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频谱共享:另一种更好使用电波的方式

时间:2018-07-04 作者:Martin Rowe 阅读:
使用公民宽带无线电服务(CBRS)频段的移动运营商可以聚合信道来获得更高吞吐量。“这将是商用宽带用户与政府用户首次动态共享频谱,如果它有效,FCC可能会分配其他当前受保护的RF频段用于共享使用。”这里的关键词是“如果它有效”。这就是要用测试证明CBRS功能性的地方。

在AM收音机刚刚推出时,美国的各家电台都是用三个频率中的一个进行播放,因此,如果同一区域有两家电台同时使用相同频率播放,则会造成干扰。直到《Radio Act of 1927(1927年无线电法案)》的制定,才对电波进行了管制。这样,即使有更多的无线通信上线,也有足够的频谱可供使用。但这种情况一去不返。

如今,频谱稀缺;虽然美国联邦通信委员会(FCC)已重新分配频谱,去满足移动宽带等业务的需求,但仍不足以应对负载的增长。有些频段是为军方预留的,即理想的3.5GHz频段(3550MHz至3700MHz)。因为我们现在采用数字通信,所以在多个用户之间可以分时共享频率,但有一些用户享有高优先级。2015年,FCC改变了对这150MHz频段的使用规则,创建了公民宽带无线电服务(CBRS),该服务允许将一度预留给军事雷达的频谱切片开放给要牌照和免牌照应用。这一频段的开放为移动运营商提供了更丰富的频谱用于赚钱的移动服务。正如你所预料,军事用途具有高优先级,这在当今的数字协议之前是不可能的事。

CBRS由FCC第96部分(FCC Part 96)管理,包含15个使用3GPP LTE协议通信的10MHz信道。使用CBRS频段的移动运营商可以聚合信道来获得更高吞吐量。

“这将是商用宽带用户与政府用户首次动态共享频谱,如果它有效,FCC可能会分配其他当前受保护的RF频段用于共享使用。”美国国家标准与技术研究院(NIST)通信技术实验室的频谱共享支持项目负责人Michael Souryal在新闻稿《NIST Helps Facilitate First-Ever Spectrum Sharing Between Military and Commercial Wireless Users(NIST帮助促进军事和商业无线用户之间的首次频谱共享)》中表示。NIST在CBRS开发中的角色包括在部署之前测试整个系统。

这里的关键词是“如果它有效”。这就是要用测试证明CBRS功能性的地方。

CBRS可在沿海或内陆运营。由于海军将该频段用于雷达,这通常只是沿海问题。图1显示了NIST对从缅因州到马萨诸塞州科德角的无线用户的仿真。蓝色标记表示可以在受影响的信道中继续工作的用户。当优先级较高的用户需要该频道时,其他用户必须腾出频道,可能会被重新配置到另一条频道。

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图1:从缅因州到科德角的海岸线有许多3500到3700MHz频带的潜在用户,其中大部分集中在波士顿附近。(来源:NIST。)

控制信道接入的CBRS系统称为频谱接入系统(SAS)。当优先级较高的用户请求使用该信道时,环境检测功能(ESC)系统将向SAS发出警报。SAS选择为用户分配哪些信道及其功率等级。

CBRS采用了可授予频道优先权的三层系统(图2),军方拥有最高优先权。在150MHz CBRS频段中,至少80MHz可用于通用授权接入(GAA)使用。这些设备被称为公民宽带服务设备(CBSD),它们中的每台都必须在数据库中注册,以便基于云的SAS可以管理频道接入。

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图2:基于云的频谱接入系统查阅CBRS用户的数据库来管理授予频道接入的三层系统。

非军用/卫星设备分为两组,分别指定为A类和B类。A类设备通常为室内设备,例如最大输出功率为1W的小蜂窝。A类设备可以由用户、其伙伴或员工安装。B类设备是输出功率高达50W的基站,必须由专业人士(如来自无线运营商的员工)安装。所有设备都必须在SAS数据库上注册其存在。某些A类设备(如那些无法根据FCC Part 96规则充分识别其位置的设备)需要专业安装。

