下一代企业无线技术前瞻——CBRS

网络 通信技术
无线频谱的短缺一直是世界各国的难题,其珍贵性就像矿石中的钻石。作为全球技术的领导者,美国在这方面肯定会有所行动。经过多年努力,美国联邦通信委员会(FCC)终于展示了其国家宽带计划——公民宽带无线电服务(CBRS)。

无线频谱的短缺一直是世界各国的难题,其珍贵性就像矿石中的钻石。作为全球技术的领导者,美国在这方面肯定会有所行动。经过多年努力,美国联邦通信委员会(FCC)终于展示了其国家宽带计划——公民宽带无线电服务(CBRS)。它并没有像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。

初见CBRS

CBRS,Citizens Broadband Radio Services,公民宽带无线电服务,单纯从名字上,让我们感受到该项服务似乎更接近于普通群众。CBRS说白了就是包含3550MHz到3700MHz这一段频谱,一共150MHz资源,并通过一个三层结构进行管理。由于该频谱是未经授权的(也就是免费的),所以各大企业都在瞄准这段频谱。

如下图所示CBRS在48频段上,通常被称为专用LTE。LTE技术能够支持两种通信模式:FDD(频分双工)和TDD(时分双工)。

FDD指传输数据时需要两个独立的信道,一个信道用来向下传送信息,另一个信道用来向上传送信息。TDD的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的,彼此之间采用一定的保证时间予以分离。这两种模式在实质是相同的,相似度达到90%。只是在物理层对信道的利用方式有所不同。

敲黑板!划重点

  • 它是“频段”,而不是技术(频段48)。只要符合共享规定,任何技术(例如,理论上为LTE,5G甚至非3GPP技术)都可以在此频段内使用
  • 当前的CBRS频谱是3550 MHz – 3700 MHz
  • CBRS中的“公民”一词表示普通企业使用的重要性(用户对象不仅对于运营商而言)
  • 这是TDD(时分双工)频段,这意味着它使用相同的频段进行发送和接收
  • 旨在刺激连接和应用程序方面的创新(远远超过Wi-Fi)
  • 这是一个“共享”频段,这意味着它不像运营商购买的频段那样完全专用,也不是没有有效管理该频段的Wi-Fi频段的无执照。由于是共享,因此该频段旨在协调注册方之间的使用,同时优化宝贵频谱资源的使用。

既是共享,又该如何管理?

上文中提过CBRS的频谱是未经授权的,也就是说使用的对象可以包括很多人。为了用户之间互不干扰,CBRS还需要一个管理频谱使用的系统即频谱访问系统(SAS)。

CBRS频段来自两个LTE频段,分别是42个频段(从3550到3660 MHz)和43个频段(从3660到3700 MHz)。频带42和43的整个频谱现在属于CBRS,也被称为频带48。这个频段非常适合需要超高资源的服务,它可能是未来5G频谱的重要补充。

CBRS频谱共享规则共分成三层,以支持公众的无线接入,同时也为了保护现有用户免受干扰。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。

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。

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(如下图)。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。

 

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(如下图)。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。

该图中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)

CBRS用武之地:部署私有网络

在5G正式商用之前,Wi-Fi是用于创建私有网络的常用技术。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。

而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。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,由于CBRS的特殊属性(频谱是非授权的)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。

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。

科技巨头瞄准CBRS

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,最后发送给接收者(例如公司控制中心)。

 

IIoT设备如何与私有LTE CBRS技术互连

 

此外,虽然CBRS频谱的开放对建设私网提供了很大的便利,但作为CBRS网络的主要推动者的Federated Wireless首席执行官Iyad Tarazi表示,对于大多数企业来说,启用CBRS一直很困难。经常有客户打电话问他建设私有网络的可能性。而他们会反过来问客户:对频谱基础知识有多少了解,演进分组核心的作用又是什么,以及使其专用网络启动和运行所需的一切,这些让客户都很无语。

现在用户都在寻求一种“简单连接解决方案”,该解决方案可能用于支持物联网应用程序:例如连接高清安全摄像机或数字标牌,或者为工厂的机器人技术提供专用网络。

Federated Wireless目标是通过使其新的基于CBRS的端到端托管服务可通过Amazon Web Services和Microsoft Azure Marketplace 获得,从而使企业更容易采用利用公民宽带无线电服务频谱的专用网络。就AWS而言,客户可以采用4G / 5G专用网络,只需一键配置并与通过AWS Partner Network提供的IoT应用程序集成。微软Azure网络业务副总裁Yousef Khalidi表示,Federated的连接即服务与Azure的云交付的结合“为企业提供了所需的灵活性和规模,可以将任何应用程序部署到各种环境中。

不仅CBRS的领头羊Federated Wireless看到了CBRS为创建私网带来了曙光,Inseego正在测试其产品如何与康普(CommScope)的产品一起工作,并着眼于将两者组合在一起,以将其出售给想要构建自己的专用无线LTE网络的企业。Inseego构建了各种便携式热点,蜂窝调制解调器和网关,包括公司FCC文件中命名的用于工业物联网应用的Skyus 300路由器。同时,康普(CommScope)制造各种无线网络设备,包括用于3.5GHz CBRS频段的设备。

