这个问题由来已久，但数字广播的广泛应用却让电波频谱变得更为拥挤。
最后一位（也是仅有的一位）无线电革新者——德国物理学家赫兹在1886年启动世界上第一台无线电发射器时，没有理由去想干扰的问题。而他启动第二台时，就为干扰的出现创造了可能性。自此之后，干扰便成为了一个问题。●确实，这个问题非常紧迫，而且很容易变得更加严重。因为马上就要到来的5G移动数据服务将可以在很短的距离内实现每秒千兆比特级的数据连接速度。因此，在5G于2020年左右开始部署前，工程师们就已经开始研究如何解决所有常见的问题，包括频率的选择、传播、可靠性和电池寿命，以及如何避免上百万台小型移动无线电台之间发生传输干扰。如果这些问题得不到解决，那么你手机上的数字服务可能并不会比现在好多少。
在过去的几十年中，监管机构和工程师们利用一系列技术对无线电干扰进行管理和控制。这里，我会介绍一下过去和当前所采用的一些方法，以及未来工程师们将进一步探索的方式。 ||
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自早期无线电的首个杀手级应用——海上电报出现以来，无线电干扰问题就已经颇为明显。20世纪初所使用的火花式发射器占用了接收器可以捕获的整个频谱，有效地将所有用户置于同一个共享信道。船上的无线电工作人员需聆听等待流量间隙，然后再发送信息，就像今天的业余爱好者和民用频段运营商那样。这种方式可以降低一定的干扰，但也有不足之处。1912年4月14日晚，泰坦尼克号因忙于处理乘客向岸上传送的消息，忽略了附近加利福尼亚号船试图向其发送的冰山预警信号。
20世纪初问世的谐振电路实现了发射器和接收器在某个单一频率上的通信，使多个站点能够共享频谱，分别在无线电波段的不同位置运行。
几乎是在同时，操作人员在伴随着点和线的摩尔斯电码信号中，惊诧地听到了说话声和音乐，这预示着振幅调制（AM）的发明。20世纪20年代，地面AM广播快速发展，但成功的同时也带来了一系列问题。早期的无线电广播企业家都是按照自己的喜好来选择频率和地点的，因此也就常常会与同一频率或相邻频率的其他站点发生干扰。在某些城市，甚至无法确保信号一定能被接收到。
有几个国家很快采用同一种方式解决了这一问题：利用地图和制图圆规。政府规定没有许可证的传输会被视为违法——并确保同一频率下被许可的各个站点之间应保持足够的距离，以避免干扰。由于AM频段信号在晚上的传输距离更远，因此一些运气不好的站点不得不在日落时停止传输。还有一些国家会利用许可流程来打压一些反政府声音，或实现其他的一些非技术目的。
当然，无线电波是没有国界的。很多国家很快发现，在频率的分配方面必须与邻国开展合作。为推动跨境电报发展而于1865年成立的国际电报联盟在1932年更名为国际电信联盟（ITU），并成为国家间无线电干扰的协商平台。现在的国际电信联盟已作为联合国的一家专门机构来负责此项工作。许多过去无法和解的国家也都坐在一起，和平探讨国际频率的使用。
国立的AM许可机制在调频（FM）和电视出现时轻而易举地将它们也纳入进来。20世纪70年代，当射频晶体管的发展带来了廉价的双向无线电通信设备时，仅需对模式做一个小小的修改即可：让许可证覆盖系统基站及其在特定区域内的所有移动发射器。手机许可机制基本没有变化。
然而，当前我们所生活的世界发生了巨大的变化，周围充斥着无数个低功率无线电发射器，比如你的笔记本电脑或秘钥卡里的发射器，可以发出数字数据并在没有许可的情况下运行。未来会有更多的数字无线设备。因此，如何避免无线电干扰的问题已经比以往任何时候都更加亟待解决。
