細說6GHz免授權頻段使用新規

作者 : Sigurd Schelstraete,安森美半導體先進技術總監

FCC為Wi-Fi運作提供高達1200MHz的額外頻譜。該決定重新定義了我們所知道的Wi-Fi,更重要的是瞭解6GHz頻段的新規則細節,及其如何有別於2.4/5GHz頻段Wi-Fi的使用規則…

2020年4月23日,美國聯邦通訊委員會(FCC)投票一致通過關於6GHz頻段無線操作的新規定,從而為免授權裝置開放1200MHz頻譜。具體地說,在此次投票前大約三週,FCC就批准了向公眾非正式發佈此規則。

這一進展被廣泛譽為Wi-Fi的一大勝利,的確實至名歸。那麼FCC到底做出了什麼決定?新版規定對Wi-Fi和6GHz頻段到底意味著什麼?本文將概述6GHz頻段、推動新規則出台的始末,以及FCC批准關於免授權裝置使用6GHz頻段的新規細節。

6GHz頻段的現有應用

通常被稱為「6GHz頻段」(6GHz band)的頻譜實際上是由5.925GHz到7.125GHz之間的頻率組成,總計1200MHz頻譜。在FCC於去年4月23日宣佈之前,6GHz頻段已被指定為非聯邦專屬頻譜,並授權給許多無線電業務使用。1介紹使用6GHz頻段的現有業務用。

1:使用6GHz的現有業務(包括涵蓋5.925~7.125GHz頻率的固定業務與固定衛星業務)

固定業務(FS)和固定衛星業務(FSS)業務遍佈大部份6GHz頻段。固定業務用於可靠的點對點(P2P)微波鏈路,以支援如公共安全、電網管理、長途電話和回程網路等服務。FSS允許在6GHz頻段中不超過150MHz頻寬範圍內進行地對空通訊。FSS使用這些頻率進行內容分發、即時新聞和體育賽事、有線電視以及電話和數據傳輸的回傳。

各種行動操作得以在6.425-6.525GHz頻段和6.875-7.125GHz頻段中進行。這些業務包括廣播輔助服務(BAS)、有線電視轉播服務(CARS)和本地電視傳輸服務(LTTS)。2顯示6GHz頻段中,每MHz標準化的授權用戶分配數量。

26GHz頻段的現有業務密度,顯示營運商以及固定服務營運的用量。

在6GHz頻段中,允許額外的免授權使用所面臨的一大挑戰是如何有效保護現有6GHz用戶。本文稍後將會介紹到,一些新的監管規定明確地解決了這個問題。

除了授權的固定和行動業務,超寬頻(UWB)系統只有在不產生干擾的情況下才可以在6GHz頻段下使用。值得注意的是,UWB並不是該頻段的授權用戶。

6GHz不斷變化的規定

當注意到市場對於主要由Wi-Fi驅動的免授權頻譜之「爆發式需求」時,FCC開始著手研究免授權業務使用6GHz頻段的可能性。

FCC是一個獨立的聯邦機構,負責管理美國州際和國際間的無線電、電視、有線和衛星通訊。此外,FCC還負責實施和強制執行通訊法律和法規。在考慮修改法規時,FCC採用名為「通告並接受公眾審評」(notice and comment)的規則制定過程。在這個過程中,FCC首先告知公眾其計劃修改現有規則。在每一次通告後都會有一段公眾審評期,利益相關方可以在這段時期內就暫定方案提出意見。FCC在發佈最終規則之前會考慮公眾的意見。

作為這個過程的一部份,FCC可以發佈一些不同的文件:

  • 調查通知(NOI):這是對公眾的初步邀請,這樣FCC就可以收集廣泛的主題資訊。FCC於2017年7月就發出了關於免授權用戶使用6GHz頻段的NOI。
  • 擬議規則制定通知(NPRM):NPRM包含對委員會規則擬定修改的更多細節。可在NOI之後發佈。每次NPRM之後,公眾都會有至少30天的時間向FCC提交意見。FCC於2018年10月發出關於免授權使用6GHz頻段的NPRM。
  • 擬議規則制定二次通知(FNPRM):FNPRM可在NPRM意見審核之後發佈,公眾可以就相關提議或具體提議進一步發表意見。
  • 報告與命令(R&O):這是在考慮了公眾對NPRM或FNPRM的意見之後發佈的,並詳細說明了是實施新規、修改現有規則,還是決定保持原狀。在R&O獲批准後,新規則或修訂規則將在《聯邦公報》(Federal Register)公佈後30天生效。

6GHzNPRM引起了免授權使用支持者和現有業務代表的極大興趣。115家公司或組織就NPRM發表了意見。在後續討論期間,FCC收到了100多份技術研究報告,涉及解決具體問題、模擬性能影響、調查技術要求等議題。

