Principale tendance IoT/5G pour 2022 et au-delà: le service de radio à large bande pour les citoyens

Le Citizens Broadband Radio Service est sur le point de révolutionner la cinquième génération de communications cellulaires. Au cours des 6 dernières années, cette partie non commercialisée du spectre radioélectrique a suscité un intérêt croissant de la part de divers intervenants qui explorent des moyens de l'exploiter pour soutenir l'augmentation rapide de la demande de bande passante par l'IdO ainsi que le déploiement de la 5G.

Cette bande de fréquence de 3,5 GHz  est incroyablement accessible et, naturellement, sera très demandée pour un large éventail d'applications. Ce guide explique ce que le Citizens Broadband Radio Service fournit, un résumé concis de sa portée en matière de connectivité cellulaire pour la 5G et l'IoT.

Qu'est-ce que le Citizens Broadband Radio Service?

La Federal Communications Commission (FCC) a créé le Citizens Broadband Radio Service (CBRS) en 2015, créant une bande de 150 MHz qui serait disponible pour une utilisation commerciale et fédérale partagée. À l'époque, il s'agissait d'un pas important vers la libéralisation du spectre. C'est ce que la Commission a fait dans la bande 3,5 GHz (entre 3550 et 3700 MHz) en créant un cadre à trois niveaux pour l'autorisation et l'accès des utilisateurs de la bande. Les règles adoptées pour l'utilisation de la bande CBRS sont énoncées dans les règles de la FCC (47 CFR Part 96 - CITIZENS BROADBAND RADIO SERVICE).

Le spectre dans la bande CBRS est géré dynamiquement par un système d'accès au spectre

L'accès à la bande CBRS est contrôlé par un système d'accès au spectre (SAS) qui coordonne l'accès à la bande de fréquences. Le SAS dispose d'une base de données régulièrement tenue à jour qui enregistre chaque appareil de radio à large bande (CBSD) ou station de base. Les informations disponibles comprennent le niveau d'accès autorisé, l'emplacement et l'attribution des canaux.

Ceci est essentiel car les fréquences CBRS sont également utilisées par le ministère américain de la Défense pour des applications radar. SAS reçoit et utilise donc des données d'un réseau de capteurs militaires qui détecte les transmissions des systèmes radar du ministère de la Défense. Il attribuera ensuite des canaux à l'intérieur de la bande en fonction des niveaux d'accès par palier décrits ci-dessous. Les systèmes d'accès au spectre et la capacité de détection environnementale (ESC) spécialisée qui surveille les radars doivent être approuvés par la FCC. Il existe plusieurs versions de ce logiciel qui peuvent être utilisées pour gérer l'accès à la bande CBRS de la même manière qu'un logiciel de gestion d'accès aux canaux en WiFi.

La FCC fournit 3 niveaux d'autorisation des utilisateurs et d'accès à la bande CBRS

Accès CBRS de niveau 1

C'est ce qu'on appelle l'accès des titulaires et il est à usage fédéral. Ce niveau d'accès doit être protégé contre les interférences provenant des niveaux inférieurs. Les applications qui ont un accès en place comprennent le service fixe par satellite, avec des satellites espace-terre, et certains services sans fil à large bande qui sont en train d'être éliminés progressivement.

Accès CBRS de niveau 2

C'est ce qu'on appelle l'accès prioritaire et n'est accessible qu'aux utilisateurs sous licence. Les licences d'accès prioritaire (PAL) sont mises aux enchères comté par comté, avec jusqu'à 7 licences disponibles par comté. Les PAL couvrent l'accès aux canaux de 10 MHz qui sont disponibles entre 3550 et 3650 MHz et qui durent 10 ans, après quoi ils peuvent être renouvelés. Un seul titulaire de licence ne peut détenir qu'un maximum de 4 PAL/canaux qui peuvent être agrégés. Les titulaires de licence doivent également satisfaire aux principales exigences de rendement et reconnaître que leur service sera touché par les activités des utilisateurs de l'accès titulaire. L'accès de niveau 2 est protégé contre les interférences provenant des utilisateurs de niveau 3.