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尽管美国联邦法令要求所有的发射器均须获得许可，但美国联邦通信委员会（FCC）不久前决定，该法令仅适用于那些功率高到会带来干扰威胁的发射器。世界上的其他地区也基本认为：功率足够低的发射器可以在没有许可的情况下合法运行。
20世纪80年代以前，无许可设备的发展一直较为缓慢，比如车库遥控器、模拟无绳电话和其他一系列较为原始的低功率器件。此类设备的功率不足1瓦，这种较为保守的功率限制可以保护许可用户免受干扰，也使许多人在互不干扰的情况下同时使用无许可设备成为可能。
但这一切都将改变。其中一个原因是数字信号处理器和其他小型电路的快速发展极大地降低了无线电成本。另一个原因是一位叫迈克尔•马库斯（MichaelMarcus）的FCC工程师说服其老板做了一个试验——一个超出所有人想象的试验。马库斯想要对可实现几十甚至几百米传输距离的高功率发射器进行无许可授权。当FCC征集公众意见时，现有的频谱使用者均发出了一致的回应：不要在我的频段里！
不过，FCC还是在1985年采用了这种做法，只是将马库斯的构想限制在3个不受欢迎的“垃圾频段”内。这些“垃圾频段”之前主要留给非通信级无线电发射设备（如微波炉）、业余无线电和其他一些目的使用。FCC将无许可设备的功率限制在1瓦，这在当时也是闻所未闻，足以将零售商店或办公楼的一整层都涵盖进来。当时没有人能预见低成本、高容量的无许可数字无线电将带来的影响。
由于早期的规则规定信号所占有的频率范围应远大于所传数据必需的最小带宽，因此这一新类别最早被称为扩展频谱。相对而言，当时其他大多数的无线电信号都被限制在较窄的频谱片段内。在之后的几十年中，扩展频谱最终发展成为如今的Wi-Fi、蓝牙、紫蜂和上百个不为人熟知的协议。
不夸张地说，我们当中的很多人在触手可及的范围内拥有多个发射器。这些发射器置于我们的手机、平板、笔记本电脑、电子阅读器、音乐播放器、相机和无绳电话中——几乎涵盖了使用电池供电的所有设备。无许可也就意味着任何人都可以在未征得他人允许的情况下，在任何地方使用这些设备。
一些规范的制定者比较有远见，内置了一些抗干扰措施。Wi-Fi可以自动挑选出最不拥堵的可用信道；若干扰仍然存在，则会转为使用速度较慢、但抗干扰能力更强的传输协议。在几十个频点之间跳跃的蓝牙技术则会避开最繁忙的频点。紫蜂使用的是较窄的信道，仅占用几兆赫兹，可穿插在其他用户之间，即使在非常拥堵的环境中也没有问题。
如果你怀疑这些抗干扰技术的有效性，那么你可以去一间人很多的星巴克，然后将你的平板连上那里的Wi-Fi，并连上蓝牙键盘和耳机。注意其他人也都这么做。之后，咖啡师会时不时地使用微波炉，而微波炉所产生的无线电频率和你以及其他人所使用的频率是一样的。但每个人的设备仍然能够正常运行：Wi-Fi和蓝牙信号能够在不引起人们注意的情况下平滑地实现与微波的共存。
一些无许可设备会通过“侦听”协议的使用来减弱干扰，基本上就是泰坦尼克号时代的自动化版本。而其他设备，例如射频识别（RFID）标签和一些公用事业智能仪表，则只有在作好准备时才能进行传输。由于此类设备功率较低，传输距离较近，且传输信号较为分散，因此其产生的干扰均在可接受范围之内。
无许可通信的发展速度甚至超过了手机和其他许可无线电应用。幸运的是，所有此类无许可发射器的功率和范围均有所降低，为更多的设备接入提供了可用空间。但要想避免干扰成为未来的一个严重问题，特别是随着5G的到来，工程师们需要找到一些新的方法，实现多个不同发射器在相同无线电波上的共享。
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一些新手在处理干扰问题时，有时会建议对频谱进行监测，以寻找可用的空闲频率。表面上来看这并没有什么问题，但一旦深入挖掘，你就会发现这其实是很难实现的。
