下一代企業無線技術前瞻——CBRS

• 2020 年 4 月 7 日
• 筆記

無線頻譜的短缺一直是世界各國的難題，其珍貴性就像礦石中的鑽石。作為全球技術的領導者，美國在這方面肯定會有所行動。經過多年努力，美國聯邦通訊委員會（FCC）終於展示了其國家寬頻計劃——公民寬頻無線電服務（CBRS）。它並沒有像5G技術和物聯網那樣受到重視，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。

初見CBRS

CBRS，Citizens Broadband Radio Services，公民寬頻無線電服務，單純從名字上，讓我們感受到該項服務似乎更接近於普通群眾。CBRS說白了就是包含3550MHz到3700MHz這一段頻譜，一共150MHz資源，並通過一個三層結構進行管理。由於該頻譜是未經授權的（也就是免費的），所以各大企業都在瞄準這段頻譜。

如下圖所示CBRS在48頻段上，通常被稱為專用LTE。LTE技術能夠支援兩種通訊模式：FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）。

FDD指傳輸數據時需要兩個獨立的信道，一個信道用來向下傳送資訊，另一個信道用來向上傳送資訊。TDD的發射和接收訊號是在同一頻率信道的不同時隙中進行的，彼此之間採用一定的保證時間予以分離。這兩種模式在實質是相同的，相似度達到90%。只是在物理層對信道的利用方式有所不同。

敲黑板！劃重點

• 它是「頻段」，而不是技術（頻段48）。只要符合共享規定，任何技術（例如，理論上為LTE，5G甚至非3GPP技術）都可以在此頻段內使用
• 當前的CBRS頻譜是3550 MHz – 3700 MHz
• CBRS中的「公民」一詞表示普通企業使用的重要性（用戶對象不僅對於運營商而言）
• 這是TDD（時分雙工）頻段，這意味著它使用相同的頻段進行發送和接收
• 旨在刺激連接和應用程式方面的創新（遠遠超過Wi-Fi）
• 這是一個「共享」頻段，這意味著它不像運營商購買的頻段那樣完全專用，也不是沒有有效管理該頻段的Wi-Fi頻段的無執照。由於是共享，因此該頻段旨在協調註冊方之間的使用，同時優化寶貴頻譜資源的使用。

既是共享，又該如何管理？

上文中提過CBRS的頻譜是未經授權的，也就是說使用的對象可以包括很多人。為了用戶之間互不干擾，CBRS還需要一個管理頻譜使用的系統即頻譜訪問系統（SAS）。

CBRS頻段來自兩個LTE頻段，分別是42個頻段（從3550到3660 MHz）和43個頻段（從3660到3700 MHz）。頻帶42和43的整個頻譜現在屬於CBRS，也被稱為頻帶48。這個頻段非常適合需要超高資源的服務，它可能是未來5G頻譜的重要補充。

CBRS頻譜共享規則共分成三層，以支援公眾的無線接入，同時也為了保護現有用戶免受干擾。三層設計意味著現有的一級服務（例如美國海軍雷達和固定衛星地球站）優先於其他兩個類別，優先順序由高到低依次是優先訪問許可證（PAL）用戶和一般授權訪問（GAA）用戶。

現有的軍用雷達和衛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。整個系統由頻譜訪問系統（SAS）進行管理。

基於所有CBRS設備的雲資料庫，包括其層級、識別資訊、位置和其他數據，SAS進行用戶管理和頻譜共享，並調整通道分配並防止干擾（如下圖）。SAS為CBRS設備分配通道，並確定其在每個位置的最大功率，從而確保不過載。它還對設備進行註冊和認證，與其進行通訊，解決頻段衝突，接收和處理干擾報告，並對現有（第1級）用戶提供額外的干擾保護。

SAS運行的機制

現有的檢測是通過感測器系統實現的，這種感測器被稱為鄰近Tier-1層安裝的ESC（環境感測能力）感測器。CBSD（公民寬頻無線電服務設備）都是在網路上運行的設備。

為了保護一級用戶，比如雷達、衛星和一些高級應用，將在這些傳輸設備其附近部署感測器，以檢測其它頻率的活動。當干擾發生時，感測器會通知SAS，命令潛在的干擾設備改變通道（如下圖）。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」中獲得10MHz頻道，牌照有效期三年，每個地區的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先順序用戶的全部150MHz頻譜的任何部分。

該圖中SAS解決了所有的問題，它從ESC接收干擾檢測報告，並命令使用CBSD的設備更改信道。有室內使用的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（基地台，B類）。（資料來源：CBRS聯盟）

CBRS用武之地：部署私有網路

在5G正式商用之前，Wi-Fi是用於創建私有網路的常用技術。它的規則相對自由，設備容易獲取，花費低，易開發。但是，與商業LTE無線網路相比，它也具有明顯的缺點。例如，在工業、科學領域、醫療領域應用的Wi-Fi的頻率是無牌照的2.45-5GHz，此外還有許多技術，比如藍牙或其它低功率的通訊技術。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範圍內使用，而且它的核心也沒有中繼功能。與標準蜂窩網路相比，Wi-Fi的頻譜利用率更低，需要幾倍的基地台（Wi-Fi接入點）數目以覆蓋給定的區域。

