像这样位于UChicago校园内的LAA站允许蜂窝服务提供商使用相同的共享频谱频段。信用:Monisha Ghosh如果当你试图在智能手机上发送快速电子邮件时，服务变得很慢，你可能会滚动浏览你的网络选项，发现有多少无线网络。事实上，过多的选择本身就是问题所在。这些网络相互竞争，限制了各自的运行速度。芝加哥大学的研究人员展示了这种日益激烈的网络竞争将如何对日常用户的互联网服务产生负面影响。
当网络在共享频谱带或电磁波频率范围上运行时，它们之间的竞争就会出现。特别是，无线网络使用“未经许可”的频谱，这意味着任何设备或网络都可以使用该频谱，只要遵守联邦通信委员会(FCC)规定的某些传输规则。
“未经许可的频谱实际上是免费的；任何人都可以在联邦通信委员会规定的范围内使用它，”芝加哥大学计算机科学系副教授、普利兹克分子工程学院研究教授莫尼莎·戈什解释说。
手机服务主要依赖于一个完全独立的频谱带，提供商通过频谱拍卖从联邦通信委员会获得许可，尽管随着对手机数据和有限带宽需求的增长，这种情况已经发生了变化。
当移动电话提供商，如T-Mobile或美国电话电报公司，从联邦通信委员会许可一个频段时，他们保留其专用权。因此，在许可频段上运行的网络几乎不会受到干扰。这允许提供商建立快速可靠的服务，但这是有代价的。
戈什说:“在过去的五年里，蜂窝世界的用户数量和他们需要的数据量都有所增长。"蜂窝服务提供商已经开始出现频谱短缺，获得许可的频谱成本高达数十亿美元."
为了在不破坏银行业务的情况下提高带宽，这些提供商也开始通过蜂窝网络使用未经许可的频谱，使用一种称为许可辅助接入(LAA)的模式，该模式在用于无线网络的相同频段上运行。戈什的团队着手研究这种未经许可的频谱共享使用(称为共存)如何影响无线网络和蜂窝用户。
“我们实际上发现了一个位于UChicago校园内的LAA站，在书店前面的一根柱子上，在这个外部空间中，校园Wi-Fi也在使用中，”Ghosh说。“这在我们的后院提供了一个实验平台，所以我们开始测量。”
坐在书店外的长椅上，计算机科学研究生穆罕默德·罗奇曼和博士后研究员万林·萨提亚安装了五台笔记本电脑和智能手机，并使用它们接入本地无线网络或使用蜂窝数据连接到LAA。他们还访问不同类型的数据，以改变这些网络的需求，从低(如访问网站上的文本)到高(流式传输视频)。每台设备都配备了应用程序，允许小组测量每个网络连接的质量。
通过同时访问多个网络，该小组发现竞争降低了性能——降低了数据传输量、传输速度和信号质量。
这种竞争对无线网络尤其不利。当LAA还在积极使用时，无线用户传输的数据减少了97%。相反，当无线网络也在使用时，LAA的数据只显示出35%的下降。
戈什解释说，无线网络和LAA之间的不兼容部分是由于各自使用不同的协议来处理大量的互联网流量。
戈什说:“如果每个人都同时开始使用频谱，就会产生干扰，没有人的信息能够通过。"但是无线网络和手机已经发展出非常不同的机制来处理这个问题."
因为无线网络完全依赖未经许可的频谱，所以它使用一种针对不可预测的需求定制的协议。这种被称为先听后说的协议模仿了一群有礼貌的聚会参与者的互动。参与者倾听并等待对话中的间隙来说话。如果两个人立刻开始谈论国王，一个礼貌地退后让另一个说话，然后插话。同样，如果多个Wi-Fi用户试图同时访问网络，每个用户都会被分配一个短暂的等待时间，这些等待时间之间的随机性降低了冲突的概率。
相比之下，蜂窝提供商可以基于蜂窝接入预测需求，并因此为每个用户分配特定的传输时间。因此，LAA的用户更像是一场安排紧凑的座谈会上的发言人，而不是非正式聚会上的发言人。
当蜂窝提供商被限制在许可的频谱范围内时，协议的这种差异并没有造成什么问题，但是随着他们转向未许可的频谱，LAA使用的信道接入参数使得无线用户很难平等地接入媒体。尽管LAA最近修改了蜂窝频带中使用的紧密调度来实现先听后说，但它仍然以不同的参数运行。一个至关重要的区别是，一旦接入，每个系统将介质保持多长时间:LAA的传输时间最长可达10毫秒，而无线网络的传输时间最长仅为4毫秒。
共享频谱的竞争不仅发生在无线网络和蜂窝网络提供商之间，也发生在每种网络类型内部。
戈什说:“在我们的实验中，我们将Wi-Fi/Wi-Fi共存与Wi-Fi/LAA共存进行了比较。“由于先听后说的程序，Wi-Fi/Wi-Fi共存并不太糟糕，因此我们将此作为公平的标准。但Wi-Fi/LAA的表现更差，我们惊讶于它的糟糕程度。”
在未来的研究中，她希望还能研究由不同蜂窝提供商提供的LAA网络是如何相互竞争的。
此外，戈什还根据她的研究为监管机构提供了如何更好地协调网络协议的建议。
“这些变化带来了更好的共存和共享机制。但还有很长的路要走，”她说。
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