公民寬帶無線電服務(wù)（CBRS）緩解無線頻譜的短缺

經(jīng)過多年努力，聯(lián)邦通信委員會（FCC）終于展示了其國家寬帶計劃——公民寬帶無線電服務(wù)（CBRS）。它沒有像5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)那樣受到重視，但其影響力仍不容小覷。如果CBRS運行成功，它將緩解無線頻譜的短缺。

CBRS的頻譜與載波LTE、3550到3700MHz的150MHz帶寬的連續(xù)頻譜共享一個三層的結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。不要覺得150MHz太小，想一想，全部無線載波加起來不過130MHz。三層設(shè)計意味著現(xiàn)有的一級服務(wù)（例如美國海軍雷達和固定衛(wèi)星地球站）優(yōu)先于其他兩個類別，優(yōu)先級由高到低依次是優(yōu)先訪問許可證（PAL）用戶和一般授權(quán)訪問（GAA）用戶。

圖1：三層結(jié)構(gòu)使低層用戶、持有PAL許可證者的GAA用戶不會影響Tier-1的使用者。

現(xiàn)有的軍用雷達和衛(wèi)星地面站都會受到保護，以避免來自下兩層的干擾。同樣，PAL許可證持有者也受到保護，以避免來自底層GAA用戶的干擾。整個系統(tǒng)由頻譜訪問系統(tǒng)（SAS）進行管理，SAS將在后面進行討論。

CBRS為何關(guān)鍵

CBRS在多種市場和應(yīng)用場景具有優(yōu)勢，因此它很重要。

其主要優(yōu)勢是：

? 使私有LTE無線網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)濟和技術(shù)上變得可行，并且其性能明顯優(yōu)于目前用于此目的的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。

? 頻譜可用于多種用途，且不增加成本。

? 使用最先進的SAS，傳輸之前，不需要先對頻譜進行掃描。

? 允許無線運營商增加覆蓋面積和容量，能夠以許可或無許可或兩者兼而有之的方式提升數(shù)據(jù)速率。

? 為“遠距離級別傳輸”提供替代方案，此前這一級別的傳輸幾乎完全由低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的無線中繼和運營商提供。

? 改變分布式天線系統(tǒng)（DAS）由中立主機控制和操作的方式。

? 使用現(xiàn)有技術(shù)：CBRS技術(shù)可以主要應(yīng)用于LTE（特別是TDD-LTE），但是它也可以應(yīng)用于其它技術(shù)，甚至Wi-Fi技術(shù)，只要它們在“數(shù)字化”方面兼容FCC的規(guī)定即可。

頻譜共享的坎坷之路

無線通信中的頻譜資源稀缺已經(jīng)不是秘密了，它們要么被拍賣，要么被美國政府霸占，要么被阻塞了。因此，政府和通信行業(yè)正在想盡一切辦法尋找解決方案，其中一種就是允許同一頻率中同時運行兩種通信服務(wù)，并且保證二者的信道安全且互不干擾。

蜂窩通信產(chǎn)業(yè)也在采用載波聚合（CA）技術(shù)。CA技術(shù)結(jié)合了兩個或更多個小頻譜，以產(chǎn)生更大的頻譜，從而實現(xiàn)更高的傳輸速率和數(shù)據(jù)容量。除CA之外，最新的針對LTE技術(shù)的升級比前幾代升級更為有效，可以滿足更多的流量需求。然而，兩者都僅僅解決了難題中的一小部分。

值得一提的是，美國全部電磁頻譜中接近60%的頻譜，從DC到光譜，還有從300MHz到3GHz中超過半數(shù)的頻譜（帶寬1500MHz以上，這一頻段是很適合通信使用的頻段）都是聯(lián)邦政府所有的。這些頻譜是很少被使用甚至是從未被使用的，從邏輯上來說，政府理應(yīng)讓出部分使用權(quán)。但是歷史上政府從未批準類似申請。政府部門，特別是國防部，意識到電磁頻譜是一種被商業(yè)用戶所垂涎的有限資源，也是一種值得爭取的寶貴商品。

理想情況下，頻譜共享可在不遷移服務(wù)站的情況下使得信道擁有更多的容量，可以避免為使用新頻譜所造成的技術(shù)上和行政上的麻煩。

FCC曾經(jīng)嘗試過共享頻譜，但是CBRS可能是第一個能夠勝任技術(shù)和行業(yè)要求的突破性發(fā)展。以前在模擬轉(zhuǎn)數(shù)字時代的嘗試，比如“TV white spaces”技術(shù)，徹徹底底地失敗了，僅僅剩下幾個在600MHz的小系統(tǒng)仍在運行。但是曾經(jīng)的失敗并不能說明頻譜共享是死路一條，相反，它是一個有突出貢獻的技術(shù)，而且CBRS也使用的了與其相同的基本數(shù)據(jù)庫驅(qū)動方法。

