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CBRS——无线领域的下一代领军技术

  通信广电  candytang 2017-12-0457800
经过多年努力,联邦通信委员会(FCC)终于展示了其国家宽带计划——公民宽带无线电服务(CBRS)。它没有像5G技术和物联网那样受到重视,但其影响力仍不容小觑。如果CBRS运行成功,它将缓解无线频谱的短缺。

CBRS的频谱与载波LTE、3550到3700MHz的150MHz带宽的连续频谱共享一个三层的结构(如图1所示)。不要觉得150MHz太小,想一想,全部无线载波加起来不过130MHz。三层设计意味着现有的一级服务(例如美国海军雷达和固定卫星地球站)优先于其他两个类别,优先级由高到低依次是优先访问许可证(PAL)用户和一般授权访问(GAA)用户。

图1:三层结构使低层用户、持有PAL许可证者的GAA用户不会影响Tier-1的使用者。

现有的军用雷达和卫星地面站都会受到保护,以避免来自下两层的干扰。同样,PAL许可证持有者也受到保护,以避免来自底层GAA用户的干扰。整个系统由频谱访问系统(SAS)进行管理,SAS将在后面进行讨论。
一、CBRS为何关键
CBRS在多种市场和应用场景具有优势,因此它很重要。
其主要优势是:
 1、使私有LTE无线网络在经济和技术上变得可行,并且其性能明显优于目前用于此目的的Wi-Fi网络。  2、频谱可用于多种用途,且不增加成本。  3、使用最先进的SAS,传输之前,不需要先对频谱进行扫描。  4、允许无线运营商增加覆盖面积和容量,能够以许可或无许可或两者兼而有之的方式提升数据速率。  5、为“远距离级别传输”提供替代方案,此前这一级别的传输几乎完全由低功耗广域网(LPWAN)的无线中继和运营商提供。  6、改变分布式天线系统(DAS)由中立主机控制和操作的方式。  7、使用现有技术:CBRS技术可以主要应用于LTE(特别是TDD-LTE),但是它也可以应用于其它技术,甚至Wi-Fi技术,只要它们在“数字化”方面兼容FCC的规定即可。
二、频谱共享的坎坷之路
无线通信中的频谱资源稀缺已经不是秘密了,它们要么被拍卖,要么被美国政府霸占,要么被阻塞了。因此,政府和通信行业正在想尽一切办法寻找解决方案,其中一种就是允许同一频率中同时运行两种通信服务,并且保证二者的信道安全且互不干扰。
蜂窝通信产业也在采用载波聚合(CA)技术。CA技术结合了两个或更多个小频谱,以产生更大的频谱,从而实现更高的传输速率和数据容量。除CA之外,最新的针对LTE技术的升级比前几代升级更为有效,可以满足更多的流量需求。然而,两者都仅仅解决了难题中的一小部分。
值得一提的是,美国全部电磁频谱中接近60%的频谱,从DC到光谱,还有从300MHz到3GHz中超过半数的频谱(带宽1500MHz以上,这一频段是很适合通信使用的频段)都是联邦政府所有的。这些频谱是很少被使用甚至是从未被使用的,从逻辑上来说,政府理应让出部分使用权。但是历史上政府从未批准类似申请。政府部门,特别是国防部,意识到电磁频谱是一种被商业用户所垂涎的有限资源,也是一种值得争取的宝贵商品。
理想情况下,频谱共享可在不迁移服务站的情况下使得信道拥有更多的容量,可以避免为使用新频谱所造成的技术上和行政上的麻烦。
FCC曾经尝试过共享频谱,但是CBRS可能是第一个能够胜任技术和行业要求的突破性发展。以前在模拟转数字时代的尝试,比如“TV white spaces”技术,彻彻底底地失败了,仅仅剩下几个在600MHz的小系统仍在运行。但是曾经的失败并不能说明频谱共享是死路一条,相反,它是一个有突出贡献的技术,而且CBRS也使用的了与其相同的基本数据库驱动方法。
三、关键技术-SAS
基于所有CBRS设备的云数据库,包括其层级、识别信息、位置和其他数据,SAS进行用户管理和频谱共享,并调整通道分配并防止干扰(图2)。SAS为CBRS设备分配通道,并确定其在每个位置的最大功率,从而确保不过载。它还对设备进行注册和认证,与其进行通信,解决频段冲突,接收和处理干扰报告,并对现有(第1级)用户提供额外的干扰保护。