FCC充份考慮了大家提供的資訊,並於2020年4月發佈了R&O。同時,FCC還發佈了FNPRM,以徵求公眾對不屬於原始NPRM的其他主題的意見。

免授權使用6GHz的新規定

根據FCC的免授權使用命名原則,6GHz頻譜現在進一步細分為4個U-NII (免授權的國家資訊基礎設施)無線電頻段:U-NII-5至U-NII-8。FCC採用的一些規則取決於免授權裝置目前使用的U-NII頻段。U-NII頻段邊緣與目前劃分6GHz授權業務工作頻率的頻率範圍一致(參見圖1)。

US 6GHz frequency band

3顯示6GHz頻段各不同部份的頻率和邊緣。

36GHz頻段以及可能的Wi-Fi通道,顯示20MHz40MHz80MHz160MHzWi-Fi通道頻寬。

FCC在針對6GHz更新的規則中,允許兩種免授權裝置在6GHz頻段下運行:

  • 低功率接取點(AP)及其相關的客戶端裝置
  • 標準功率取點(AP)及其相關的客戶端裝置

每一類裝置都有自己的一套監管規則。

低功率運行

低功率AP必須滿足以下發射功率要求才能在6GHz頻段下運行:

  • 總發射功率低於30dBm EIRP;
  • 功率頻譜密度(PSD)限制在5dBm/MHz EIRP或更低;
  • 滿足頻譜發射模板要求,且發射限值為-27dBm/MHz,低於U-NII-5頻段下限以及高於U-NII-8頻段上限的頻率。

例如,這對應於20MHz中的18dBm、40MHz中的21dBm、80MHz中的24dBm、160MHz中的27dBm以及320MHz中的30dBm。頻寬不允許高於320MHz。

低功率AP僅限於室內使用,且允許使用完整的6GHz頻譜,即U-NII-5、U-NII-6、U-NII-7和U-NII-8。這相當於1200MHz的新頻譜。

FCC認為,結合低功率和強制性室內使用,足以為6GHz頻段的現有業務提供所需保護。由於室內使用(以及因此訊號到了戶外後會衰減)是這些裝置會產生干擾的一個重要假設,所以FCC實行進一步限制,以禁止在戶外使用低功率AP。

具體地說:

  • 低功率AP容易受天氣影響,因此無法永久地安裝在戶外;
  • 低功率AP只能使用整合天線,且禁止提供連接其他天線至裝置的能力;
  • 低功率AP不能使用電池供電
  • 低功率AP必須貼有清楚標明「根據FCC規定,此裝置只能在室內使用」(FCC regulations restrict operation of this device to indoor use only)的標籤。

雖然這些都不足以成為充份的證據,但其目的顯然是將這些裝置限制在室內使用。而低功率AP在行動期間無法運行,除了在10,000英呎高空中飛行的大型客機之外。

低功率AP相關的客戶端裝置必須在以下功率級別運行:

  • 總發射功率低於24dBm EIRP;
  • PSD限制在-1dBm/MHz EIRP或更低。

也有例外情況,如在網狀網路或Wi-Fi訊號延伸器中運作的客戶端裝置。在此類情況下,只要客戶端裝置亦遵循相關AP規則且均位於同一架構中,就適用低功率AP的功率限制。

標準功率運行

標準功率AP允許在以下發射功率下運行:

  • 總發射功率低於36dBm EIRP;
  • PSD限制在23dBm/MHz EIRP或更低;
  • 滿足頻譜發射模板要求,且發射限值為-27dBm/MHz,低於U-NII-5頻段下限以及高於U-NII-8頻段上限的頻率。

在這種情況下,PSD要求允許裝置在所有頻寬下始終以36dBm EIRP運行。針對低功率AP,頻寬不允許高於320MHz。

標準功率AP明顯允許更高的功率,但需要付出較高的代價。這些裝置只允許在U-NII-5到U-NII-7頻段中使用,約佔850MHz頻譜。重要的是,即使在這些頻段下,標準功率AP也只能在所謂的自動頻率協調(AFC)系統的引導下運行。 AFC系統清楚現有業務的位置,並根據AP位置、天線高度和發射功率,告知AP可在頻譜的哪一個部份運行。 R&O詳細介紹了AFC系統的運行細節,這些將在以下討論。

預計,AP每天至少與AFC系統通訊一次,以檢查容許頻率的變化。如果無法建立連接,則AP必須在24小時的寬限期後停止工作。

AFC主要用於保護固定業務,但標準功率AP預計可將其向上輻射功率(30度以上)限制在21dBm,以保護固定衛星業務。

與低功率AP一樣,標準功率AP在移動期間無法運行,除了在10,000英呎高空中飛行的大型客機之外。

與標準功率AP相關的客戶端裝置必須在以下功率級運行:

