這個問題由來已久，但數字廣播的廣泛應用卻讓電波頻譜變得更為擁擠。

最后一位（也是僅有的一位）無線電革新者——德國物理學家赫茲在1886年啟動世界上第一臺無線電發射器時，沒有理由去想干擾的問題。而他啟動第二臺時，就為干擾的出現創造了可能性。自此之后，干擾便成為了一個問題。●確實，這個問題非常緊迫，而且很容易變得更加嚴重。因為馬上就要到來的5G移動數據服務將可以在很短的距離內實現每秒千兆比特級的數據連接速度。因此，在5G于2020年左右開始部署前，工程師們就已經開始研究如何解決所有常見的問題，包括頻率的選擇、傳播、可靠性和電池壽命，以及如何避免上百萬臺小型移動無線電臺之間發生傳輸干擾。如果這些問題得不到解決，那么你手機上的數字服務可能并不會比現在好多少。

在過去的幾十年中，監管機構和工程師們利用一系列技術對無線電干擾進行管理和控制。這里，我會介紹一下過去和當前所采用的一些方法，以及未來工程師們將進一步探索的方式。 ||

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自早期無線電的首個殺手級應用——海上電報出現以來，無線電干擾問題就已經頗為明顯。20世紀初所使用的火花式發射器占用了接收器可以捕獲的整個頻譜，有效地將所有用戶置于同一個共享信道。船上的無線電工作人員需聆聽等待流量間隙，然后再發送信息，就像今天的業余愛好者和民用頻段運營商那樣。這種方式可以降低一定的干擾，但也有不足之處。1912年4月14日晚，泰坦尼克號因忙于處理乘客向岸上傳送的消息，忽略了附近加利福尼亞號船試圖向其發送的冰山預警信號。

20世紀初問世的諧振電路實現了發射器和接收器在某個單一頻率上的通信，使多個站點能夠共享頻譜，分別在無線電波段的不同位置運行。

幾乎是在同時，操作人員在伴隨著點和線的摩爾斯電碼信號中，驚詫地聽到了說話聲和音樂，這預示著振幅調制（AM）的發明。20世紀20年代，地面AM廣播快速發展，但成功的同時也帶來了一系列問題。早期的無線電廣播企業家都是按照自己的喜好來選擇頻率和地點的，因此也就常常會與同一頻率或相鄰頻率的其他站點發生干擾。在某些城市，甚至無法確保信號一定能被接收到。

有幾個國家很快采用同一種方式解決了這一問題：利用地圖和制圖圓規。政府規定沒有許可證的傳輸會被視為違法——并確保同一頻率下被許可的各個站點之間應保持足夠的距離，以避免干擾。由于AM頻段信號在晚上的傳輸距離更遠，因此一些運氣不好的站點不得不在日落時停止傳輸。還有一些國家會利用許可流程來打壓一些反政府聲音，或實現其他的一些非技術目的。

當然，無線電波是沒有國界的。很多國家很快發現，在頻率的分配方面必須與鄰國開展合作。為推動跨境電報發展而于1865年成立的國際電報聯盟在1932年更名為國際電信聯盟（ITU），并成為國家間無線電干擾的協商平臺。現在的國際電信聯盟已作為聯合國的一家專門機構來負責此項工作。許多過去無法和解的國家也都坐在一起，和平探討國際頻率的使用。

國立的AM許可機制在調頻（FM）和電視出現時輕而易舉地將它們也納入進來。20世紀70年代，當射頻晶體管的發展帶來了廉價的雙向無線電通信設備時，僅需對模式做一個小小的修改即可：讓許可證覆蓋系統基站及其在特定區域內的所有移動發射器。手機許可機制基本沒有變化。

然而，當前我們所生活的世界發生了巨大的變化，周圍充斥著無數個低功率無線電發射器，比如你的筆記本電腦或秘鑰卡里的發射器，可以發出數字數據并在沒有許可的情況下運行。未來會有更多的數字無線設備。因此，如何避免無線電干擾的問題已經比以往任何時候都更加亟待解決。 

