探索面向Wi-Fi 6GHz领域的自动频率协调(AFC)技术

标签:RFQorvoWi-Fi
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Wi-Fi 6E/7三频技术将提供额外的1200MHz带宽,为实现千兆位速度的网关打开大门。然而,这额外的带宽还需要一些额外的共存技术才能在某些环境中运行。在6GHz频段,许可运营的固网、公共运营商,以及本地电视传输、广播辅助和有线电视转播服务也在同一带宽内,因此需要采取一些更高级别的频谱共存措施。
三频技术
 
在下文中,我们将探讨这种情况会造成的影响,以及美国联邦通信委员会(FCC)如何通过决议来帮助确保Wi-Fi与其它许可及非许可无线电能够公平、一致地共存。
 
6GHz频段现有许可运营商
 
正如下图所示,当前在6GHz频段中的几个“玩家”包括固定无线、固定卫星和移动运营商。为在该频段运营,这些现有用户已支付许可费用。因此FCC必须采取措施来保护他们的投资。Wi-Fi 6E和Wi-Fi 7涵盖整个UNII-5至UNII-8频谱;因此,在现有无线电信号所在区域,需要满足一些要求来确保共存;这便是自动频率协调(AFC)发挥作用的领域。
6GHz频段
 
为保护6GHz频段内的现有网络运营商,超过低功率室内(LPI)所规定功率水平的非许可设备和任何室外设备只能在AFC系统的控制下访问频谱。这将有助于减少对现有服务的干扰,并为非许可的创新应用增加所需频谱。
 
FCC与6GHz频段法规
 
2020年4月,FCC一致投票通过了6GHz频段无线操作的新规则,向Wi-Fi接入点(AP)等非许可设备开放了1200MHz频谱。这一决定将Wi-Fi的可用带宽增加了两倍,为回传、游戏,以及面向更高数据容量、室外网状网络和密集室外部署等场景带来更多频谱。
 
6GHz频段的开放意味着室内和室外Wi-Fi接入点(AP)都能在家中及露天体育场、停车场、户外咖啡馆等场所享受高数据速率的视频流。
 
用于室内操作的LPI模式AP,在运行时将考虑到建筑物墙壁会对设备信号造成一定程度的削减,从而确保不会干扰已获许可的现有设备。此外,FCC还定义了一种标准功率AFC控制模式,可为室内和室外操作授权。而对于非许可室内低功率接入点,这一规定为高至320MHz的信道提供了扩展容量与性能的机会。
 
FCC的规定授权在6GHz频段中进行两类非许可操作,如下表所示。第一类设备将是在UNII-5和UNII-7频段使用自动频率协调(AFC)的标准功率接入点;这将允许在5GHz和6GHz频段中使用非许可宽带。AFC将减轻可能对现有固定和移动许可服务提供商造成的干扰。标准功率AP在6GHz频段开始运行之前,必须先与AFC系统进行交互。我们稍后将在本文详细讨论这一问题。
 
客户端设备使用的功率水平取决于接入点的类型——即标准功率或LPI AP规定的功率。其最大功率级别取决于使用地点。当客户端设备受标准功率AP控制时,将距离接入点很近;并且进行传输时,只能使用AFC系统确定不会对固定微波链路造成干扰的频率。
AFC系统
AFC系统
 
这两项规定都将优化非许可Wi-Fi对6GHz频谱的接入,同时保护现有服务。
 
自动频率协调(AFC)流程系统详解
 
FCC在全美范围内监管无线电、电视、有线和卫星的跨州及国际通信,负责执行和实施所有通信法律与法规。固定微波系统已被要求向FCC注册——注明其位置和天线高度。这些信息可通过AFC系统获取。
 
AFC系统将设立禁区,禁止非许可设备的运行。例如,在AP启动传输之前,标准功率AP需要从AFC系统获取允许或禁止传输的频率列表。由此,AFC系统将为固定服务微波链路带来保护。(见下图)
自动频率协调
 