图2:SAS运行的机制。现有的检测是通过传感器系统实现的,这种传感器被称为邻近Tier-1层安装的ESC(环境感测能力)传感器。CBSD(公民宽带无线电服务设备)都是在网络上运行的设备

为了保护一级用户,比如雷达,卫星和一些高级应用,将在这些传输设备其附近部署传感器,以检测其它频率的活动。当干扰发生时,传感器会通知SAS,命令潜在的干扰设备改变通道(图3)。PAL牌照把150MHz频谱中的100MHz(3550-3650MHz)进行拍卖。每个许可人在一个单一的“普查区”中获得10MHz频道,牌照有效期三年,每个地区的PAL持有量不得超过七张。GAA用户可以免费使用未分配给高优先级用户的全部150MHz频谱的任何部分。

图3:SAS解决了所有的问题,它从ESC接收干扰检测报告,并命令使用CBSD的设备更改信道。有室内使用的CBSD(小型电池,A类)和室外使用的、允许更高射频输出电平的CBSD(基站,B类)。(资料来源:CBRS联盟)

census tract是人口普查时使用的一个地理单位,一般指的是1200-8000人所占有的地理面积。由于每个census tract最多可以分配七张PAL,而PAL总量有七万多张,因此PAL牌照需合理分配。PAL许可证持有者在任何census tract中有70MHz的使用权,剩余的80MHz分配给GAA用户。
四、CBRS的潜在应用领域
很多领域都很适合使用CBRS,并且可能有更大的潜能待挖掘。最引人关注的一点是私人LTE网络的构建。这在以前需要有背景的组织机构投入大量资金才能实现。Wi-Fi是目前用于创建专用网络的唯一技术。它的规则相对自由,设备容易获取,花费低,易开发。但是,与商业LTE无线网络相比,它也具有明显的缺点。
例如,在工业、科学领域、医疗领域应用的Wi-Fi的频率是无牌照的2.45-5GHz,此外还有许多技术,比如蓝牙或其它低功率的通讯技术。即使每个用户都有一种机制来防止其与其他人的干扰,很多人一起使用时干扰几乎是不可避免的。Wi-Fi也从未打算在多个小范围内使用,而且它的核心也没有中继功能。与标准蜂窝网络相比,Wi-Fi的频谱利用率更低,需要几倍的基站(Wi-Fi接入点)数目以覆盖给定的区域。
相比较而言,CBRS允许大型公司在员工移动设备上的自定义应用程序,创建一个安全的专用LTE网络而不是Wi-Fi来运行企业级或站点特定的应用程序。矿业公司也可以利用同样的技术来管理一个大的地区的员工。CBRS还可用于通过具有特定定制功能的私有网络(比如增强的安全设计)为各种设施提供建筑内全覆盖。简言之,CBRS让私有LTE组网变得可行,不依赖无线运行商,价格低廉,低复杂度。有需求的网络所有者还可以购买FCC认证的设备,注册设备,并选择SAS供应商配置网络。
对于无线运营商而言,CBRS无需执行类似Wi-Fi共享频段的复杂操作的前提下扩展容量,并且其10MHz信道可以使用CA(载波聚合)来提高数据速率。他们也可以使用无许可的GAA频率来传输信号和数据流量。在这两种情况下,基于LTE解决方案提供的网络质量都应优于Wi-Fi。由于有线电视运营商拥有少量频谱,CBRS也可能通过部署LTE网络成为移动虚拟网络运营商(MVNO),从而进军无线行业。

