CBRS——无线领域的下一代领军技术

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