5G非授權(quán)頻譜技術(shù)與應用建議

盧斌 陳兵

【摘 ?要】

隨著移動通信業(yè)務量的不斷增長，授權(quán)頻段的短缺問題日益明顯，非授權(quán)頻段的使用必要性不斷提高。對現(xiàn)有非授權(quán)頻譜資源進行分析，闡述了NR-U標準化研究進展、部署場景和其他非授權(quán)頻譜主要技術(shù)，然后分析NR-U的主要增強技術(shù)，包括LBT（先聽后說）、COT（占用時間）和上行信號變換技術(shù)等，最后對NR-U的應用進行思考和分析，并提出了相關(guān)建議，為NR-U技術(shù)業(yè)務發(fā)展提供參考。

【關(guān)鍵詞】NR-U;非授權(quán)頻譜技術(shù);LBT;COT

[Abstract]

With the continuous growth of mobile communication traffic， the shortage of licensed frequency bands become increasingly obvious and the adoption of unlicensed frequency bands becomes increasingly necessary. This paper analyzes the current unlicensed spectrum resources， illustrates the standardization research progress， deployment scenarios， and other key unlicensed spectrum technologies. Then the key enhanced techniques of NR-U are analyzed including LBT （listen before talk）， COT （channel occupancy time）， and uplink signal conversion technology. Finally， the paper gives some considerations and suggestions about application of NR in unlicensed spectrum to provide reference for the development of NR-U technology and service.

[Key words]5G NR; unlicensed spectrum; listen before talk; COT

0 ? 引言

目前公眾移動通信網(wǎng)均使用授權(quán)頻譜，由各國電信或頻率管理部門分配授權(quán)或拍賣，在授權(quán)頻譜范圍內(nèi)不允許其他技術(shù)和網(wǎng)絡使用，以確保移動網(wǎng)絡的質(zhì)量和安全。授權(quán)頻譜是移動通信運營商的重要資源，有效利用無線頻譜已成為移動通信技術(shù)發(fā)展的重要推動力。盡管5G技術(shù)的頻譜效率比4G高3～4倍，但高清視頻、AR/VR等業(yè)務不斷增長，原有的授權(quán)頻段資源已不能滿足需求，為此3GPP積極尋求5G等新技術(shù)在非授權(quán)頻譜上的應用部署方案。

在非授權(quán)頻譜中使用5G技術(shù)，關(guān)鍵在于如何保障已有非授權(quán)頻譜系統(tǒng)的正常使用，保證其資源使用的公平性，降低彼此間的干擾，合理共享頻譜，最大化頻譜效率。

隨著5G使用非授權(quán)頻譜的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)成熟，為降低運營成本，更多的企業(yè)和客戶將采用非授權(quán)頻譜作為可選的解決方案，這種趨勢對傳統(tǒng)移動運營商形成新的壓力并提出挑戰(zhàn)，移動運營商必須加強5G在非授權(quán)頻譜中的技術(shù)標準研究和實踐。

1 ? 非授權(quán)頻譜與技術(shù)

目前全球的非授權(quán)頻譜資源，主要分布在2.4GHz、5GHz、6GHz和60GHz頻段，不同頻段在不同地區(qū)的規(guī)定略有差異[1，3，7]，其中6GHz頻段主要為美國和歐洲新分配的，圖1為全球非授權(quán)頻譜資源分布。2.4GHz頻段廣泛使用于SIM領域和室內(nèi)Wi-Fi，只有83.5M頻譜帶寬，頻率資源非常擁擠。5GHz頻段資源中，美國和加拿大有580MHz，歐洲和日本有455MHz，中國有325MHz資源，相對比較空閑。對于6GHz頻段和60GHz頻段，美國FCC在2020年4月份已經(jīng)發(fā)布6GHz頻段用于免授權(quán)使用，共有1200MHz，頻譜資源豐富，歐洲、日本和中國的頻譜主管部門都在積極跟進中。目前主要考慮5GHz、6GHz和60GHz頻段中使用5G NR增強技術(shù)。

每個頻段劃分為不同載波或信道，不同無線通信技術(shù)（RAT）將會使用1個或多個載波。比如5GHz頻段，以20MHz為基本載波帶寬，可按照20M、40M、80M、160M帶寬使用。