Accès CBRS de niveau 3

C'est ce qu'on appelle l'accès autorisé général (GAA) et il s'agit d'un niveau de licence légère qui est essentiellement ouvert à tous tant que l'utilisation est conforme aux règles de la partie 96. L'accès de niveau 3 s'étend de 3550 à 3700 MHz et est utilisé par les utilisateurs d'accès prioritaire. Les utilisateurs GAA doivent également accepter les interférences des niveaux supérieurs et d'autres utilisateurs GAA. sans aucune protection.

CBRS est devenu un nouveau service cellulaire novateur

La bande CBRS s'est avérée être un modèle efficace de la façon dont des portions plus larges du spectre radio peuvent être utilisées pour transporter des données sans fil pour les fournisseurs de services et les entreprises. CBRS contribue de manière significative à la couverture de la bande moyenne 4 et de la 5G pour:

• Accès fixe sans fil (FWA)
• Réseaux de petites cellules
• IoT industriel (IIoT)
•  Réseaux LTE privés
• Points d'accès MIMO  massifs (mMIMO)

La bande CBRS a déjà été utilisée pour fournir une connectivité LTE pour les réseaux cellulaires privés utilisés pour prendre en charge les appareils IoT critiques de l'industrie. La solution CBRS « toujours active » basée sur la technologie LTE pour les entreprises, baptisée « OnGo », est maintenant en train d'être remplacée par les opérateurs 5G avec de nouvelles façons d'offrir des performances réseau sécurisées plus élevées.

Le modèle CBRS s'inscrit dans l'objectif de la 5G de prendre en charge une grande partie des connexions IoT mondiales par le biais de la branche Massive Machine Type Communications de la 5G. CBRS est bien placé pour fournir aux fournisseurs de services 5G une approche innovante pour créer une architecture de réseau adaptable, réactive et à l'épreuve du temps. L'Alliance CBRS certifie le matériel et les logiciels CBRS et prend en charge l'interopérabilité multifournisseur dans la bande 3,5 GHz.

Au fur et à mesure que les années 2020 progressent, l'accès au spectre de CBRS devrait soutenir plusieurs nouveaux marchés passionnants

[A] CBRS devrait aider les opérateurs de réseaux 5G à atteindre les performances GBPS+

Le projet de partenariat de troisième génération (3GPP), en collaboration avec l'Union internationale des télécommunications (UIT), a spécifié des normes de performance que les opérateurs de réseaux mobiles doivent respecter pour fournir un service 5G aux utilisateurs finaux. La vitesse du réseau est un élément critique, avec des débits de données allant jusqu'à 2 gigabits par seconde possibles avec des appareils 5GNR. Les performances du gigaoctet par seconde (Gbit/s) sont une caractéristique clé des réseaux 5G, et les opérateurs testent de nouvelles façons d'y parvenir pour un grand nombre d'appareils. Les vitesses réelles varient considérablement en raison de l'emplacement et du débit de données des téléphones portables, ainsi que de la demande d'IoT et de haut débit mobile. Avec les fréquences CBRS, les opérateurs sans fil peuvent exploiter ce spectre supplémentaire sans avoir besoin d'une licence de spectre commerciale, soit directement, soit via un hôte neutre en matière de réseau. Le CBRS est susceptible d'être utilisé dans le cadre d'une stratégie visant à augmenter les vitesses en recevant du trafic cellulaire à bande moyenne déchargé provenant de réseaux surchargés, les réseaux peer-to-peer et privés gérant le trafic en échange d'une rémunération de la part des grands opérateurs de réseau.