初期为推动频谱监测而作的尝试之一是，FCC在2003年推出了一项法律规则，即“干扰温度”机制。拥护者期望在全美范围内建立一个感测站网，持续对特定的频段进行监测，并指导无线电在何时何地进行安全的传输。这一概念也许在幻灯片上看着还不错，然而却并不适用于现实世界。
专业的评论者指出，即使是非常敏感的侦测器也无法侦测出这么多的活动，并且很有可能错过一些远离传感器的强信号，如卫星上行链路和固定微波链路。侦测器还可能错过那些承载低功率信号的频段中的活动：GPS和其他卫星下行链路、射电天文学家感兴趣的天体射线、搜救灯塔、远程电视台等。为了能够可靠地侦测到以上所有活动，传感设备需放置于定向发射器的波束内，而为了传输其他种类的无线电信号，传感设备应与接收器一样庞大、一样敏感。4年后，FCC放弃了这一干扰温度的想法。
在向无许可国家信息基础设施（U-NII）开放额外频率时，FCC在感测技术方面遭遇了一个全然不同的阻碍。该信息基础设施是一种高频Wi-Fi，在欧洲、以色列、土耳其和一些亚洲国家也得到了授权。在美国，新的U-NII频段（用于无线路由器、无线局域网连接等）与某些政府雷达所使用的频段相重叠，包括机场气象雷达，而气象雷达对于维护航空安全尤为重要。
FCC要求U-NII设备能够实现感测功能并避免给雷达造成干扰，这一点很合理。虽然雷达信号很强，但制定合适的规则和测试程序仍然极为困难。而且即使是在有规则的情况下，一些雷达还是会受到干扰。因此FCC公布了一个气象雷达位置列表，并寻求U-NII用户的协助。但干扰还是出现了。FCC对几个产生干扰的发射器进行了追踪，发现其软件均受到了非法篡改，关闭了感测功能。因此，FCC对其运营商进行了制裁，并修改了规则，对软件安全性和感测有效性提出了更高的要求。而这一过程用了十几年才完成，并且花了大力气。但还是有大量的老旧设备容易受到攻击——未来还很有可能产生严重干扰。
另外一种不同的干扰控制方法是依赖一个数据库，数据库包含被保护的接收器的位置和频率信息。该数据库对于电视空白频段（TVWS，本地无须许可的可用空闲电视频率）上的操作非常关键。TVWS通信在美国、加拿大、英国和一些非洲国家已经获得了授权。TVWS设备必须避免给电视台、无线手机和其他在电视频段上操作的受保护用户造成干扰。21世纪初，美国提出了实施TVWS的两种方式：第一种是利用数据库搜索功能告知具备地理定位功能的TVWS设备，其所在位置有哪些空闲信道；第二种是确保设备有能力在备选信道中为各种活动寻找可用频谱。随着TVWS进程的持续推进和频谱感测困难的不断加重，避免干扰的首要机制已经转向数据库。
大多数美国的TVWS设备必须在一天当中至少查阅该国家级数据库一次，寻找其所在位置的可用信道信息。（若设备未接入互联网，则必须查阅附近设备，通过附近设备接入数据库。）只具备频谱感测干扰功能的设备是可以准许被使用的，但须保持较低的功率且通过严格的认证测试。
为何要将频谱感测降为次要的角色呢？假设你正站在一所房子附近使用移动TVWS设备，而该房子装有户外电视天线，置于一根5米高的柱子上。远处电视台的信号强度足以为房子提供不错的画质，但移动设备却无法侦测到这么弱的信号。若该移动设备认为该信道空闲并开始运行，那么就会淹没电视信号。
到目前为止，FCC未对任何纯感测型TVWS设备提供技术要求合规认证，因此你还买不到此类设备。加拿大和英国的规则更为谨慎：他们要求设备具备数据库搜索功能，不许设备依赖感测技术。
