广告

关于6GHz非许可使用的新规解释

2021-08-20 Sigurd Schelstraete,高级技术总监,安森美 阅读:
在本文中,我们概述了6GHz频段、推动新规出台的始末以及FCC批准的关于非许可设备使用6GHz频段的新规细节。

简介

2020年4月3日,美国联邦通信委员会(FCC)投票一致通过关于6GHz频段无线操作的新规定[1],从而为非许可设备开放1200MHz频谱。具体地说,在此次投票前大约三周,FCC就批准了向公众非正式发布此规则[2]。JmZednc

这一进展被广泛誉为Wi-Fi的一大胜利,的确实至名归。那么FCC到底做出了什么决定?新规对Wi-Fi和6GHz频段到底意味着什么?JmZednc

在本文中,我们概述了6GHz频段、推动新规出台的始末以及FCC批准的关于非许可设备使用6GHz频段的新规细节。JmZednc

6GHz发展之路

6GHz频段的现有应用

通常被称为“6GHz频段”的频谱实际上是由5.925MHz到7.125MHz之间的频率组成,总计1200MHz频谱。JmZednc

在4月23日FCC宣布之前,6GHz频段就被指定为非联邦专属频段,并授权给许多无线电业务使用。JmZednc

图1说明了现有业务对6GHz频段的使用。JmZednc

JmZednc

图1:使用6GHz的现有业务(数据来源[4])JmZednc

固定业务(FS)和固定卫星业务(FSS)业务遍布大部分6GHz频段。固定业务用于可靠的点对点微波链路。这些链路支持各种业务,如公共安全、电网管理、远程电话服务和回程。FSS允许在6GHz频段中不超过150MHz带宽的范围内进行地空通信。FSS使用这些频率进行内容分发、实时新闻和体育赛事、有线电视以及电话和数据传输的回程。JmZednc

移动运营允许在6.425-6.525GHz频段和6.875-7.125GHz频段中进行。这些业务包括广播辅助服务(BAS)、有线电视转播服务(CARS)和本地电视传输服务(LTTS)。JmZednc

图2显示了6GHz频段中,每MHz标准化的许可用户分配数量。JmZednc

JmZednc

图2:6GHz频段中现有业务密度(数据来源[4])JmZednc

在6GHz频段中,允许额外的非许可使用所面临的一大挑战是保护现有在6GHz用户。下文将会介绍到,一些新的监管规定明确地解决了这个问题。JmZednc

除了许可的固定和移动业务,超宽带系统(UWB)只有在不产生干扰的情况下才可以在6GHz频段下使用。值得注意的是,UWB并不是该频段的许可用户。JmZednc

6GHz不断变化的规定

当注意到市场对主要由Wi-Fi驱动的非许可频谱的“爆炸性需求”时,FCC开始着手研究非许可业务使用6GHz频段的可能性。JmZednc

FCC是一个独立的联邦机构,负责管理美国州际和国际间的无线电、电视、有线和卫星通信。此外,FCC还负责实施和强制执行通信法律法规。在考虑修改法规时,FCC采用名为“通告并接受公众审评”的规则制定过程。在这个过程中,FCC首先告知公众其计划修改现有规则。在每一次通告后都会有一段公众审评期,相关方可以在这段时期内就暂定方案提出意见。FCC在发布最终规则之前会考虑公众的意见。JmZednc

作为这个过程的一部分,FCC可以发布一些不同的文件:JmZednc

  • 调查通知(NOI):这是对公众的初步邀请,这样FCC就可以收集广泛的主题信息。FCC于2017年7月就发出了关于非许可用户使用6GHz频段的NOI[3]。
  • 拟议规则制定通知(NPRM):NPRM包含对委员会规则拟定修改的更多细节。可在NOI之后发布。每次NPRM之后,公众都会有至少30天的时间向FCC提交意见。FCC于2018年10月就发出了关于非许可使用6GHz频段的NPRM[4]。
  • 拟议规则制定二次通知(FNPRM):FNPRM可在NPRM意见审核之后发布,公众可以就相关提议或具体提议进一步发表意见。
  • 报告与命令(R&O):这是在考虑了公众对NPRM或FNPRM的意见之后发布的,并详细说明了是实施新规、修改现有规则,还是决定保持原状。在R&O获批后,新规则或修订规则将在《联邦公报》公布后30天生效。

6GHzNPRM[4]引起了非许可使用支持者和现有业务代表的极大兴趣。115家公司或组织就NPRM发表了意见。在后续讨论期间,FCC收到了100多份技术研究报告,涉及解决具体问题、模拟性能影响、调查技术要求等议题。JmZednc

FCC充分考虑了大家提供的信息,并于2020年4月发布了R&O。与此同时,FCC还发布了FNPRM,以征求公众对不属于原始NPRM的其他主题的意见。JmZednc

关于6GHz非许可使用的新规定

简介

根据FCC的非许可使用命名原则,6GHz频谱现在进一步细分为4个U-NII(无需许可的国家信息基础设施)无线电频段:U-NII-5至U-NII-8。FCC采用的一些规则取决于非许可设备目前使用的U-NII频段。U-NII频段边缘与目前划分6GHz许可业务工作频率的频率范围一致(参见图1)。JmZednc