[B] La bande CBRS est ciblée pour la prise en charge des applications IoT et des réseaux de capteurs

L'industrie cellulaire s'est empressée de fournir des solutions et des normes de réseau sans fil cellulaires pour soutenir l'expansion massive de l'Internet des objets. Actuellement, une variété de technologies de réseau sans fil, notamment ZigBee, WiFi, Bluetooth et LoRa, sont utilisées avec des niveaux variables de performance et d'accessibilité. Comme la bande CBRS est utilisée avec la technologie cellulaire et qu'elle est bien intégrée à l'infrastructure cellulaire existante, on s'attend à ce qu'elle reçoive une partie du débit généré par les appareils IoT qui doivent accéder à Internet pour transférer des données vers le cloud. Cela peut être supervisé par les grands opérateurs de réseau, ou être distribué à plusieurs titulaires de licence PAL CBRS plus petits qui fournissent un accès par passerelle à cette fin spécifique.

[C] Les réseaux cellulaires privés peuvent être exploités via des canaux CBRS

La récente vente aux enchères de PAL CBRS de la FCC a soulevé la possibilité que la bande CBRS soit utilisée pour fournir un réseau cellulaire privé via la radio à petites cellules CBRS. Cette connectivité à bande moyenne est adaptée à la prise en charge de réseaux cellulaires d'entreprise sécurisés pour les applications IoT sensibles et les actifs tels que les robots utilisés dans l'industrie ou les soins de santé.

Les réseaux cellulaires privés CBRS sont susceptibles de devenir une alternative très demandée au WiFi ou aux réseaux cellulaires commerciaux, en particulier lorsque la disponibilité et la qualité des connexions sont médiocres. Les réseaux CBRS privés peuvent offrir une plus grande confidentialité et un meilleur contrôle. La technologie radio à petites cellules réglée sur la bande 3,5 GHz peut être facilement acquise et est facile à déployer pour une couverture sans fil ciblée et personnalisée.

[D] Le CBRS a fait de la place pour que de nouveaux opérateurs et d'autres opérateurs fournissent des services de réseau cellulaire

Les enchères PAL ont offert aux opérateurs de réseaux cellulaires entrants une occasion rare d'acquérir un accès au spectre pour les réseaux 5G. Il s'agit d'une libéralisation massive du marché, les dispositifs radio CBRS à petites cellules servant de passerelles pour les réseaux cellulaires privés, décentralisés et HetNet. L'accès d'entreprise est inévitable. Le   réseau 5G Nova Labs (Helium) en est un exemple notable  . Nova Labs s'est associé à FreedomFi, un fabricant de passerelles pour les réseaux cellulaires privés, afin de mettre en place un réseau cellulaire entièrement décentralisé composé de nœuds exploités par des particuliers. La couverture cellulaire fournie sera utilisée pour décharger le trafic des grands opérateurs et prendre en charge la connectivité IoT à Internet. En échange de l'exploitation d'une passerelle, les membres de Nova sont payés dans une crypto-monnaie propriétaire connue sous le nom de Helium Network Token (HNT), qui vaut actuellement environ 14 $ par jeton. Nova Labs a déjà démontré son succès dans ce modèle de réseau peer-to-peer avec son  réseau basé sur LoRa.

L'accès au spectre CBRS repose sur les petites cellules CBRS

Les petites cellules sont des dispositifs radio qui permettent d'accéder au réseau cellulaire dans la bande 3,5 GHz. Ils sont compacts et discrets, ce qui signifie qu'ils peuvent être facilement montés à l'intérieur ou à l'extérieur. Comme l'accès à la CBRS est nettement moins cher que celui des bandes conventionnelles autorisées, les petites cellules CBRS sont en demande. Les petites cellules CBRS ont non seulement de faibles coûts de déploiement, mais sont souvent en mesure d'échapper à l'autorisation de planification pour l'installation en raison de leur compacité et de leur utilisation en intérieur.