關(guān)鍵技術(shù)-SAS

基于所有CBRS設(shè)備的云數(shù)據(jù)庫，包括其層級、識別信息、位置和其他數(shù)據(jù)，SAS進行用戶管理和頻譜共享，并調(diào)整通道分配并防止干擾（圖2）。SAS為CBRS設(shè)備分配通道，并確定其在每個位置的最大功率，從而確保不過載。它還對設(shè)備進行注冊和認證，與其進行通信，解決頻段沖突，接收和處理干擾報告，并對現(xiàn)有（第1級）用戶提供額外的干擾保護。

圖2：SAS運行的機制。現(xiàn)有的檢測是通過傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)的，這種傳感器被稱為鄰近Tier-1層安裝的ESC（環(huán)境感測能力）傳感器。CBSD（公民寬帶無線電服務(wù)設(shè)備）都是在網(wǎng)絡(luò)上運行的設(shè)備。（資料來源：Wirelessinnovation.org）

為了保護一級用戶，比如雷達，衛(wèi)星和一些高級應(yīng)用，將在這些傳輸設(shè)備其附近部署傳感器，以檢測其它頻率的活動。當干擾發(fā)生時，傳感器會通知SAS，命令潛在的干擾設(shè)備改變通道（圖3）。PAL牌照把150MHz頻譜中的100MHz（3550-3650MHz）進行拍賣。每個許可人在一個單一的“普查區(qū)”中獲得10MHz頻道，牌照有效期三年，每個地區(qū)的PAL持有量不得超過七張。GAA用戶可以免費使用未分配給高優(yōu)先級用戶的全部150MHz頻譜的任何部分。

圖3：SAS解決了所有的問題，它從ESC接收干擾檢測報告，并命令使用CBSD的設(shè)備更改信道。有室內(nèi)使用的CBSD（小型電池，A類）和室外使用的、允許更高射頻輸出電平的CBSD（基站，B類）。（資料來源：CBRS聯(lián)盟）

census tract是人口普查時使用的一個地理單位，一般指的是1200-8000人所占有的地理面積。由于每個census tract最多可以分配七張PAL，而PAL總量有七萬多張，因此PAL牌照需合理分配。PAL許可證持有者在任何census tract中有70MHz的使用權(quán)，剩余的80MHz分配給GAA用戶。

CBRS的潛在應(yīng)用領(lǐng)域

很多領(lǐng)域都很適合使用CBRS，并且可能有更大的潛能待挖掘。最引人關(guān)注的一點是私人LTE網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。這在以前需要有背景的組織機構(gòu)投入大量資金才能實現(xiàn)。Wi-Fi是目前用于創(chuàng)建專用網(wǎng)絡(luò)的唯一技術(shù)。它的規(guī)則相對自由，設(shè)備容易獲取，花費低，易開發(fā)。但是，與商業(yè)LTE無線網(wǎng)絡(luò)相比，它也具有明顯的缺點。

例如，在工業(yè)、科學領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的Wi-Fi的頻率是無牌照的2.45-5GHz，此外還有許多技術(shù)，比如藍牙或其它低功率的通訊技術(shù)。即使每個用戶都有一種機制來防止其與其他人的干擾，很多人一起使用時干擾幾乎是不可避免的。Wi-Fi也從未打算在多個小范圍內(nèi)使用，而且它的核心也沒有中繼功能。與標準蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，Wi-Fi的頻譜利用率更低，需要幾倍的基站（Wi-Fi接入點）數(shù)目以覆蓋給定的區(qū)域。

相比較而言，CBRS允許大型公司在員工移動設(shè)備上的自定義應(yīng)用程序，創(chuàng)建一個安全的專用LTE網(wǎng)絡(luò)而不是Wi-Fi來運行企業(yè)級或站點特定的應(yīng)用程序。礦業(yè)公司也可以利用同樣的技術(shù)來管理一個大的地區(qū)的員工。CBRS還可用于通過具有特定定制功能的私有網(wǎng)絡(luò)（比如增強的安全設(shè)計）為各種設(shè)施提供建筑內(nèi)全覆蓋。簡言之，CBRS讓私有LTE組網(wǎng)變得可行，不依賴無線運行商，價格低廉，低復(fù)雜度。有需求的網(wǎng)絡(luò)所有者還可以購買FCC認證的設(shè)備，注冊設(shè)備，并選擇SAS供應(yīng)商配置網(wǎng)絡(luò)。

對于無線運營商而言，CBRS無需執(zhí)行類似Wi-Fi共享頻段的復(fù)雜操作的前提下擴展容量，并且其10MHz信道可以使用CA（載波聚合）來提高數(shù)據(jù)速率。他們也可以使用無許可的GAA頻率來傳輸信號和數(shù)據(jù)流量。在這兩種情況下，基于LTE解決方案提供的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量都應(yīng)優(yōu)于Wi-Fi。由于有線電視運營商擁有少量頻譜，CBRS也可能通過部署LTE網(wǎng)絡(luò)成為移動虛擬網(wǎng)絡(luò)運營商（MVNO），從而進軍無線行業(yè)。