图3显示了6GHz频段各个部分的频率和边缘。JmZednc

JmZednc

图3:6GHz频段和可能的Wi-Fi信道化图示。JmZednc

FCC在针对6GHz更新的规则中,允许两种非许可设备在6GHz频段下运行:JmZednc

  • 低功率接入点(AP)及其相关的客户端设备
  • 标准功率接入点(AP)及其相关的客户端设备

每一类设备都有自己的一套监管规则。JmZednc

低功率运行

低功率AP必须满足以下发射功率要求才能在6GHz频段下运行:JmZednc

  • 总发射功率低于30dBmEIRP
  • 功率谱密度限制在5dBm/MHzEIRP或更低
  • 满足频谱发射模板要求,且发射限值为-27dBm/MHz,低于U-NII-5频段下限以及高于U-NII-8频段上限的频率

例如,这对应于20MHz中的18dBm、40MHz中的21dBm、80MHz中的24dBm、160MHz中的27dBm以及320MHz中的30dBm。带宽不允许高于320MHz。JmZednc

低功率AP仅限于室内使用,且允许使用完整的6GHz频谱,即U-NII-5、U-NII-6、U-NII-7和U-NII-8。这相当于1200MHz的新频谱。JmZednc

FCC认为,低功率和强制性室内使用并举,足以为6GHz频段中的现有业务提供所需保护。由于室内使用(以及因此信号到室外后会衰减)是这些设备会产生干扰的一个重要假设,所以FCC实行进一步限制,以禁止在户外使用低功率AP。JmZednc

具体地说:JmZednc

  • 低功率AP容易受天气影响,因此无法永久地安装在户外
  • 低功率AP只能使用集成天线,且禁止提供连接其他天线至设备的能力
  • 低功率AP不能使用电池供电
  • 低功率AP必须贴有清楚标明“根据FCC规定,此设备只能在室内使用”的标签

虽然这些都不是充分的证据,但其目的显然是将这些设备限制在室内使用。JmZednc

低功率AP在运动期间无法运行,除了在10,000英尺高空中飞行的大型客机之外。JmZednc

低功率AP相关联的客户端设备必须在以下功率级别运行:JmZednc

  • 总发射功率低于24dBmEIRP
  • 功率谱密度限制在-1dBm/MHzEIRP或更低

也有例外情况,如在网状网络或Wi-Fi扩展器中运行的客户端设备。在此类情况下,只要客户端设备亦遵循相关AP规则且均位于同一架构中,就适用低功率AP的功率限制。JmZednc

标准功率运行

标准功率AP允许在以下发射功率下运行:JmZednc

  • 总发射功率低于36dBmEIRP
  • 功率谱密度限制在23dBm/MHzEIRP或更低
  • 满足频谱发射模板要求,且发射限值为-27dBm/MHz,低于U-NII-5频段下限以及高于U-NII-8频段上限的频率

在这种情况下,PSD要求允许设备在所有带宽下始终以36dBmEIRP运行。针对低功率AP,带宽不允许高于320MHz。JmZednc

标准功率AP允许明显更高的功率,但需要付出较高的代价。这些设备只允许在U-NII-5到U-NII-7频段中使用,约占850MHz频谱。重要的是,即使在这些频段下,标准功率AP也只能在所谓的自动频率协调(AFC)系统的引导下运行。AFC系统清楚现有业务的位置,并根据AP位置、天线高度和发射功率,告知AP可在频谱的哪个部分运行。R&O详细介绍了AFC系统的运行细节,我们将在下文中讨论。JmZednc

对于AP来说,这意味着AP需具备确定其地理位置的能力,以便将此信息提供给AFC系统。这种地理定位功能可以集成在内部(如内置GPS),也可以通过外部提供(由所连接的设备提供)。AP还需要向AFC系统提供其天线距离地面的高度。该信息可以手动配置,也可以自动确定。JmZednc

预计,AP每天至少与AFC系统通信一次,以检查容许频率的变化。如果无法建立连接,则AP必须在24小时的宽限期后停止工作。JmZednc

AFC主要用于保护固定业务,但标准功率AP预计可将其向上辐射功率(30度以上)限制在21dBm,以保护固定卫星业务。JmZednc

与低功率AP一样,标准功率AP在移动期间无法运行,除了在10,000英尺高空中飞行的大型客机之外。JmZednc

标准功率AP相关联的客户端设备必须在以下功率级别运行:JmZednc

  • 总发射功率低于30dBmEIRP
  • 功率谱密度限制在17dBm/MHzEIRP或更低

但请注意,对于特定频率,AFC可能会降低允许AP运行的最终功率。如果AP的最终容许功率低于36dBm,则其相关客户端设备的容许功率也需要降低相同幅度。具体地说,对于标准功率AP相关联的客户端设备,无论AP容许的最大功率是多少,其容许的最大功率通常都比AP低6dB。JmZednc