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盡管美國聯邦法令要求所有的發射器均須獲得許可，但美國聯邦通信委員會（FCC）不久前決定，該法令僅適用于那些功率高到會帶來干擾威脅的發射器。世界上的其他地區也基本認為：功率足夠低的發射器可以在沒有許可的情況下合法運行。

20世紀80年代以前，無許可設備的發展一直較為緩慢，比如車庫遙控器、模擬無繩電話和其他一系列較為原始的低功率器件。此類設備的功率不足1瓦，這種較為保守的功率限制可以保護許可用戶免受干擾，也使許多人在互不干擾的情況下同時使用無許可設備成為可能。

但這一切都將改變。其中一個原因是數字信號處理器和其他小型電路的快速發展極大地降低了無線電成本。另一個原因是一位叫邁克爾?馬庫斯（MichaelMarcus）的FCC工程師說服其老板做了一個試驗——一個超出所有人想象的試驗。馬庫斯想要對可實現幾十甚至幾百米傳輸距離的高功率發射器進行無許可授權。當FCC征集公眾意見時，現有的頻譜使用者均發出了一致的回應：不要在我的頻段里！

不過，FCC還是在1985年采用了這種做法，只是將馬庫斯的構想限制在3個不受歡迎的“垃圾頻段”內。這些“垃圾頻段”之前主要留給非通信級無線電發射設備（如微波爐）、業余無線電和其他一些目的使用。FCC將無許可設備的功率限制在1瓦，這在當時也是聞所未聞，足以將零售商店或辦公樓的一整層都涵蓋進來。當時沒有人能預見低成本、高容量的無許可數字無線電將帶來的影響。

由于早期的規則規定信號所占有的頻率范圍應遠大于所傳數據必需的最小帶寬，因此這一新類別最早被稱為擴展頻譜。相對而言，當時其他大多數的無線電信號都被限制在較窄的頻譜片段內。在之后的幾十年中，擴展頻譜最終發展成為如今的Wi-Fi、藍牙、紫蜂和上百個不為人熟知的協議。

不夸張地說，我們當中的很多人在觸手可及的范圍內擁有多個發射器。這些發射器置于我們的手機、平板、筆記本電腦、電子閱讀器、音樂播放器、相機和無繩電話中——幾乎涵蓋了使用電池供電的所有設備。無許可也就意味著任何人都可以在未征得他人允許的情況下，在任何地方使用這些設備。

一些規范的制定者比較有遠見，內置了一些抗干擾措施。Wi-Fi可以自動挑選出最不擁堵的可用信道；若干擾仍然存在，則會轉為使用速度較慢、但抗干擾能力更強的傳輸協議。在幾十個頻點之間跳躍的藍牙技術則會避開最繁忙的頻點。紫蜂使用的是較窄的信道，僅占用幾兆赫茲，可穿插在其他用戶之間，即使在非常擁堵的環境中也沒有問題。

如果你懷疑這些抗干擾技術的有效性，那么你可以去一間人很多的星巴克，然后將你的平板連上那里的Wi-Fi，并連上藍牙鍵盤和耳機。注意其他人也都這么做。之后，咖啡師會時不時地使用微波爐，而微波爐所產生的無線電頻率和你以及其他人所使用的頻率是一樣的。但每個人的設備仍然能夠正常運行：Wi-Fi和藍牙信號能夠在不引起人們注意的情況下平滑地實現與微波的共存。

一些無許可設備會通過“偵聽”協議的使用來減弱干擾，基本上就是泰坦尼克號時代的自動化版本。而其他設備，例如射頻識別（RFID）標簽和一些公用事業智能儀表，則只有在作好準備時才能進行傳輸。由于此類設備功率較低，傳輸距離較近，且傳輸信號較為分散，因此其產生的干擾均在可接受范圍之內。

無許可通信的發展速度甚至超過了手機和其他許可無線電應用。幸運的是，所有此類無許可發射器的功率和范圍均有所降低，為更多的設備接入提供了可用空間。但要想避免干擾成為未來的一個嚴重問題，特別是隨著5G的到來，工程師們需要找到一些新的方法，實現多個不同發射器在相同無線電波上的共享。 