非授權(quán)頻段具有無需許可的共享特性，以競爭頻譜的方式提供盡力而為的服務，按照信道訪問公平性，多RAT共存的原則來使用。任何一種在非授權(quán)頻譜下的RAT技術(shù)需要滿足功率和功率譜密度等級、最大信道占用時間、信道占用帶寬、信道監(jiān)測機制[1]等要求，合理占用信道和釋放信道，對同一頻帶中的其他RAT系統(tǒng)不能造成干擾。

現(xiàn)有Wi-Fi中的競爭機制基本要求是LBT（Listen Bofore Talk，先聽后說），在數(shù)據(jù)發(fā)送之前必須先監(jiān)聽信道的被占用情況，滿足條件時才能使用該信道，而且在最大占用時間（MCOT）結(jié)束后釋放信道。由于非授權(quán)頻段免許可和搶占性，許多國家或地區(qū)（如日本、歐盟等）將支持LBT技術(shù)作為非授權(quán)頻段使用的必選項，而中國和美國等則沒有強制要求LBT。

2 ? 非授權(quán)頻譜技術(shù)的標準化進展

為適應移動通信數(shù)據(jù)業(yè)務迅猛增長的需求，利用非授權(quán)頻譜來分擔蜂窩網(wǎng)絡的壓力，非授權(quán)頻譜技術(shù)不斷涌現(xiàn)。由LTE-U Forum提交的LTE-U（LTE Unlicensed）方案在3GPP R12版本中體現(xiàn)，在3GPP R13 規(guī)范中已批準了LBT 的LAA（Licensed Assisted Access，授權(quán)輔助接入）和網(wǎng)絡間互操作的LWA（LTE-WLAN Aggregation，LTE-WLAN聚合）。美國高通公司主導的Mutefire技術(shù)，可以不依賴授權(quán)頻段錨點、獨立部署在非授權(quán)頻段。2020年7月凍結(jié)的3GPP R16 標準已支持NR-U（NR ?Unlicensed，基于NR 的非授權(quán)頻段接入）技術(shù)，使用NR 協(xié)議在非授權(quán)頻段提供接入服務，作為5G NR 技術(shù)的擴展和補充。

LAA技術(shù)支持LBT，從而能夠有效規(guī)避與頻段內(nèi)現(xiàn)有系統(tǒng)的干擾問題，支持授權(quán)頻譜與非授權(quán)頻譜通過載波聚合（CA）的方式捆綁使用。LAA是LTE-U的演進升級，不支持獨立使用，LAA的演進方向為eLAA和FeLAA。

MulteFire則是在非授權(quán)頻譜上獨立使用LTE技術(shù)來構(gòu)建無線網(wǎng)絡，同時改進完善了LTE的一些設計，能夠為用戶提供接近LTE的高品質(zhì)服務，同時MulteFire技術(shù)具有Wi-Fi特性，非常容易部署。由于MulteFire支持LBT技術(shù)，設計符合全球5GHz頻段的監(jiān)管法規(guī)，使其能夠在全球范圍內(nèi)部署，有一定應用，但產(chǎn)業(yè)鏈還不太成熟。

基于5G NR技術(shù)的NR-U則是沿用LTE LAA的網(wǎng)絡設計思路，對NR空口技術(shù)進行必要的增強，支持全向和方向性的LBT，支持5GHz、6GHz、60GHz等多個頻段和多種子載波間隔，網(wǎng)絡時延指標得到提升。表1為NR-U和其他基于LTE的非授權(quán)頻譜技術(shù)主要對比[1]。

根據(jù)3GPP的相關(guān)規(guī)范，NR-U技術(shù) 的部署場景分為5類：

（a）場景A：在許可頻段NR（PCell）與NR-U（SCell）兩個基站的載波聚合，NR-U SCell 同時具有上行和下行，或者純下行。

（b）場景B：在許可頻段LTE（PCell）和NR- U（PSCell）之間之間的DC雙連接。

（c）場景C：NR-U獨立部署，不依賴授權(quán)頻段的基站。

（d）場景D：NR小區(qū)下行工作在非授權(quán)頻段，上行工作在授權(quán)頻段。

（e）場景E：授權(quán)頻段NR（PCell）和非授權(quán)頻段NR-U（PSCell）之間的DC雙連接。

圖2為傳統(tǒng)運營商典型的NR-U部署場景示意圖，其中場景a、b、d、e 為典型的公網(wǎng)部署場景，可支持非授權(quán)頻譜作為授權(quán)頻譜的補充。而場景c作為獨立部署場景，主要面向非傳統(tǒng)運營商，尤其是沒有授權(quán)頻譜的非傳統(tǒng)運營商、垂直行業(yè)應用（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）等情況。