Depuis 2019, la CBRS Alliance et le Small Cell Forum travaillent ensemble à l'augmentation de l'adoption des solutions de réseau cellulaire dans la bande CBRS. L'adoption des petites cellules CBRS augmente, avec un marché important en développement pour les radios à petites cellules CBRS et les antennes pour les réseaux cellulaires privés. D'ici 2022, on s'attend à ce que plus d'un tiers des déploiements de petites cellules utilisent la bande 3,5 GHz, les petites cellules devenant un facteur important de densification du réseau.

Antennes pour petites cellules CBRS

Les applications les plus perturbatrices et décentralisées de CBRS devront être en mesure de fournir une couverture robuste et fiable si elles veulent rester viables. L'aspect le plus important de l'optimisation de la couverture des HetNets en bande CBRS ou des passerelles privées sera le choix de l'antenne. La FCC ne spécifie pas les caractéristiques d'antenne pour les dispositifs radio CBRS, mais les règles CBRS spécifient deux classes clés de dispositifs:

1. Dispositifs CBRS de classe A:Ces appareils sont adaptés à une utilisation en intérieur et sont des petites cellules ou des stations de base essentielles. La PREIF des antennes utilisées dans ou avec ces appareils est de 1 Watt (+30 dBm). Les radios de classe A sont généralement utilisées avec unantenne omnidirectionnelleavec jusqu'à 2Gain dBiouantenne directionnelleavec jusqu'à 6 dBi.
2. Appareils CBRS de classe B: Ces appareils plus puissants sont conçus pour une utilisation en extérieur avec une puissance maximale autorisée allant jusqu'à 50 watts. Ces appareils fournissent une connectivité cellulaire à large bande dans des environnements commerciaux ou industriels.

Les radios CBRS et les petites cellules comprennent généralement une antenne interne fixe qui limite la couverture que la petite cellule peut fournir. En utilisant une antenne externe de haute qualité pour la bande 3,5 GHz, la couverture et la qualité de service peuvent être mieux optimisées car le positionnement de l'antenne peut être ajusté facilement. Le brouillage dans cette bande partagée étant un réel problème, une antenne à gain élevé pourrait faire toute la différence pour maintenir la qualité du service. Les choix d'antennes pour la bande 3,5 GHz comprennent:

• Antennes omnidirectionnelles et directionnelles 3,5 GHz
• Antennes véhiculaires/mobiles 3,5 GHz 
• Antennes internes 3,5 GHz

En tant que l'un des principaux fournisseurs d'antennes, de câbles et d'accessoires de réseau cellulaire du Sud-Ouest, nous savons que le choix des antennes sera essentiel pour exploiter les avantages des réseaux à petites cellules et du spectre partagé dans la bande CBRS. Parcourez notre vaste inventaire d'antennes 5G cellulaires et à bande moyenne   ou contactez-nous directement par téléphone ou par courriel pour des demandes spécifiques.

Installations et considérations relatives aux petites cellules CBRS

Le déploiement de petites cellules CBRS ne se limite pas à la sélection du bon appareil. Une installation et une configuration correctes sont essentielles pour des performances réseau optimales. Voici quelques considérations clés:

• Sélection de l'antenne: Comme nous l'avons vu précédemment, il est crucial de choisir une antenne appropriée pour la zone de couverture et l'application souhaitées. Des facteurs tels que le gain de l'antenne, la directivité et la gamme de fréquences jouent tous un rôle dans l'optimisation de la force du signal et de l'efficacité du réseau.
• Connexions d'antenne compatibles: Il est tout aussi important d'assurer une connexion sûre et fiable entre la petite cellule CBRS et l'antenne choisie. Cela implique souvent l'utilisation de câbles et d'adaptateurs spécialisés compatibles avec les types de connecteurs spécifiques de la petite cellule et de l'antenne.

Bien que les spécifications techniques de ces câbles et connecteurs (U.FL, SMA, RP-SMA, MMCX) dépassent le cadre de cet article, le choix des bons câbles est essentiel pour une communication transparente au sein du réseau CBRS.