CBRS還可以重新定義分布式天線系統(tǒng)（DAS）的構(gòu)建以及它的所有方式。DAS在技術(shù)和管理上是困難且昂貴的，通常超出設(shè)施經(jīng)理或其他企業(yè)的平均承受范圍。CBRS技術(shù)使得這一應(yīng)用在一些如音樂廳，體育場館，主題公園，商場，酒店及會議中心等場所變得可行。相對于運行商，這一點可能對實體DAS運行商吸引更大。在這種情況下，中立主機可以擁有多個私有網(wǎng)絡(luò)，聚合其流量，并通過傳統(tǒng)運營商向外發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。

作為無線運營商和低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）運營商的競爭對手，私有LTE網(wǎng)絡(luò)也可作為物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案，將聚合的數(shù)據(jù)從“外部世界”的“邊緣”中提取出來。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，來自許多無線功能的傳感器的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)上聚合，然后通過LPWAN或蜂窩網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送到云數(shù)據(jù)服務(wù)器，然后發(fā)送給接收者（例如公司控制中心）。

此外，如果GAA型用戶在傳感器所在的小區(qū)域構(gòu)建了小型單元，那么CBRS將成為一個私人的、利用未經(jīng)批準頻譜的網(wǎng)絡(luò)，該方法具有低成本競爭力并提供高級別的安全性。這些只是CBRS可以使用的幾個可能場景，更多的應(yīng)用肯定會很快出現(xiàn)。

這種方法是否真的有效？

由于這是CBRS的早期階段，并且存在潛在金錢誘惑，因此我們必然需要面對和克服許多挑戰(zhàn)。正如前文所述，支持CBRS的LTE調(diào)制解調(diào)器很少。高通公司的Snapdragon X20千兆位LTE調(diào)制解調(diào)器是第一款，F(xiàn)ederated Wireless的頻譜控制器也在同一時間推出。然而，發(fā)展過程需要很多的組件，比如諾基亞的無線廣播設(shè)備，還有其它廠商的組件。

CBRS的全方面測試開始于2016年下半年。諾基亞、高通、Alphabet（谷歌重組后的公司）決定在1月份的拉斯維加斯汽車賽道上利用CBRS在高速行駛的賽車上傳輸360°4K視頻。該視頻是使用YouTube Live Events實時流式傳輸?shù)?。?月，Verizon（威瑞森電信，美國最大的本地電話公司、最大的無線通信公司）、愛立信、高通、Federated Wireless首次展示了LTE高級運營商聚合方案中CBRS的應(yīng)用場景。

Alphabet公司的Access團隊多年來一直參與CBRS，作為標準制定過程的參與者，他們今年早些時候成立了Trusted Tester公民寬帶無線電服務(wù)設(shè)備程序以允許合格的組織進行自助服務(wù)測試，確保他們的基站設(shè)備與Access創(chuàng)建的SAS能夠兼容。

市場不缺乏熱情，此外，由愛立信，F(xiàn)ederated Wireless，英特爾，諾基亞，高通，以及Ruckus Wireless等創(chuàng)建的CBRS聯(lián)盟目前擁有70多個成員，其中包括美國四大無線運營商。除了成為傘形公司（谷歌Alphabet旗下子公司）CBRS的簇擁者外，聯(lián)盟還將在美國建立產(chǎn)品認證計劃，以確保多廠商的產(chǎn)品符合FCC認證規(guī)則，并相互具有兼容性。

未來，什么值得期待？

CBRS正在迅速推進，并將在2018年初進行部署。據(jù)悉，Lemko公司已經(jīng)開發(fā)出一種完整的解決方案，用于創(chuàng)建一個與Wi-Fi一樣易于構(gòu)建的LTE專用網(wǎng)絡(luò)。CBRS在9月份的移動世界大會美洲公司受到各類芯片組廠商（如小型組網(wǎng)、特殊應(yīng)用、展示應(yīng)用）的廣泛關(guān)注。至少在2018年推出的一些智能手機以及小型組網(wǎng)設(shè)備和其他系統(tǒng)組件會支持CBRS，其主要供應(yīng)商也會提供支持CBRS的芯片。設(shè)備將來也很有可能支持Voice Over LTE（VoLTE），進一步挖掘CBRS的潛力。

雖然多種展示和實驗已經(jīng)開展，但決定CBRS成功或失敗的關(guān)鍵仍然是SAS是否能成功運行。如果成功，無線環(huán)境將會發(fā)生巨大變化，而且更好。除四大無線運營商以外，更多的公司將有更多機會提供私有網(wǎng)絡(luò)和其他功能。