3 ? NR-U增強技術(shù)設計

NR-U沿用了5G NR技術(shù)，為滿足非授權(quán)頻譜使用的監(jiān)管要求，需針對信道占用評估和接入機制、信道占用策略和COT結(jié)構(gòu)、初始化接入策略、HARQ和MAC調(diào)度策略、上行信號頻譜變換等技術(shù)。下面針對部分增強技術(shù)進行分析。

（1）NR-U LBT

非授權(quán)頻譜使用的LBT機制分為基于負載的LBE（Load-Based-Equipment）和基于幀的FBE（Frame-Based-Equipment）兩種。FBE機制是在確定沒有Wi-Fi等其他RAT技術(shù)使用的場景，使用固定的總時長，可最大限度利用信道資源，可以考慮用于專網(wǎng)場景。而LBE是基于負載來決定競爭窗口的設置和占用總時長。LAA 的LBT/CCA采用基于負載（LBE）的LBT機制，NR-U 沿用LAA 的LBT/CCA ，支持可配置的競爭窗口長度和可變的退避機制。

圖3為NR-U LBT信道監(jiān)測機制示意圖。在數(shù)據(jù)傳輸前，啟動LBT/CCA流程監(jiān)測信道占用情況，如果信道忙則繼續(xù)等待和檢測。如果信道空閑，會發(fā)起隨機退避（backoff）流程，退避結(jié)束（計數(shù)器為0）開始數(shù)據(jù)傳輸，直至最大占用時間（MCOT）停止數(shù)據(jù)傳輸。3GPP為NR-U指定了四種LBT類型[4，7]：

◆Cat1 LBT：不需LBT。

◆Cat2 LBT：LBT沒有隨機退避，CCA時期的確定性（如固定25us）。

◆Cat3 LBT：LBT與隨機退下固定大小的競爭窗口，擴展CCA的周期是一個固定的競爭窗口內(nèi)一個隨機數(shù)。

◆Cat 4 LBT：隨機回退的LBT，具有可變大小的競爭窗口，其中擴展的CCA周期爭用窗口內(nèi)的隨機數(shù)繪制，其大小可根據(jù)信道動態(tài)變化。

如果因信道被其他用戶占用而導致LBT失敗，就會對空口消息交互產(chǎn)生影響，包括系統(tǒng)消息、接入請求、RRC信令等均無法發(fā)送，導致網(wǎng)絡側(cè)或終端側(cè)接收延遲或失敗，造成時延增加和可靠性降低，影響用戶的QoS和業(yè)務體驗。如何提高LBT成功率，減少LBT失敗帶來的影響，是5G非授權(quán)頻段組網(wǎng)所面臨的最主要挑戰(zhàn)?；贚BE的LBT技術(shù)是NR-U最重要的信道評估和接入機制，也是整個NR-U技術(shù)協(xié)議增強的重點，確保NR-U和其他RAT技術(shù)公平共存。

LBT的增強研究包括有LBT的回退算法、基于定向天線和波束的LBT機制、接收輔助的LBT機制等[1]。

（2）信道占用時間COT

在通常的5G系統(tǒng)中，NR使用授權(quán)頻譜，支持多種的幀結(jié)構(gòu)（半靜態(tài)配置），不需要LBT機制，可以按照固定的幀結(jié)構(gòu)來使用無線信道資源，在使用過程中基站隨時知道信道被占用情況，一般不需更改幀結(jié)構(gòu)和參數(shù)。但在非授權(quán)頻譜技術(shù)中，除了引入LBT機制，NG-U還要引入信道占用時間（COT）策略和優(yōu)化幀結(jié)構(gòu)。NR-U通過引入動態(tài)TDD機制，根據(jù)業(yè)務需求動態(tài)調(diào)整上下行傳輸資源，充分重用NR已有的Mini-slot設計，滿足低時延業(yè)務需求，同時也會抵消部分因引入LBT帶來的時延。

NR-U的COT結(jié)構(gòu)有以下特點：

◆包含1個或多個DL/UL slot（1個或多個上下行轉(zhuǎn)換點）;

◆支持1個或多個mini-slot，并且mini-slot可以從任何一個symbol符號開始，每個slot可靈活配置為下行鏈路資源，上行鏈路資源或靈活資源;