而CBRS允許大型公司在員工移動設備上的自定義應用程式，創建一個安全的專用LTE網路而不是Wi-Fi來運行企業級或站點特定的應用程式。CBRS還可用於通過具有特定訂製功能的私有網路（比如增強的安全設計）為各種設施提供建築內全覆蓋。簡言之，由於CBRS的特殊屬性（頻譜是非授權的）讓私有LTE組網變得可行，不依賴無線運行商，價格低廉，低複雜度。有需求的網路所有者還可以購買FCC認證的設備，註冊設備，並選擇SAS供應商配置網路。

CBRS還可以重新定義分散式天線系統（DAS）的構建以及它的所有方式。DAS在技術和管理上是困難且昂貴的，通常超出設施經理或其他企業的平均承受範圍。CBRS技術使得這一應用在一些如音樂廳，體育場館，主題公園，商場，酒店及會議中心等場所變得可行。相對於運行商，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路，聚合其流量，並通過傳統運營商向外發送到互聯網。

科技巨頭瞄準CBRS

作為無線運營商和低功耗廣域網（LPWAN）運營商的競爭對手，私有LTE網路也可作為物聯網連接解決方案，將聚合的數據從「外部世界」的「邊緣」中提取出來。隨著物聯網設備網路的構建，來自許多無線功能的感測器的數據在網關上聚合，然後通過LPWAN或蜂窩網路向外發送到雲數據伺服器，最後發送給接收者（例如公司控制中心）。

IIoT設備如何與私有LTE CBRS技術互連

此外，雖然CBRS頻譜的開放對建設私網提供了很大的便利，但作為CBRS網路的主要推動者的Federated Wireless首席執行官Iyad Tarazi表示，對於大多數企業來說，啟用CBRS一直很困難。經常有客戶打電話問他建設私有網路的可能性。而他們會反過來問客戶：對頻譜基礎知識有多少了解，演進分組核心的作用又是什麼，以及使其專用網路啟動和運行所需的一切，這些讓客戶都很無語。

現在用戶都在尋求一種「簡單連接解決方案」，該解決方案可能用於支援物聯網應用程式：例如連接高清安全攝像機或數字標牌，或者為工廠的機器人技術提供專用網路。

Federated Wireless目標是通過使其新的基於CBRS的端到端託管服務可通過Amazon Web Services和Microsoft Azure Marketplace 獲得，從而使企業更容易採用利用公民寬頻無線電服務頻譜的專用網路。就AWS而言，客戶可以採用4G / 5G專用網路，只需一鍵配置並與通過AWS Partner Network提供的IoT應用程式集成。微軟Azure網路業務副總裁Yousef Khalidi表示，Federated的連接即服務與Azure的雲交付的結合「為企業提供了所需的靈活性和規模，可以將任何應用程式部署到各種環境中。

不僅CBRS的領頭羊Federated Wireless看到了CBRS為創建私網帶來了曙光，Inseego正在測試其產品如何與康普（CommScope）的產品一起工作，並著眼於將兩者組合在一起，以將其出售給想要構建自己的專用無線LTE網路的企業。Inseego構建了各種攜帶型熱點，蜂窩數據機和網關，包括公司FCC文件中命名的用於工業物聯網應用的Skyus 300路由器。同時，康普（CommScope）製造各種無線網路設備，包括用於3.5GHz CBRS頻段的設備。

Federated Wireless、Inseego、CommScope等科技巨頭瞄準專用無線LTE網路市場並不足為奇。正如相關專家所言，有三個因素共同作用，使CBRS專網業務機會日益明朗。廣泛的服務提供商和設備供應商已經將專用無線作為蜂窩市場的主要增長領域之一。企業可獲得大量CBRS頻譜容量的價值，他們可以以較低的門檻（省了頻譜的錢）進行訪問；由雲合作夥伴等公司開發的「對物聯網解決方案的巨額投資」；AWS和Azure等科技公司帶來的的自動化力量，從基於雲的自動化工具，到企業需要高度確定性的專用內部網路都促進了的CBRS在專網領域的發展。

如何使用CBRS實現私有LTE網路？

要設置CBRS專用LTE，需要三個基本元素：基地台（BS）或無線網關、EPC（演進的分組核心）、CBRS設備或CPE（客戶內部設備）。

基地台（BS）或無線網關

用於CBRS的LTE BS通常帶有載波聚合和多個高級功能。為了使用頻帶48 CBRS，請求服務的設備必須由頻譜分配系統（SAS）授權，該系統可以嵌入BS中，也可以用作雲服務。