图4总结了这两种类型的AP及其相关联客户端的功率要求。JmZednc

JmZednc

图4:6GHz频段下的功率要求总结JmZednc

自动频率协调(AFC)

对于Wi-Fi系统(或任何想使用标准发射功率在6GHz频段中运行的非许可系统),一个主要的新要求就是在AFC系统的引导下运行。已发布的R&O也列出了一些针对AFC系统的要求。JmZednc

AFC主要着眼于保护固定业务微波链路。然而,它也可用于保护某些射电天文台使用的频率。AFC对微波链路的了解来自于通用许可制度(ULS)数据库,该数据库是U-NII-5和U-NII-7频段中许可微波链路的现有官方数据库。AFC系统应每天与ULS数据库同步。JmZednc

在与AP设备通信后,AFC系统将根据该AP产生的干扰模型确定适合该AP的信道。计算将建立一个“禁区”,在这个禁区内,AP会对现有业务产生超出容许范围的干扰。该计算需要有关AP位置和天线高度的信息。为了进行干扰建模,AFC系统采取信道模型来模拟AP产生的干扰。R&O明确指定了用于该计算的信道模型和干扰标准。JmZednc

AFC系统提供给AP的最终反馈信息为AP在不同功率范围内可使用的信道列表。JmZednc

AP采用唯一标识符向AFC系统表明自己的身份,该标识符由设备的FCC标识符(FCCID)及序列号组成。AFC系统可使用该标识符来验证设备。该标识符还可用于干扰抑制和执法目的。JmZednc

R&O不提供AP和AFC系统之间所用通信协议的详细信息,但它要求任何此类通信以及AFC系统存储的数据都必须符合高级安全标准。JmZednc

AFC系统将由“AFC运营商”运行。AFC运营商需由官方指定,并由工程科技办公室(OET)管理。OET将向AFC运营商颁发为期5年且可由FCC续期的“许可证”。为向标准功率AP提供AFC服务,允许AFC运营商收取一定的费用。为了解决AFC运行的各方面问题,FCC鼓励业界召集一群利益相关者来解决干扰检测和抑制、安全措施、测试和认证程序等问题。JmZednc

FNPRM

除了规定6GHz频段非许可使用新要求的R&O,FCC还颁发了新的FNPRM,就在6GHz频段中运行的以下四个新问题向公众征求意见:JmZednc

  • 超低功率运行
  • 对于低功率室内运行,功率谱密度会增加
  • 移动标准功率接入点运行
  • 对于标准功率接入点,功率限制和天线方向性的要求更高

首先,FCC就所谓的“超低功率设备”的运行征求公众的意见。暂定方案是这些设备在14dBmEIRP总功率以及-8dBm/MHzPSDEIRP条件下运行。其目的是使这些设备在整个6GHz频段中(U-NII-5至U-NII-8)能够用于室内和室外应用。如果功率更低,建议不要求这些设备使用AFC,即使是在室外运行时。FNRPM建议支持这种超低功率模式,但希望公众就减少对现有用户的干扰方面提供准确功率和方法意见。JmZednc

其次,FNPRM还邀请公众就低功率AP的PSD限制发表看法。目前,该限制水平规定为5dBm/MHzPSDEIRP。关于是否能够将其提高至8dBm/MHzPSDEIRP,并在设备使用320MHz带宽时,将最大容许EIRP提高至33dBm,FCC正在征求公众意见。JmZednc

第三项与标准功率接入点有关。目前,这些AP只允许用于固定部署。FNPRM还在征求公众对是否允许将AFC控制的标准功率接入点用于移动应用的意见。具体地说,需要考虑对AFC的影响。JmZednc

第四项描述了标准功率AP的具体用例。虽然这些设备当前允许的功率设置为36dBmEIRP,但对于是否能够提高使用高度定向型天线的点对点链路设备功率级,FNPRM目前正在征求公众的意见。作为相关问题,FNRPM还就天线方向性是否能够纳入AFC系统框架向公众征求意见。JmZednc

公众对FNPRM的回复中的意见和探讨可能导致对6GHz频段非许可运行规则的进一步修改或增加。JmZednc

总结

FCC决定向非许可设备开放6GHz频段,从而为Wi-Fi运营提供高达1200MHz的额外频谱。该决定将重新定义我们所了解的Wi-Fi,但重要的是要明白,6GHz频段使用规则与2.4和5GHz频段的Wi-Fi使用规则有所不同。在本文中,为帮助理解,我们已尽量提供新规的一些历史背景和细节。JmZednc

作者简介

Sigurd Schelstraete 现任安森美高级技术总监。他是安森美半导体在多个标准化机构(如 IEEE 802.11 和 Wi-Fi Alliance)的首席技术代表,参与下一代无线技术的定义。在此之前,他曾担任 Quantenna Communications(2019 年被安森美收购)高级架构师。在这些职位上,他一直负责 Wi-Fi 芯片的系统设计和算法开发。JmZednc

JmZednc

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。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了