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一些新手在處理干擾問題時，有時會建議對頻譜進行監測，以尋找可用的空閑頻率。表面上來看這并沒有什么問題，但一旦深入挖掘，你就會發現這其實是很難實現的。

初期為推動頻譜監測而作的嘗試之一是，FCC在2003年推出了一項法律規則，即“干擾溫度”機制。擁護者期望在全美范圍內建立一個感測站網，持續對特定的頻段進行監測，并指導無線電在何時何地進行安全的傳輸。這一概念也許在幻燈片上看著還不錯，然而卻并不適用于現實世界。

專業的評論者指出，即使是非常敏感的偵測器也無法偵測出這么多的活動，并且很有可能錯過一些遠離傳感器的強信號，如衛星上行鏈路和固定微波鏈路。偵測器還可能錯過那些承載低功率信號的頻段中的活動：GPS和其他衛星下行鏈路、射電天文學家感興趣的天體射線、搜救燈塔、遠程電視臺等。為了能夠可靠地偵測到以上所有活動，傳感設備需放置于定向發射器的波束內，而為了傳輸其他種類的無線電信號，傳感設備應與接收器一樣龐大、一樣敏感。4年后，FCC放棄了這一干擾溫度的想法。

在向無許可國家信息基礎設施（U-NII）開放額外頻率時，FCC在感測技術方面遭遇了一個全然不同的阻礙。該信息基礎設施是一種高頻Wi-Fi，在歐洲、以色列、土耳其和一些亞洲國家也得到了授權。在美國，新的U-NII頻段（用于無線路由器、無線局域網連接等）與某些政府雷達所使用的頻段相重疊，包括機場氣象雷達，而氣象雷達對于維護航空安全尤為重要。

FCC要求U-NII設備能夠實現感測功能并避免給雷達造成干擾，這一點很合理。雖然雷達信號很強，但制定合適的規則和測試程序仍然極為困難。而且即使是在有規則的情況下，一些雷達還是會受到干擾。因此FCC公布了一個氣象雷達位置列表，并尋求U-NII用戶的協助。但干擾還是出現了。FCC對幾個產生干擾的發射器進行了追蹤，發現其軟件均受到了非法篡改，關閉了感測功能。因此，FCC對其運營商進行了制裁，并修改了規則，對軟件安全性和感測有效性提出了更高的要求。而這一過程用了十幾年才完成，并且花了大力氣。但還是有大量的老舊設備容易受到攻擊——未來還很有可能產生嚴重干擾。

另外一種不同的干擾控制方法是依賴一個數據庫，數據庫包含被保護的接收器的位置和頻率信息。該數據庫對于電視空白頻段（TVWS，本地無須許可的可用空閑電視頻率）上的操作非常關鍵。TVWS通信在美國、加拿大、英國和一些非洲國家已經獲得了授權。TVWS設備必須避免給電視臺、無線手機和其他在電視頻段上操作的受保護用戶造成干擾。21世紀初，美國提出了實施TVWS的兩種方式：第一種是利用數據庫搜索功能告知具備地理定位功能的TVWS設備，其所在位置有哪些空閑信道；第二種是確保設備有能力在備選信道中為各種活動尋找可用頻譜。隨著TVWS進程的持續推進和頻譜感測困難的不斷加重，避免干擾的首要機制已經轉向數據庫。

大多數美國的TVWS設備必須在一天當中至少查閱該國家級數據庫一次，尋找其所在位置的可用信道信息。（若設備未接入互聯網，則必須查閱附近設備，通過附近設備接入數據庫。）只具備頻譜感測干擾功能的設備是可以準許被使用的，但須保持較低的功率且通過嚴格的認證測試。

為何要將頻譜感測降為次要的角色呢？假設你正站在一所房子附近使用移動TVWS設備，而該房子裝有戶外電視天線，置于一根5米高的柱子上。遠處電視臺的信號強度足以為房子提供不錯的畫質，但移動設備卻無法偵測到這么弱的信號。若該移動設備認為該信道空閑并開始運行，那么就會淹沒電視信號。

到目前為止，FCC未對任何純感測型TVWS設備提供技術要求合規認證，因此你還買不到此類設備。加拿大和英國的規則更為謹慎：他們要求設備具備數據庫搜索功能，不許設備依賴感測技術。