在CBRS成为现实之前,共享技术必须经过测试。

测试

CBSD的测试将由经过认证的测试实验室使用无线创新论坛(Wireless Innovation Forum)成员开发的SAS软件进行。测试软件被称为测试用具(test harness)。根据Souryal的说法,这款基于Windows的测试用具,可安装在本地PC或服务器上;当CBSD在真实世界中运行时,将对其进行测试——它们不会在测试模式下运行。测试完成后,认证实验室必须将测试用具生成的测试报告提交给FCC进行最终审核,以便在设备投入使用前验证FCC Part 96的合规性。

CBSD测试将验证RF频率和信号功率,以及握手、协议和SAS交互等数字要求。图3中的“RF测试设备”模块并未涵盖DUT(被测设备)的RF信号频谱特性,例如掩膜测试,这些测试将按照正常的FCC程序单独进行。因此,它不提供校准测量。测试将验证DUT的RF信号是否根据需要启用和关闭。

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图3:CBSD的测试设置模拟真实情况下的DUT操作。

图3中的被测CBSD(CBSD Under Test)模块涉及一个域代理——用于一个用户(通常是无线运营商)需要将单个软件管理器用于多个CBSD的情况。CBSD或域代理可以与SAS通信。这个域代理的测试用例使用了两个CBSD。

测试用例数据存储在csv文件中,其将逐步调用一系列JavaScript Object Notation(json)文件。每家实验室都有各自的XML文件,用于添加序列号、证书等。实验室可针对环境或特定DUT对其进行编辑。测试用具将会生成具有合格/不合格摘要的测试报告。

SAS测试

无线创新论坛的成员(包括NIST)已经开发了一个软件用具,用于测试运行在云中的SAS系统本身。在个人电脑或服务器上运行的测试用具(图4)可模拟CBSD和“对等”SAS系统,因为多个SAS可以随时在指定区域运行。大多数SAS测试都涉及验证协议是否正确运行——测试CBSD是否正确注册及正确传递数据。测试程序还能验证SAS如何计算频谱分配而避免干扰。根据计算结果,SAS可以通过关闭频道或将其移动到另一个频道来拒绝用户访问该频道。测试用具还将使用传播模型来模拟RF信号强度。

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图4:本地PC或服务器上运行测试用具来验证SAS功能。

有关SAS测试的详细信息可在《Test and Certification for Citizens Broadband Radio Service (CBRS)(公民宽带无线电服务(CBRS)的测试和认证)》、《Conformance and Performance Test Technical Specification(一致性及性能测试技术规范)》和《SAS as Unit Under Test (UUT)(SAS即被测单元(UUT))》等公开文档中获取。

《EDN电子技术设计》2018年7月刊版权所有,谢绝转载。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Martin Rowe
"EE Times/EDN资深测试与量测技术编辑。Martin Rowe在《测试和测量世界》担任技术编辑和高级技术编辑达20年,其中包括担任EDN Design Ideas编辑三年。在此期间,Martin的报道涵盖了大部分的技术和公司,包括台式仪器,如示波器、仪表、信号​​源及其应用。他最喜欢这些仪器的应用包括高速信号测量、基本测量(电压/电流/功率)、校准和EMC/EMI/RFI。所有这些都直接适用于连接器和连接性能。从2004年到2012年,为了了解工程师是如何进行测试的,Martin访问了多家公司,包括Bose,DeWalt和Tyco Electronics(现为TE Con​​nectivity)。 让Martin出名的还有他的音乐——他写了六首描述工程师生活的歌曲。这一切始于2006年的“测量蓝调(Measurement Blue)”,证明了任何事情都能用蓝调写出来,连接器都成了Martin的歌。 “Below a GigaHertz”这首歌向那些还工作在1GHz以下信号的工程师致敬,他们是古老历史的见证者。 Martin曾在IEEE EMC Symposia上现场演出了“The Measurement Blues”和“The Lab in the corner”。 Martin拥有伍斯特理工学院的电子工程学士学位和宾利学院的MBA学位。"
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