将越来越多地涉及一种由各个实体拥有的某种地面链路和交换机组成的不同混合物。

因特网今天代表着在新型无线电环境中将是必不可少的自动调节机理的最佳实例。一种对无线电频谱最佳共用的相似分散结构的产生，将需要电信专家和企业家与全世界各种各样的管理实体共同工作来作出一种实质性努力。我们相信这样一种系统的布置和发展通过日益“灵便的”电子装置是可以实现的，并且我们预计有一整套自我管理的协议规程将组合进这些智能装置中，随着先进的无线电设备的布署，社会必须自行解决在网络基础设施范围内融合积极和消极影响的关键问题，以充分利用无线电频谱这一共用的普通资源。

图1无线电信号(红色)一般以较高功率在一单独、狭窄的频带上连续不断加以发射(a)。目前工程师们都知道有一种更为有效的无线电频谱使用方法。即以较低功率在一些不同的信道上扩展信号，正如在一种称之为跳频的无线电技术中的情况一样(b)。

图2直接序列是在无线电频谱上以较低功率扩展某一信号的另一种技术。10110数字信息(a)与一种编码序列(b)混合起来。然后将由此而产生的信号(c)发送出去，以便以若干不同频率发送原始数据的每一位。这种冗余位方式增加了信息甚至在拥塞的城市区域中也能穿过的机会，在这些城市区域中干扰是一个问题．然后接收机使用相同的编码序列(d)译码该传输过程，获得原始数字信息(e)。