◆支持不同的SCS（子載波間隔）。

NR-U支持靈活的時隙和資源分配方案和靈活的COT結(jié)構(gòu)，降低功耗和信道訪問延遲。由于LBT機制下的NR-U，基站的數(shù)據(jù)發(fā)送起始點具有隨機性，COT時間內(nèi)外采用不同的下行信道監(jiān)測策略。在COT時間外，終端在mini-slot周期監(jiān)聽下行信道，僅完成對參考信號的相干檢測，不做完整PDCCH 解調(diào)，可減少終端耗電。當終端檢測到COT 結(jié)構(gòu)后，恢復到基于時隙的常規(guī)檢測和解調(diào)。圖4中給出了NR-U下行發(fā)送結(jié)構(gòu)的示意圖，在一個COT時間外，終端進行Mini-slot級別的檢測，在COT開始階段，基站可以選擇超短時隙的數(shù)據(jù)發(fā)送，然后進行常規(guī)時隙的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[4，10]。

（3）上行信道的信號變換以滿足占用帶寬需求

在非授權(quán)頻譜中應該以公平和相同的方式進行使用，其中占用信道帶寬有明確的要求。OCB定義為占用99%信號能量的帶寬，一般為標稱占用帶寬NCB（系統(tǒng)信道帶寬）的80%至100%之間。比如針對20MHz的信道帶寬，為滿足80%的OCB帶寬要求，終端的上行信號需變換為占用16MHz 的頻譜帶寬。

NR-U的上下行信道須滿足占用帶寬OCB的要求，由于NR-U的下行信道可以針對多個終端用戶并發(fā)使用，容易滿足OCB的要求，但NR-U的上行信道是針對單個終端用戶，需要把上行信號的功率盡量分散到OCB的通道頻寬范圍。NR-U將會沿用eLAA上行傳輸引入了塊隔行頻分多址（B-IFDMA），支持更多頻寬選擇和子載波間隔。頻域交織傳是基于每個物理RB（PRB）完成的。

對于20MHz的帶寬，每個交織占用10/11個PRB，每個交織內(nèi)的PRB等間隔。而對于30kHz 的子載波間隔，每個交織內(nèi)的PRB間隔為4個PRB，20MHz內(nèi)存在5 個交織資源塊。對于更多的PRB、更大的帶寬，可以采用等間隔的方式進行擴展[4]。

（4）隨機接入流程的增強

NR-U引入LBT機制后，因LBT可能失敗而導致基站和終端信令交互效率和成功率降低，需對NR中的流程進行必要的優(yōu)化。以R15 NR RACH隨機接入為例，傳統(tǒng)基于競爭的隨機接入（Contention Based Random Access，CBRA）需要4 步過程：Msg1：終端側(cè)發(fā)送前導碼;Msg2：基站側(cè)發(fā)送響RAR;Msg3：終端發(fā)送連接和資源請求;Msg4：基站側(cè)競爭解決和分配資源。如果每一次交互之前都要進行LBT，成功率將受到較大影響，為此，NR-U 引入支持2步過程的隨機接入，終端和基站只需要MsgA和MsgB兩步，MsgA至少包含Msg1和Msg3的內(nèi)容，MsgB至少包含Msg2和Msg4的內(nèi)容[2，4，5]，通過減少交互次數(shù)來提高接入成功率。

4 ? 應用分析和建議

如第三節(jié)所述，NR-U的引入后服務提供商將可使用更多的頻譜資源，通過載波聚合和雙連接，提供更高速率，滿足更大網(wǎng)絡容量。支持獨立部署的場景，為垂直行業(yè)應用和專網(wǎng)提供了新的方案。包含NG-U技術(shù)的R16標準規(guī)范，已在2020年7月凍結(jié)，即將在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)場景中得以落地應用。針對NR-U的技術(shù)和應用，提出以下建議：

（1）NR-U部署有室內(nèi)和室外場景，從實際應用角度，優(yōu)先考慮室內(nèi)場景和微蜂窩場景。主要基于以下因素：

1）為降低干擾，非授權(quán)頻譜的使用，對功率都有嚴格要求，比如5.15-5.35GHz頻段內(nèi)，EIRP≤23dBm，PSD<10dBm/10MHz。NR-U網(wǎng)絡的基站節(jié)點和終端節(jié)點的功率等級差異不大，各種節(jié)點的覆蓋范圍比較小。

