在AM收音機剛剛推出時,美國的各家電台都是用三個頻率中的一個進行播放,因此,如果同一區域有兩家電台同時使用相同頻率播放,則會造成干擾。直到「Radio Act of 1927(1927年無線電法案)」的制定,才對電波進行了管制,這樣,即使有更多的無線通訊上線,也有足夠的頻譜可供使用,但這種情況已一去不復返。

如今,頻譜稀少且欠缺;雖然美國聯邦聯邦通訊委員會(FCC)已重新分配頻譜,以滿足行動寬頻等業務的需求,但仍不足以應對負載的增長。有些頻段是為軍方預留的,即理想的3.5GHz頻段(3,550M~3,700MHz),因為現在採用數位通訊,所以在多個使用者之間可以分時共用頻率,但有一些使用者享有高優先順序。

2015年,FCC改變了對這150MHz頻段的使用規則,建立市民寬頻無線電服務(CBRS),該服務允許將一度預留給軍事雷達的頻譜切片,開放給需執照和免執照應用。這一頻段的開放為行動營運商提供了更豐富的頻譜以用於賺錢的行動服務,正如你所預料,軍事用途具有高優先順序,這在當今的數位協定之前是不可能的事。

CBRS由FCC第96部分(FCC Part 96)管理,包含15個使用3GPP LTE協定通訊的10MHz通道。使用CBRS頻段的行動營運商可聚合通道來獲得更高輸送量。

美國國家標準暨技術研究院(NIST)通訊技術實驗室頻譜共用支持項目負責人Michael Souryal在新聞稿「NIST Helps Facilitate First-Ever Spectrum Sharing Between Military and Commercial Wireless Users(NIST幫助促進軍事和商業無線用戶之間的首次頻譜共用)」中表示:「這將是商用寬頻使用者與政府使用者首次動態共用頻譜,如果它有效,FCC可能會分配其他當前受保護的RF頻段用於共用使用。」NIST在CBRS開發中的角色包括在部署之前測試整個系統。

這裡的關鍵字是「如果它有效」。這就是要用測試證明CBRS功能性的地方。

CBRS可在沿海或內陸營運,由於海軍將該頻段用於雷達,這通常只是沿海問題。圖1顯示NIST對從緬因州(Maine)到麻薩諸塞州鱈魚角(Cape Cod, Mass)無線用戶的模擬,藍色標記表示可以在受影響的通道中繼續工作的使用者。當優先順序較高的使用者需要該頻道時,其他使用者必須騰出頻道,可能會被重新配置到另一條頻道。

20180718NT02P1 圖1 從緬因州到鱈魚角的海岸線有許多3,500~3,700MHz頻帶的潛在用戶,其中大部分集中在波士頓附近。(圖片來源:NIST)

控制通道接入的CBRS系統稱為頻譜接取系統(SAS)。當優先順序較高的使用者請求使用該通道時,環境檢測功能(ESC)系統將向SAS發出警報。SAS選擇為使用者分配哪些通道及其功率等級。

CBRS採用了可授予頻道優先權的三層系統(圖2),軍方擁有最高優先權。在150MHz CBRS頻段中,至少80MHz可用於通用授權接入(GAA)使用,這些設備被稱為公民寬頻無線電服務設備(CBSD),它們中的每台都必須在資料庫中註冊,以便基於雲端的SAS可以管理頻道接取。

20180718NT02P2 圖2 基於雲端的頻譜接取系統查閱CBRS使用者的資料庫來管理授予頻道接入的三層系統。

非軍用/衛星設備分為兩組,分別指定為A類和B類。A類設備通常為室內設備,例如最大輸出功率為1W的小型基地台(small cell),A類設備可以由使用者、其夥伴或員工安裝;B類設備是輸出功率高達50W的基地台,必須由專業人士(如來自無線營運商的員工)安裝。所有設備都必須在SAS資料庫上註冊其存在,而某些A類設備(如那些無法根據FCC Part 96規則充分識別其位置的設備)需要專業安裝。

在CBRS成為現實之前,共用技術必須經過測試。

測試

CBSD的測試將由經過認證的測試實驗室使用無線創新論壇(Wireless Innovation Forum)成員開發的SAS軟體進行,測試軟體被稱為測試工具(test harness)。根據Souryal的說法,這款基於Windows的測試工具,可安裝在本地PC或伺服器上;當CBSD在真實世界中運行時,將對其進行測試——它們不會在測試模式下運行。測試完成後,認證實驗室必須將測試工具生成的測試報告提交給FCC進行最終審核,以便在設備投入使用前驗證FCC Part 96的合規性。

CBSD測試將驗證RF頻率和訊號功率,以及握手、協定和SAS交互等數位要求。圖3中的「RF測試設備」模組並未涵蓋待測物(DUT)的RF訊號頻譜特性,例如掩膜測試,這些測試將按照正常的FCC程式單獨進行,因此,它不提供校準測量。測試將驗證DUT的RF訊號是否根據需要啟用和關閉。

20180718NT02P3 圖3 CBSD的測試設置類比真實情況下的DUT操作。

圖3中的被測CBSD(CBSD Under Test)模組涉及一個域代理——用於一個使用者(通常是無線營運商)需要將單個軟體管理器用於多個CBSD的情況。CBSD或者域代理(domain proxy)可以與SAS通訊,這個域代理的測試用例使用了兩個CBSD。

測試用例資料儲存在csv檔中,其將逐步追蹤一系列JavaScript Object Notation(json)文件。每家實驗室都有各自的XML文件,用於添加序號、證書等,實驗室可針對環境或特定DUT對其進行編輯。測試工具將會生成具有合格/不合格摘要的測試報告。

SAS測試

無線創新論壇的成員(包括NIST)已開發了一個軟體工具,用於測試運作在雲端中的SAS系統本身。在個人電腦或伺服器上執行的測試工具(圖4)可模擬CBSD和「對等」SAS系統,因為多個SAS可以隨時在指定區域運行。大多數SAS測試都涉及驗證協議是否正確運作——測試CBSD是否正確註冊及正確傳遞資料,測試程式還能驗證SAS如何計算頻譜分配而避免干擾。根據計算結果,SAS可以透過關閉頻道或將其移動到另一個頻道來拒絕使用者訪問該頻道,測試工具還將使用傳播模型來類比RF訊號強度。

20180718NT02P4 圖4 本地PC或伺服器上執行測試工具來驗證SAS功能。

有關SAS測試的詳細資訊可在「Test and Certification for Citizens Broadband Radio Service(CBRS的測試和認證)」、「Conformance and Performance Test Technical Specification(一致性及性能測試技術規範)」和《SAS as Unit Under Test(SAS即UUT)」等公開文件檔中取得。

(參考原文: Spectrum sharing: Another way to better use the airwaves,by Martin Rowe)