  • 總發射功率低於30dBm EIRP;
  • PSD限制在17dBm/MHz EIRP或更低。

但請注意,對於特定頻率,AFC可能會降低允許AP運行的最終功率。如果AP的最終容許功率低於36dBm,則其相關客戶端裝置的容許功率也需要降低相同幅度。具體地說,對於標準功率AP相關客戶端裝置,無論AP容許的最大功率是多少,其容許的最大功率通常都比AP低6dB。


1總結了這兩種類型的AP及其相關客戶端裝置的功率要求。

16GHz頻段的功率要求。

自動頻率協調(AFC)

對於Wi-Fi系統(或任何想使用標準發射功率在6GHz頻段中運行的免授權系統),一個主要的新要求就是在AFC系統的指示下運行。已發佈的R&O也列出了一些針對AFC系統的要求。

AFC主要著眼於保護固定業務微波鏈路。然而,它也可用於保護某些電波天文台使用的頻率。 AFC對微波鏈路的了解來自於通用授權系統(ULS)資料庫,該資料庫是U-NII-5和U-NII-7頻段中許可微波鏈路的現有官方資料庫。AFC系統應每天與ULS資料庫同步。

在與AP裝置通訊後,AFC系統將根據該AP產生的干擾模型確定適合該AP的通道。計算將建立一個「禁區」(exclusion zone),在這個禁區內,AP會對現有業務產生超出容許範圍的干擾。該計算需要有關AP位置和天線高度的資訊。為了進行干擾建模,AFC系統採取通道模型來模擬AP產生的干擾。R&O明確指定了用於該計算的通道模型和干擾標準。

Wi-Fi 6E frequency sharing

圖4:Wi-Fi 6E 的AFC系統能保護現有系統免受未授權用戶的干擾。

AFC系統提供給AP的最終反饋資訊為AP在不同功率範圍內可使用的通道列表。

AP採用唯一標識符向AFC系統表明其身份,該標識符由裝置的FCC標識符(FCC ID)及序列號組成。 AFC系統可使用該標識符來驗證裝置,還可用於干擾抑制和執法目的。

R&O不提供AP和AFC系統之間所用通訊協議的詳細資訊,但它要求任何此類通訊以及AFC系統儲存的數據都必須符合先進安全標準。

AFC系統將由「AFC營運商」運行。AFC營運商需由官方指定,並由工程科技辦公室(OET)管理。OET將向AFC營運商「授權」為期5年且可由FCC續約的「執照」。為了向標準功率AP提供AFC服務,允許AFC營運商收取一定的費用。為了解決AFC運行的各方面問題,FCC鼓勵業界召集一群利益相關者來解決干擾檢測和抑制、安全措施、測試和認證程序等問題。

FNPRM

除了規定6GHz頻段免授權使用新要求的R&O,FCC還頒發了新的FNPRM,就在6GHz頻段中運行的以下四個新問題向公眾徵求意見:

  • 超低功率運行;
  • 當低功率室內運行時PSD隨之增加;
  • 行動標準功率AP運行;
  • 對於標準功率AP,功率限制和天線方向性的要求更高。

首先,FCC就所謂「超低功率裝置」的運行徵求公眾意見。暫定方案是這些裝置在14dBm EIRP總功率以及-8dBm/MHz PSD EIRP條件下運行。其目的是使這些裝置在整個6GHz頻段中 (U-NII-5至U-NII-8)能夠用於室內和戶外應用。如果功率更低,建議不要求這些裝置使用AFC,即使是在戶外運行時。

FNRPM建議支持這種超低功率模式,但希望公眾就減少對現有用戶的干擾方面提供準確功率和方法意見。

其次,FNPRM還邀請公眾就低功率AP的PSD限制發表看法。目前,該限制規定為5dBm/MHz PSD EIRP。關於是否能夠將其提高至8dBm/MHz PSD EIRP,並在裝置使用320MHz頻寬時,將最大容許EIRP提高至33dBm,FCC正在徵求公眾意見。

第三項與標準功率AP有關。目前,這些AP只允許用於固定部署。FNPRM還在徵求公眾對於是否允許將AFC控制的標準功率AP用於行動應用的意見。具體地說,需要考慮對AFC的影響。

第四項描述了標準功率AP的具體用例。雖然這些裝置當前允許的功率設置為36dBm EIRP,但對於是否能夠提高使用高度定向型天線的P2P鏈路設備功率級,FNPRM目前正在徵求公眾的意見。作為相關問題,FNRPM還就天線方向性是否能夠納入AFC系統架構向公眾徵求意見。

公眾對FNPRM的回覆意見和探討,可能導致對6GHz頻段免授權運行規則的進一步修改或增加。

總結

FCC決定向免授權裝置開放6GHz頻段,從而為Wi-Fi營運提供高達1200MHz的額外頻譜。該決定將重新定義我們所知的Wi-Fi,但重點在於瞭解6GHz頻段使用規則與2.4和5GHz頻段的Wi-Fi使用規則有所不同。

 

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