2）非授權(quán)頻譜使用前需要對信道占用情況進行監(jiān)聽，包括附近的基站節(jié)點和其他附近的終端節(jié)點。室外宏小區(qū)場景，基站節(jié)點功率遠大于終端節(jié)點功率。因覆蓋范圍較大和環(huán)境復雜，基站節(jié)點側(cè)和終端節(jié)點側(cè)的信道測量結(jié)果，都不能準確反映實際的信道使用情況，難以解決暴露節(jié)點和隱藏節(jié)點問題。相比之下，室內(nèi)微蜂窩場景的信道占用情況和測量更加準確。所以NR-U的應用部署中主要考慮室內(nèi)和微蜂窩場景。

（2）NR-U的5種部署場景中，有4種需要授權(quán)頻譜輔助和1種獨立部署場景，獨立部署場景將會成為NR-U的主要應用。

授權(quán)頻譜輔助的使用方案，特別是使用宏小區(qū)的授權(quán)頻譜輔助將難以推廣應用，主要原因是：授權(quán)頻譜輔助意味著需要宏微協(xié)同或微微協(xié)同，即宏小區(qū)（授權(quán)頻譜）和室內(nèi)微小區(qū)（非授權(quán)頻譜）協(xié)同，或者室內(nèi)微小區(qū)之間協(xié)同。鑒于小基站中繼回傳困難和成本較高，實際網(wǎng)絡中的室內(nèi)場景，使用授權(quán)頻譜的一體化微基站不多，現(xiàn)網(wǎng)的室內(nèi)場景主要都是采用室內(nèi)分布系統(tǒng)的解決方案。而嚴格來說，室內(nèi)分布系統(tǒng)屬于和宏站類似的方案結(jié)構(gòu)，基于射頻或中頻信號的分配與合路，單個發(fā)射點或pRRU并不能完全等同于一個獨立的小基站。在現(xiàn)網(wǎng)中使用授權(quán)頻譜輔助的NR-U場景不會太多。盡管3GPP R13制定了LAA技術(shù)規(guī)范，可通過載波聚合的方式使用非授權(quán)頻譜，但因為不支持獨立部署場景，和運營商現(xiàn)網(wǎng)需求有差別，所以實際上沒有規(guī)模推廣。而NR-U支持獨立部署場景，可以滿足有限區(qū)域覆蓋的行業(yè)專網(wǎng)建設需求。

（3）建議把NR-U獨立部署方案作為實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡切片功能的重要技術(shù)。NR-U的獨立組網(wǎng)場景應用潛力最大，挑戰(zhàn)性也最大。5G技術(shù)的超大帶寬、高可靠性和低時延等特點，結(jié)合網(wǎng)絡切片等新技術(shù)將會應用于各種2B行業(yè)應用。而要實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡切片功能，關(guān)鍵在于無線網(wǎng)切片。目前的無線網(wǎng)切片還處于研究和標準制定中。NR-U的獨立組網(wǎng)場景技術(shù)，通過非授權(quán)頻段使用NR技術(shù)，可快速有效實現(xiàn)無線網(wǎng)切片（硬切片），支撐垂直行業(yè)應用和專網(wǎng)。

（4）結(jié)合中國現(xiàn)有非授權(quán)頻譜使用的法規(guī)政策，加快獨立部署場景NR-U技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)場試驗，從現(xiàn)有的國內(nèi)外Private LTE、CBRS、LTE-U、Multefire的應用來看[1，5，9]，企業(yè)專網(wǎng)的需求非常大，可實現(xiàn)穩(wěn)定可靠、安全、不受干擾，特別是美國新增了6GHz的非授權(quán)頻譜資源，將會推動非授權(quán)頻譜技術(shù)的應用。而在中國，對非授權(quán)頻譜的使用并不強制要求LBT。因此應結(jié)合中國現(xiàn)有非授權(quán)頻譜使用的法規(guī)政策，加快獨立部署場景NR-U技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)場試驗，推動相應的基站和終端產(chǎn)業(yè)鏈成熟，加快應用于垂直行業(yè)和專網(wǎng)，提升行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和生產(chǎn)效率服務。

5 ? 結(jié)束語

3GPP R16的NR-U技術(shù)支持授權(quán)頻譜輔助的聯(lián)合部署和非授權(quán)頻譜獨立部署，更好滿足eMBB業(yè)務、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、垂直行業(yè)專網(wǎng)等部署需求，為不同運營商使用非授權(quán)頻譜開展業(yè)務提供新的可能。NR-U技術(shù)將在日后不斷增強和完善，支持更高更多非授權(quán)頻譜和應用場景，產(chǎn)業(yè)鏈不斷成熟，應用潛力非常巨大。

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