ТЕХНОЛОГИЯ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ КОМПАНИИ FEDERATED WIRELESS

АННОТАЦИЯ

В работе описывается проблема использования диапазона радиочастот и возможность ее решения компанией Federated Wireless. Приведена схема совместного использования спектра несколькими типам пользователей на одной радиочастотной полосе одновременно. Рассмотрена технология разработки системы доступа к диапазону частот, контроллера и базы данных.

Ключевые слова: радиоспектр, FCC, диапазон частот, пользователи, полоса пропускания, частота, контроллер, автоматизация.

1. Введение

Люди регулярно бронируют дома через Airbnb и заказывают такси через Uber. В настоящее время экономика “Sharing” расширяется и включает еще один дефицитный ресурс: радиоспектр.

Радиоспектра не хватает, потому что мы не можем его создавать, а наши потребности в нем только продолжают расти. К 2020 году 20 миллиардов устройств будут онлайн, по сравнению с 8 миллиардами сегодня.[1] Между тем существуют целые полосы частот, зарезервированные для Министерства обороны, которое использует их для обеспечения безопасности военных сообщений, включая радиолокационные системы управления воздушным движением на авианосцах и штурмовых кораблях ВМФ. При использовании этот спектр играет важную роль. Но за пределами прибрежных районов этот военный спектр по существу никогда не используется.

В начале этого года правительство США начнет делиться этим спектром, группой 3,5 гигагерца, в рамках новой трехступенчатой системы распределения диапазона частот, называемой Службой Широкополосного Радиовещания Граждан.[2] Эта структура является первой в своем роде. На самом деле, когда идея была изначально предложена в 2012 году, технология для ее реализации еще не существовала, и никто не знал, как ее построить.

С тех пор успехи в алгоритмах машинного обучения и облачных вычислениях позволили создать масштабируемое программное обеспечение, которое принимает решения в реальном времени о том, кто получает доступ к какой части спектра. Идея заключается в том, чтобы нелицензированные, лицензированные и федеральные пользователи могли использовать диапазон 3,5 ГГц (от 3,5 до 3,7 ГГц) одновременно.

В декабре 2016 года FCC обеспечила предварительную сертификацию семи поставщикам, для управления системой, основанной на этих достижениях, которые могут позволить трем типам пользователей делить одинаковый диапазон частот. Эта технология теперь готова увеличить пропускную способность беспроводных сетей на частоте 3,5 ГГц. И если эта технология будет развернута на разных частотах, то таким образом можно увеличить пропускную способность в будущем.

Рисунок 1. Совместное использование эфира

Совместное использование спектра позволит нескольким типам пользователей передавать сигнал на одной радиочастотной полосе одновременно. Федеральные агентства, в том числе военные, будут иметь наивысший приоритет во всей группе [1]. Компании, которые приобретают лицензии, будут вторыми по очереди [2]. Любой, у кого есть совместимое устройство, может использовать остальную часть диапазона [3]. Система доступа к спектру собирает информацию от датчиков и баз данных для управления и назначения полосы пропускания [4].

Исторически сложилось так, что правительство и большинство других национальных регулирующих органов контролируют спектр, предоставляя бесплатные лицензии, которые обозначают конкретную частоту использования компанией. Затем, в 1980-х годах, FCC представила нелицензированные полосы, которые теперь используются для Wi-Fi и Bluetooth. Любой человек мог бы работать в этих полосах, если он использовал сертифицированное радиооборудование, и знал, что использование будет подвержено помехам.

В середине 1990-х годов, когда беспроводная связь росла, правительство начало проводить конкурсные аукционы по лицензиям. Сегодня большинство мобильных данных тратится по сетям, которые полагаются либо на лицензионный спектр, который был приобретен на аукционе (например, 4G LTE), либо на нелицензионном спектре (например, Wi-Fi).

Однако большая часть радиоспектра, который находится на низких и средних диапазонах, по которым сигналы могут перемещаться относительно далеко и надежно, выделяется для других целей. В целом, большая часть полос частот в этих диапазонах зарезервированы для федерального использования или управляются таким образом, который в противном случае ограничивает коммерческий доступ.

Политика в области радиоспектра сосредоточена на «очистке» федеральных пользователей от диапазона частоты и переназначении этих частот компаниям. К сожалению, этот процесс дорог и занимает очень много времени. Национальное управление по телекоммуникациям и информации как-то оценило, что перемещение федеральных пользователей из одной группы обойдется в 18 миллиардов долларов и займет не менее 10 лет. [3 https://www.gao.gov/assets/660/654794.pdf]. Преобладающая «прозрачная» политика управления использованием спектра столкнула коммерческих и федеральных пользователей. Именно на этом фоне политики начали изучать другие варианты.