CBRS还可以重新定义分布式天线系统(DAS)的构建以及它的所有方式。DAS在技术和管理上是困难且昂贵的,通常超出设施经理或其他企业的平均承受范围。CBRS技术使得这一应用在一些如音乐厅,体育场馆,主题公园,商场,酒店及会议中心等场所变得可行。相对于运行商,这一点可能对实体DAS运行商吸引更大。在这种情况下,中立主机可以拥有多个私有网络,聚合其流量,并通过传统运营商向外发送到互联网。

作为无线运营商和低功耗广域网(LPWAN)运营商的竞争对手,私有LTE网络也可作为物联网连接解决方案,将聚合的数据从“外部世界”的“边缘”中提取出来。随着物联网设备网络的构建,来自许多无线功能的传感器的数据在网关上聚合,然后通过LPWAN或蜂窝网络向外发送到云数据服务器,然后发送给接收者(例如公司控制中心)。

此外,如果GAA型用户在传感器所在的小区域构建了小型单元,那么CBRS将成为一个私人的、利用未经批准频谱的网络,该方法具有低成本竞争力并提供高级别的安全性。这些只是CBRS可以使用的几个可能场景,更多的应用肯定会很快出现。
五、这种方法是否真的有效?
由于这是CBRS的早期阶段,并且存在潜在金钱诱惑,因此我们必然需要面对和克服许多挑战。正如前文所述,支持CBRS的LTE调制解调器很少。高通公司的Snapdragon X20千兆位LTE调制解调器是第一款,Federated Wireless的频谱控制器也在同一时间推出。然而,发展过程需要很多的组件,比如诺基亚的无线广播设备,还有其它厂商的组件。
CBRS的全方面测试开始于2016年下半年。诺基亚、高通、Alphabet(谷歌重组后的公司)决定在1月份的拉斯维加斯汽车赛道上利用CBRS在高速行驶的赛车上传输360°4K视频。该视频是使用YouTube Live Events实时流式传输的。在8月,Verizon(威瑞森电信,美国最大的本地电话公司、最大的无线通信公司)、爱立信、高通、Federated Wireless首次展示了LTE高级运营商聚合方案中CBRS的应用场景。
Alphabet公司的Access团队多年来一直参与CBRS,作为标准制定过程的参与者,他们今年早些时候成立了Trusted Tester公民宽带无线电服务设备程序以允许合格的组织进行自助服务测试,确保他们的基站设备与Access创建的SAS能够兼容。
市场不缺乏热情,此外,由爱立信,Federated Wireless,英特尔,诺基亚,高通,以及Ruckus Wireless等创建的CBRS联盟目前拥有70多个成员,其中包括美国四大无线运营商。除了成为伞形公司(谷歌Alphabet旗下子公司)CBRS的簇拥者外,联盟还将在美国建立产品认证计划,以确保多厂商的产品符合FCC认证规则,并相互具有兼容性。
未来,什么值得期待?
CBRS正在迅速推进,并将在2018年初进行部署。据悉,Lemko公司已经开发出一种完整的解决方案,用于创建一个与Wi-Fi一样易于构建的LTE专用网络。CBRS在9月份的移动世界大会美洲公司受到各类芯片组厂商(如小型组网、特殊应用、展示应用)的广泛关注。至少在2018年推出的一些智能手机以及小型组网设备和其他系统组件会支持CBRS,其主要供应商也会提供支持CBRS的芯片。设备将来也很有可能支持Voice Over LTE(VoLTE),进一步挖掘CBRS的潜力。
虽然多种展示和实验已经开展,但决定CBRS成功或失败的关键仍然是SAS是否能成功运行。如果成功,无线环境将会发生巨大变化,而且更好。除四大无线运营商以外,更多的公司将有更多机会提供私有网络和其他功能。
作者:Barry Manz 贸泽电子
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