Federated Wireless、Inseego、CommScope等科技巨头瞄准专用无线LTE网络市场并不足为奇。正如相关专家所言,有三个因素共同作用,使CBRS专网业务机会日益明朗。广泛的服务提供商和设备供应商已经将专用无线作为蜂窝市场的主要增长领域之一。企业可获得大量CBRS频谱容量的价值,他们可以以较低的门槛(省了频谱的钱)进行访问;由云合作伙伴等公司开发的“对物联网解决方案的巨额投资”;AWS和Azure等科技公司带来的的自动化力量,从基于云的自动化工具,到企业需要高度确定性的专用内部网络都促进了的CBRS在专网领域的发展。

如何使用CBRS实现私有LTE网络?

要设置CBRS专用LTE,需要三个基本元素:基站(BS)或无线网关、EPC(演进的分组核心)、CBRS设备或CPE(客户内部设备)。

基站(BS)或无线网关

用于CBRS的LTE BS通常带有载波聚合和多个高级功能。为了使用频带48 CBRS,请求服务的设备必须由频谱分配系统(SAS)授权,该系统可以嵌入BS中,也可以用作云服务。

SAS与数据库一起存储许可证和访问信息。它的重要任务是分析RF频谱和信道,以免干扰在位设备或PAL。采用这种方法,传统的信道干扰问题就消除了。如果有可用的RF频谱,SAS将分配给最终用户使用。

下图是Lanner的PGN600 LTE模块,该模块增加了对私有(LTE CBRS频段48)和面向公共安全的频率的全面支持。

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EPC(演进分组核心)

演进型分组核心(EPC)是用于在4G(LTE)网络上提供融合语音和数据的框架。

2G和3G网络体系结构通过两个单独的子域来处理和交换语音和数据:语音的电路交换(CS)和数据的分组交换(PS)。演进的分组核心将语音和数据统一在Internet协议(IP)服务体系结构上,并且语音仅被视为另一个IP应用程序。这种安排可以让运营商为2G、3G、WLAN、WiMAX、LTE和固定接入(以太网,DSL,电缆和光纤)部署和运营一个分组网络。

EPC是LTE网络的主要控制器和中央大脑,通常在企业或ISP的NOC中运行.EPC通常部署在本地,但是未来可以看到EPC的混合部署和云部署。

专用LTE-EPC负责:

  • 保存用户数据库。
  • 执行策略
  • 分配IP地址
  • 管理移动性和跟踪
  • 提供到PDN(公共数据网络)的网关。

CBRS设备或CPE(客户内部设备)

此设备提供到LTE基站的无线电连接,并且必须支持LTE频段48。这是为最终用户提供接口的用户设备。CPE可以是任何东西,并且随着物联网的兴起,我们也会看到支持CBRS的传感器。

专用LTE是面向未来的,尽管CBRS的优势很明显,但网络的设计和部署必须针对每个业务进行定制。因此可以说私有LTE和Wi-Fi是互补的,企业要充份有效地利用每种技术的能力。

CBRS的研究进展

由于现在是CBRS的早期阶段,并且存在潜在金钱诱惑,因此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。2017年诺基亚、高通、Alphabet(谷歌重组后的公司)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。同年8月,Verizon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。

2019年9月,美国联邦通信委员会(FCC)的无线电信局(WTB)和工程技术办公室(OET)发布了公告,称由Google、Federated Wireless、康普,Amdocs和索尼运营的频谱接入系统(SAS)已通过委员会的SAS实验室测试要求,并获得CBRS的初步商业部署(ICD)的批准。

2020年2月,商业化和采用的行业组织CBRS联盟宣布完成支持5G New Radio(5G NR)特定OnGo配置的规范。FCC于2020年1月授权在CBRS频段进行全面商业部署,并且随着CBRS联盟第3版解决方案支持使用3.5 GHz共享频谱的5G部署,OnGo服务和解决方案市场正在迅速扩展。

电缆公司Midco计划使用3.5GHz技术扩展其当前的有线覆盖范围。他们已经使用SAS测试3.5GHz。

一些最终用户CPE已经支持该技术。像三星Galaxy S10, iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max这样的智能手机已经支持CBRS Band 48。

开放3.5 GHz公民宽带无线电服务频段的监管和技术道路很长,有时甚至难以驾驭。但有许多明确的策略可以使CBRS发挥作用。对于运营商而言,其中主要的功能是在RAN和设备上使用高级载波聚合功能,以使用3.5 GHz来增强现有网络容量并改善网络体验。

对于寻求扩大移动服务范围并减少对第1级运营商MVNO的依赖有线电视公司,这是另一个机遇。CBRS开辟了提供固定无线访问的新途径,可以作为WISP(无线局域网运营商)等新进入者的发射台。同时运营商还有机会解决大型公共场所的室内覆盖问题,或者向制造等企业出售专用网络类型的服务。当然这只是冰山一角,很多人最初将3.5 GHz称为“创新频段”,并期望随着CBRS的商业化而进行重大创新。

 

责任编辑:未丽燕 来源: SDNLAB
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