Диапазон 3,5 ГГц состоит из 150 мегагерц спектра, который ранее был зарезервирован для военно-морских радаров и спутниковых служб. В соответствии с новыми правилами обмена FCC эти пользователи при необходимости получают приоритетный доступ к группе. Поскольку эта группа недостаточно используется этими пользователями (уровень 1), до 100 МГц полосы будут доступны для компаний, которые приобретают лицензии для доступа к ее части (уровень 2), а часть 80 МГц этого диапазона теперь становится доступными для общего использования (уровень 3). Нелицензированные пользователи будут иметь самый низкий приоритет. Наивысший приоритет во всей группе относится к федеральным агентствам, а лицензированные пользователи занимают второе место.

Рисунок 2. Распределение совместного использования диапазона частот

Это означает, что кто-то может слушать подкаст (уровень 3), в то время как военная база управляет радаром (уровень 1) в другом месте в группе, а T-Mobile заполняет другую часть трафиком из своей сети LTE (уровень 2). Доступ к общему спектру будет осуществляться по всей стране для обеспечения максимальной эффективности и минимизации помех. [4] Это соглашение должно помочь избежать ситуаций, например, когда потоковая передача большой спортивной трансляции, сбивающая военный радар, и он не может работать.

Разделение спектра - не новая идея. Сотовые операторы часто заключают сделки, чтобы позволить друг другу получить доступ к диапазону частот, который они лицензировали. И устройства Wi-Fi следуют технологии Listen-Before-Talk (LBT), в котором сигнал Wi-Fi проверяет окружающую среду радиосвязи перед передачей, чтобы уменьшить помехи. Но этот метод не работает, если некоторые пользователи (например, военные) требуют более высокого приоритета, чем все остальные.

Задача для совместного использования полосы 3,5 ГГц - определить, какие пользователи получают доступ к полосе и назначить им пропускную способность на основе их приоритетного статуса, всего за несколько миллисекунд. FCC придумал название новой технологии для достижения этой цели: систему доступа к диапазону частот.

За последние несколько лет сертифицированные компании начали строить свои системы, и вскоре будут работать в разных регионах. Как только эти системы начнут работать, совместное использование диапазона частот улучшит существующие сети и обеспечит доступное широкополосное покрытие.

2. Технология совместного использования диапазона частот разработанная компанией Federated Wireless

В ходе разработки системы доступа к диапазону частот, компании Federated Wireless потребовалось две основные части: облачная база данных и сеть обнаружения в реальном времени. Постройка и первое тестирование началось в 2015 году. В сентябре 2017 года запущен  контроллер спектра, набор технологий разделения диапазона частот, который включает в себя систему доступа к диапазону частот и сделали ее коммерчески доступной для широкомасштабных испытаний до сертификации FCC.

Первым компонентом такой системы является обнаружение в режиме реального времени военно-морского радиолокатора в диапазоне 3,5 ГГц, чего сегодня нет в телекоммуникациях. С появлением общего диапазона частот появилась потребность в безопасной и надежной сети, которая могла бы сообщить, когда высокоприоритетные пользователи хотели получить доступ к диапазону частот, как в случае кораблей ВМФ, которые приближаются к берегу.

Развернуты безопасные радиочастотные датчики вдоль побережья США и вблизи федеральных наземных радиолокационных объектов. В этих областях эта сеть обнаруживает радары, работающие в диапазоне 3,5 ГГц и вокруг него, и надежно передает эту информацию в систему доступа к диапазону частот.

Основываясь на этой информации, система инструктирует других пользователей освобождать канал и направляет их на альтернативный канал, если они слишком близки к федеральным радиолокационным системам. Важно отметить, что сеть не хранит, не сохраняет, не передает или не раскрывает какую-либо информацию о местонахождении или передвижениях любых радиолокационных систем или других федеральных операций в целях защиты их безопасности.

Помимо радиочастотных датчиков, контроллер спектра также собирает информацию от специальных устройств о том, кто работает в диапазоне 3,5 ГГц. Эти устройства включают в себя закрытые точки доступа, развернутые так же, как маршрутизаторы Wi-Fi, и несколько более мощные точки доступа. После установки эти устройства автоматически регистрируются в контроллере диапазона частот, который затем может управлять полномочиями и назначением каналов для всех таких устройств в пределах области.