FCC正在规划一个更为宏大的数据库，用于其新型市民无线宽带服务（CBRS），主要在3.55至3.7千兆赫频段上运行。尽管借鉴了TVWS的某些方面，但CBRS数据库（还未开始运行）必须在几分之一秒的级别上运行，并由设备持续检查。该数据库将在运行过程中分配频隙，并对3类用户进行优先级分类：现有固定用户（包括政府雷达）、购买超级接入服务的用户以及普通非付费用户。传感器网将对雷达传输进行定位，允许在距雷达更近的范围内运行。若这种快速数据库和持续感测的结合方式可行，则可允许比往常更多的用户共享可用频谱，也会成为其他国家和其他频段无法抗拒的模式。
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防干扰方法将在下一代5G手机上真正开展测试。很多预测中的5G应用也将出现在有大量人群聚集的地方：体育场、购物商场、城市商业区、医院、大学校园等。在很小的区域中运行大量设备将会对传统的防干扰方法提出挑战。
FCC正在研究如何为24和40千兆赫的5G频段奠定基础。与当前4G的处理能力相比，5G带宽将能够承载更多的数据。但此类频率下的信号传播却是一个问题。假设在一个传统基站以及移动设备配置的情形中，每一个移动设备均须处于其所在基站的几百米范围内，且具备直接视距。那就更糟了。由于此类信号无法可靠地穿透建筑材料，因此要想在室内使用5G设备就需要在室内设置基站——至少一层一个。
有一种可以避开此类限制的方法，叫做网状网，即利用中介移动设备来连接超出范围的设备。包括紫蜂和Thread在内的网状网协议，当前都可以实现无许可设备的连接。阿富汗和肯尼亚的一些城市使用的是一种叫做FabFi的开源网状网系统，用于互联网接入。不过，这一想法至今仍未在无线运营商那里流行起来。无线运营商缺乏兴趣的一个原因是可用的连接带宽会随着网状网中的每一个跳跃而减弱。但5G频率下的高数据容量应允许网状网向用户提供满意的性能。
5G网状网的魅力意味着未来我们可能会看到更多这样的无线电网络，因此也就值得思考一些有关频谱管理的新方法。毕竟TVWS和CBRS（很快将要）使用的覆盖全国的集中管理式数据库是20世纪的产物，其运行所需的设施要与其所控制的无线电系统相分离，且必须通过互联网与此类系统相连。而且还必须有一些权力机构负责其搭建和维护工作，至少在CBRS情况下需要设施数量与其所协调的设备数量呈比例增长。而所有这些都需要资金投入。
管理网状网的一个更好的方法是利用移动设备本身来集中追踪其频率和位置。仍然可以根据数据库来组织通信，但信息不会仅存于一个中心计算机上，网络中的每一台移动设备均会自动借出其软硬件，来形成该区域不断变化的、有关所有移动设备信息的数据库。
当用户试图传输时，其设备会首先向中心数据库提出有关空闲频率的询问，然后注册其位置和频率，以便保护其免受网络后来者的干扰。移动设备完成传输时会自动通知其他伙伴，把该频隙空出来。用户关闭其移动设备或将其设备移出网络范围之外时，该设备会把其原先所保管的数据库部分移交给其他设备。
与传统的中心数据库相比，这种方法有几大优势。比如，无须分离设施或管理，也无须覆盖全国。毕竟需要波士顿频率的移动发射器对费城并不感兴趣。这种想法很容易得到扩展：在网络中添加更多的装置，而无须增加超出移动设备本身的新设备。
众多移动设备一起和谐、集中地运行数据库就像是“蜂巢思维”这种科学构想以及《星际迷航》中的博格人一样。当然，科幻小说通常也预示着现实，因此这样的系统也可能会出现。幸运的是，我们的目标并不是要征服宇宙，只要能顺畅地播放傻傻的猫咪视频就可以了。
作者：Mitchell Lazarus
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