AFC系统将有助于管理并消除AP与固定及移动微波基础设施系统间任何可能存在的干扰;还能够保护某些射电天文台所用的频率。AFC对微波链路的了解基于上图所示的通用许可系统(ULS)数据库。其作为UNII-5和UNII-7频段许可微波链路的现有数据库,也是这些波段微波链路的官方许可数据库,包含基于站点许可的广泛技术数据,如发射机和接收机位置、频率、带宽、极化、发射机EIRP、天线高度,以及所用天线和设备的品牌与型号。
 
AFC每日与ULS数据库同步。根据FCC的规定,AP需要每天登入AFC系统,以确认不存在固定微波客户端——从而杜绝任何无线信号干扰。
 
与AFC系统连接后,AP设备将根据该AP可能产生的干扰模型,确定适合AP使用的Wi-Fi信道。然后,其将计算出一个AP能够对现有固定微波系统产生干扰的禁区;进行这一计算需要AP的位置和天线高度。
 
FCC规定对工程师的影响
 
要充分利用6GHz频谱,工程师必须采纳一些最佳实践案例,以确保在满足FCC要求的同时获得愉快的用户体验。
 
首先,供室内使用的设备最好能在标准和低功耗模式下运行。理想情况下,当出现干扰问题时,设备会默认为LPI模式。
 
对于室外设备,工程师必须意识到他们的AP产品将受到FCC规则的约束——即需要具备AFC系统功能并符合合规性。因此,设计面向室外AP产品的开发工程师必须考虑到AFC的系统要求、散热考量,和环境条件,同时满足标准功率规定。
 
例如,高功率的标准功率AP设备会比在低传输水平LPI模式运行的设备产生更多热量。因此,在设计支持标准功率AFC的设备时,需要更具功率效率的AP组件。
 
为此,工程师们的明智之举,是采用基于更高效半导体工艺的标准功率AP单元中使用的组件,以及可在提高功率的同时控制热量,并能生成更高效RF信号的高性能滤波器。这将有助于提高AP的性能,进而减少热量的产生。
 
展望新机遇
 
的确,提升至6GHz频率范围带来更大的数据流容量和更佳的用户体验,但这一带宽空间已被他人使用。FCC意识到了这一点,并与用户、系统开发商和标准组织协作,以确保所有无线用户协调一致。他们的解决方案是利用AFC系统来确保该空间内的许可服务提供商保持其服务水平,同时让其它非许可提供商也能获得频谱容量。
 
虽然AFC目前严格适用于FCC的监管区域——也就是美国,但也可能扩展至其它地区;尤其是那些具有相似频率许可范围的地区。其中一个限制因素是各国必须维护成熟的许可技术清单及其相应的功率水平与位置——当前在美国之外的地区仍然是一个限制因素。
 
目前,专注于利用6GHz频谱优势的工程师,可在器件设计中借助FCC建立的AFC系统为美国消费者打造全新体验。因此,通过采用AFC,工程师能够在受监管区域的UNII-5和UNII-7 6GHz频段扩展其Wi-Fi产品范围,最终避免对该频段的现有用户造成干扰。这一系统将助力许可和非许可服务领域的无线工程师紧密合作,共同开发未来的新应用。
 
关于作者
# David Schnaufer技术营销传播经理
David作为Qorvo应用工程师的代言人,提供有关RF趋势的技术见解,并帮助RF工程师解决复杂设计问题的技巧。
 
# Jeremy Foland
无线连接高级产品营销经理
Jeremy聚焦Wi-Fi;他自2007年开始从事有线及无线网络领域的工作,见证了行业的发展与繁荣。如今,他无论是在扩大Qorvo产品组合中的成就还是作为公司与Wi-Fi联盟的联络人角色,都对Wi-Fi技术的发展产生了直接影响。
 

文章转载自Qorvo半导体微信公众号

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