SAS與資料庫一起存儲許可證和訪問資訊。它的重要任務是分析RF頻譜和信道，以免干擾在位設備或PAL。採用這種方法，傳統的信道干擾問題就消除了。如果有可用的RF頻譜，SAS將分配給最終用戶使用。

下圖是Lanner的PGN600 LTE模組，該模組增加了對私有（LTE CBRS頻段48）和面向公共安全的頻率的全面支援。

EPC（演進分組核心）

演進型分組核心（EPC）是用於在4G（LTE）網路上提供融合語音和數據的框架。

2G和3G網路體系結構通過兩個單獨的子域來處理和交換語音和數據：語音的電路交換（CS）和數據的分組交換（PS）。演進的分組核心將語音和數據統一在Internet協議（IP）服務體系結構上，並且語音僅被視為另一個IP應用程式。這種安排可以讓運營商為2G、3G、WLAN、WiMAX、LTE和固定接入（乙太網，DSL，電纜和光纖）部署和運營一個分組網路。

EPC是LTE網路的主要控制器和中央大腦，通常在企業或ISP的NOC中運行.EPC通常部署在本地，但是未來可以看到EPC的混合部署和雲部署。

專用LTE-EPC負責：

• 保存用戶資料庫。
• 執行策略
• 分配IP地址
• 管理移動性和跟蹤
• 提供到PDN（公共數據網路）的網關。

CBRS設備或CPE（客戶內部設備）

此設備提供到LTE基地台的無線電連接，並且必須支援LTE頻段48。這是為最終用戶提供介面的用戶設備。CPE可以是任何東西，並且隨著物聯網的興起，我們也會看到支援CBRS的感測器。

專用LTE是面向未來的，儘管CBRS的優勢很明顯，但網路的設計和部署必須針對每個業務進行訂製。因此可以說私有LTE和Wi-Fi是互補的，企業要充份有效地利用每種技術的能力。

CBRS的研究進展

由於現在是CBRS的早期階段，並且存在潛在金錢誘惑，因此必然需要面對和克服許多挑戰。正如前文所述，支援CBRS的LTE數據機很少。高通公司的Snapdragon X20千兆位LTE數據機是第一款，Federated Wireless的頻譜控制器也在同一時間推出。然而，發展過程需要很多的組件，比如諾基亞的無線廣播設備，還有其它廠商的組件。

CBRS的全方面測試開始於2016年下半年。2017年諾基亞、高通、Alphabet（Google重組後的公司）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影片。該影片是使用YouTube Live Events實時流式傳輸的。同年8月，Verizon愛立信、高通、Federated Wireless首次展示了LTE高級運營商聚合方案中CBRS的應用場景。

2019年9月，美國聯邦通訊委員會（FCC）的無線電信局（WTB）和工程技術辦公室（OET）發布了公告，稱由Google、Federated Wireless、康普，Amdocs和索尼運營的頻譜接入系統（SAS）已通過委員會的SAS實驗室測試要求，並獲得CBRS的初步商業部署（ICD）的批准。

2020年2月，商業化和採用的行業組織CBRS聯盟宣布完成支援5G New Radio(5G NR)特定OnGo配置的規範。FCC於2020年1月授權在CBRS頻段進行全面商業部署，並且隨著CBRS聯盟第3版解決方案支援使用3.5 GHz共享頻譜的5G部署，OnGo服務和解決方案市場正在迅速擴展。

電纜公司Midco計劃使用3.5GHz技術擴展其當前的有線覆蓋範圍。他們已經使用SAS測試3.5GHz。

一些最終用戶CPE已經支援該技術。像三星Galaxy S10, iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro Max這樣的智慧手機已經支援CBRS Band 48。

開放3.5 GHz公民寬頻無線電服務頻段的監管和技術道路很長，有時甚至難以駕馭。但有許多明確的策略可以使CBRS發揮作用。對於運營商而言，其中主要的功能是在RAN和設備上使用高級載波聚合功能，以使用3.5 GHz來增強現有網路容量並改善網路體驗。

對於尋求擴大移動服務範圍並減少對第1級運營商MVNO的依賴有線電視公司，這是另一個機遇。CBRS開闢了提供固定無線訪問的新途徑，可以作為WISP（無線區域網運營商）等新進入者的發射台。同時運營商還有機會解決大型公共場所的室內覆蓋問題，或者向製造等企業出售專用網路類型的服務。當然這只是冰山一角，很多人最初將3.5 GHz稱為「創新頻段」，並期望隨著CBRS的商業化而進行重大創新。

參考鏈接：

1.https://www.sohu.com/a/210688373_416090

2.https://www.networkcomputing.com/wireless-infrastructure/taking-advantage-cbrs-private-lte-networks

3.https://mp.weixin.qq.com/s/M1qUNKEmEG3dHAh-hSwOaA

4.https://connectivitywireless.com/cbrs/

5.https://www.lanner-america.com/blog/private-lte-band-48-cbrs-important/

6.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1658293653955216217&wfr=spider&for=pc

7.https://connectivitywireless.com/cbrs/

責任編輯：lunar