Контроллер диапазона частот принимает информацию, которую он собирает с этих устройств и радиочастоту, и добавляет все это в базу данных; база данных группирует все устройства в пределах географической области, которые могут попытаться получить доступ к диапазону 3,5 ГГц в любое время. База данных включает в себя приоритет и местоположение каждого устройства, и обновляет данные каждые несколько миллисекунд.

Затем система Federated Wireless назначает частоту и уровень мощности каждому пользователю или радио в непосредственной близости. Позже, этот процесс подвергся автоматизации, путем включения алгоритма машинного обучения, которые моделируют среду радиосвязи. Создана новая база данных на облачной платформе Amazon Web Services, чтобы позволить контроллеру диапазона частот использовать вычислительную мощность, необходимую для быстрого принятия решений, и изолировать его от сбоев.

Чтобы помочь всем поставщикам систем доступа к диапазону частот координировать и обмениваться данными, некоммерческий форум Wireless Innovation Forum определил протоколы для работы в диапазоне 3,5 ГГц. Протоколы позволяют поставщикам обмениваться информацией напрямую с отдельными устройствами или с прокси-сервером, представляющим сеть устройств (например, все устройства в области, принадлежащей одной сети).

Эта технология представляет собой фундаментальное изменение прошлых беспроводных сетей. Ранние аналоговые беспроводные сети избегали помех, подразделяя доступный диапазон частот на небольшие приращения. Каждая беспроводная вышка будет транслировать на собственных выделенных частотах, которые были полностью отделены от тех, что использовались соседними вышками. В новой системе, беспроводные сети больше не нуждаются в исключительных частотных присвоениях - это только уверенность в том, что другие сигналы будут динамически управляться для обеспечения справедливости в соответствии с правилами, установленными FCC.

В будущем распределение спектра может быть применено к большему количеству диапазонов, что делает сети еще более адаптируемыми. Благодаря мелкомасштабному управлению, которое предлагает система доступа к диапазону частот, сети могут более легко балансировать трафик от подключенных датчиков, пользователей смартфонов и критической инфраструктуры. Сетевым администраторам больше не нужно будет управлять помехами, разделяя пользователей.

Телекоммуникационные компании могут использовать эту технологию для расширения доступа к беспроводной сети в сельских районах с помощью относительно недорогих лицензий на 3,5 ГГц. Оба поставщика, специализирующиеся на сотовой службе, и те, которые специализируются на Wi-Fi, добавляют радиостанции с частотой 3,5 ГГц для доступа к точкам. Фактически, отели и конференц-центры могут использовать небольшие ячейки, запрограммированные на 3,5 ГГц, для предоставления беспроводного Интернета своим гостям в качестве дополнения к Wi-Fi. Предприятия могут использовать их для развертывания частных сетей для промышленного использования.

3. Заключение

FCC уже рассматривает возможности совместного использования диапазона частот в дополнительном диапазоне полосы пропускания, включая полосы от 3,7 до 4,2 ГГц и 6 ГГц. Так же, приняты во внимание проекты для новых радиостанций 5G для базовых станций, которые включают протоколы общего использования диапазона частот.

Соединенные Штаты привели мир к тому, чтобы позволить федеральным и коммерческим пользователям использовать диапазон частот, но концепция вскоре может появиться в другом месте. Страны Европы, Азии наблюдают за продвижением США в этой технологии и могут разрабатывать планы по ее принятию.

Как и Airbnb и Uber, использование общего диапазона частот может существенно изменить способ оказания основных услуг. Теперь компании смогут воспользоваться новым диапазоном частот, не заплатив лицензионных сборов в миллиарды долларов. Спустя почти столетие после первого коммерческого радиовещания эта новая технология может, наконец, сделать радиоволны доступными в беспроводных сетях так же быстро, как и рост спроса на них.

Список литературы:

1. Публикация исследовательской, консультационной компании.  URL:https://www.gartner.com/newsroom/id/3598917 (дата обращения: 30.04.2018)
2. Нормативы Федеральной Коммуникационной Комиссии. URL: https://www.fcc.gov/wireless/bureau-divisions/broadband-division/35-ghz-band/35-ghz-band-citizens-broadband-radio (дата обращения: 30.04.2018)
3. Доклад комитету по вооруженным силам. 2013, 33с. URL: https://www.gao.gov/assets/660/654794.pdf (дата обращения: 30.04.2018)
4. Новостная публикация. URL: http://www.mforum.ru/news/article/112928.htm (дата обращения: 30.04.2018)
5. Аналитический обзор. 2017, 4с. URL:http://www.federatedwireless.com/wp-content/uploads/2017/09/CBRS-Spectrum-Sharing-Overview.pdf (дата обращения: 30.04.2018)