FCC正在規劃一個更為宏大的數據庫，用于其新型市民無線寬帶服務（CBRS），主要在3.55至3.7千兆赫頻段上運行。盡管借鑒了TVWS的某些方面，但CBRS數據庫（還未開始運行）必須在幾分之一秒的級別上運行，并由設備持續檢查。該數據庫將在運行過程中分配頻隙，并對3類用戶進行優先級分類：現有固定用戶（包括政府雷達）、購買超級接入服務的用戶以及普通非付費用戶。傳感器網將對雷達傳輸進行定位，允許在距雷達更近的范圍內運行。若這種快速數據庫和持續感測的結合方式可行，則可允許比往常更多的用戶共享可用頻譜，也會成為其他國家和其他頻段無法抗拒的模式。 

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防干擾方法將在下一代5G手機上真正開展測試。很多預測中的5G應用也將出現在有大量人群聚集的地方：體育場、購物商場、城市商業區、醫院、大學校園等。在很小的區域中運行大量設備將會對傳統的防干擾方法提出挑戰。

FCC正在研究如何為24和40千兆赫的5G頻段奠定基礎。與當前4G的處理能力相比，5G帶寬將能夠承載更多的數據。但此類頻率下的信號傳播卻是一個問題。假設在一個傳統基站以及移動設備配置的情形中，每一個移動設備均須處于其所在基站的幾百米范圍內，且具備直接視距。那就更糟了。由于此類信號無法可靠地穿透建筑材料，因此要想在室內使用5G設備就需要在室內設置基站——至少一層一個。

有一種可以避開此類限制的方法，叫做網狀網，即利用中介移動設備來連接超出范圍的設備。包括紫蜂和Thread在內的網狀網協議，當前都可以實現無許可設備的連接。阿富汗和肯尼亞的一些城市使用的是一種叫做FabFi的開源網狀網系統，用于互聯網接入。不過，這一想法至今仍未在無線運營商那里流行起來。無線運營商缺乏興趣的一個原因是可用的連接帶寬會隨著網狀網中的每一個跳躍而減弱。但5G頻率下的高數據容量應允許網狀網向用戶提供滿意的性能。

5G網狀網的魅力意味著未來我們可能會看到更多這樣的無線電網絡，因此也就值得思考一些有關頻譜管理的新方法。畢竟TVWS和CBRS（很快將要）使用的覆蓋全國的集中管理式數據庫是20世紀的產物，其運行所需的設施要與其所控制的無線電系統相分離，且必須通過互聯網與此類系統相連。而且還必須有一些權力機構負責其搭建和維護工作，至少在CBRS情況下需要設施數量與其所協調的設備數量呈比例增長。而所有這些都需要資金投入。

管理網狀網的一個更好的方法是利用移動設備本身來集中追蹤其頻率和位置。仍然可以根據數據庫來組織通信，但信息不會僅存于一個中心計算機上，網絡中的每一臺移動設備均會自動借出其軟硬件，來形成該區域不斷變化的、有關所有移動設備信息的數據庫。

當用戶試圖傳輸時，其設備會首先向中心數據庫提出有關空閑頻率的詢問，然后注冊其位置和頻率，以便保護其免受網絡后來者的干擾。移動設備完成傳輸時會自動通知其他伙伴，把該頻隙空出來。用戶關閉其移動設備或將其設備移出網絡范圍之外時，該設備會把其原先所保管的數據庫部分移交給其他設備。

與傳統的中心數據庫相比，這種方法有幾大優勢。比如，無須分離設施或管理，也無須覆蓋全國。畢竟需要波士頓頻率的移動發射器對費城并不感興趣。這種想法很容易得到擴展：在網絡中添加更多的裝置，而無須增加超出移動設備本身的新設備。

眾多移動設備一起和諧、集中地運行數據庫就像是“蜂巢思維”這種科學構想以及《星際迷航》中的博格人一樣。當然，科幻小說通常也預示著現實，因此這樣的系統也可能會出現。幸運的是，我們的目標并不是要征服宇宙，只要能順暢地播放傻傻的貓咪視頻就可以了。

作者：Mitchell Lazarus