5G非授权频谱技术与应用建议

卢斌 陈兵

【摘  要】

随着移动通信业务量的不断增长，授权频段的短缺问题日益明显，非授权频段的使用必要性不断提高。对现有非授权频谱资源进行分析，阐述了NR-U标准化研究进展、部署场景和其他非授权频谱主要技术，然后分析NR-U的主要增强技术，包括LBT（先聽后说）、COT（占用时间）和上行信号变换技术等，最后对NR-U的应用进行思考和分析，并提出了相关建议，为NR-U技术业务发展提供参考。

【关键词】NR-U;非授权频谱技术;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

目前公众移动通信网均使用授权频谱，由各国电信或频率管理部门分配授权或拍卖，在授权频谱范围内不允许其他技术和网络使用，以确保移动网络的质量和安全。授权频谱是移动通信运营商的重要资源，有效利用无线频谱已成为移动通信技术发展的重要推动力。尽管5G技术的频谱效率比4G高3～4倍，但高清视频、AR/VR等业务不断增长，原有的授权频段资源已不能满足需求，为此3GPP积极寻求5G等新技术在非授权频谱上的应用部署方案。

在非授权频谱中使用5G技术，关键在于如何保障已有非授权频谱系统的正常使用，保证其资源使用的公平性，降低彼此间的干扰，合理共享频谱，最大化频谱效率。

随着5G使用非授权频谱的技术发展和产业成熟，为降低运营成本，更多的企业和客户将采用非授权频谱作为可选的解决方案，这种趋势对传统移动运营商形成新的压力并提出挑战，移动运营商必须加强5G在非授权频谱中的技术标准研究和实践。

1   非授权频谱与技术

目前全球的非授权频谱资源，主要分布在2.4GHz、5GHz、6GHz和60GHz频段，不同频段在不同地区的规定略有差异[1，3，7]，其中6GHz频段主要为美国和欧洲新分配的，图1为全球非授权频谱资源分布。2.4GHz频段广泛使用于SIM领域和室内Wi-Fi，只有83.5M频谱带宽，频率资源非常拥挤。5GHz频段资源中，美国和加拿大有580MHz，欧洲和日本有455MHz，中国有325MHz资源，相对比较空闲。对于6GHz频段和60GHz频段，美国FCC在2020年4月份已经发布6GHz频段用于免授权使用，共有1200MHz，频谱资源丰富，欧洲、日本和中国的频谱主管部门都在积极跟进中。目前主要考虑5GHz、6GHz和60GHz频段中使用5G NR增强技术。

每个频段划分为不同载波或信道，不同无线通信技术（RAT）将会使用1个或多个载波。比如5GHz频段，以20MHz为基本载波带宽，可按照20M、40M、80M、160M带宽使用。

非授权频段具有无需许可的共享特性，以竞争频谱的方式提供尽力而为的服务，按照信道访问公平性，多RAT共存的原则来使用。任何一种在非授权频谱下的RAT技术需要满足功率和功率谱密度等级、最大信道占用时间、信道占用带宽、信道监测机制[1]等要求，合理占用信道和释放信道，对同一频带中的其他RAT系统不能造成干扰。

现有Wi-Fi中的竞争机制基本要求是LBT（Listen Bofore Talk，先听后说），在数据发送之前必须先监听信道的被占用情况，满足条件时才能使用该信道，而且在最大占用时间（MCOT）结束后释放信道。由于非授权频段免许可和抢占性，许多国家或地区（如日本、欧盟等）将支持LBT技术作为非授权频段使用的必选项，而中国和美国等则没有强制要求LBT。

2   非授权频谱技术的标准化进展

为适应移动通信数据业务迅猛增长的需求，利用非授权频谱来分担蜂窝网络的压力，非授权频谱技术不断涌现。由LTE-U Forum提交的LTE-U（LTE Unlicensed）方案在3GPP R12版本中体现，在3GPP R13 规范中已批准了LBT 的LAA（Licensed Assisted Access，授权辅助接入）和网络间互操作的LWA（LTE-WLAN Aggregation，LTE-WLAN聚合）。美国高通公司主导的Mutefire技术，可以不依赖授权频段锚点、独立部署在非授权频段。2020年7月冻结的3GPP R16 标准已支持NR-U（NR  Unlicensed，基于NR 的非授权频段接入）技术，使用NR 协议在非授权频段提供接入服务，作为5G NR 技术的扩展和补充。

LAA技术支持LBT，从而能够有效规避与频段内现有系统的干扰问题，支持授权频谱与非授权频谱通过载波聚合（CA）的方式捆绑使用。LAA是LTE-U的演进升级，不支持独立使用，LAA的演进方向为eLAA和FeLAA。

MulteFire则是在非授权频谱上独立使用LTE技术来构建无线网络，同时改进完善了LTE的一些设计，能够为用户提供接近LTE的高品质服务，同时MulteFire技术具有Wi-Fi特性，非常容易部署。由于MulteFire支持LBT技术，设计符合全球5GHz频段的监管法规，使其能够在全球范围内部署，有一定应用，但产业链还不太成熟。

基于5G NR技术的NR-U则是沿用LTE LAA的网络设计思路，对NR空口技术进行必要的增强，支持全向和方向性的LBT，支持5GHz、6GHz、60GHz等多个频段和多种子载波间隔，网络时延指标得到提升。表1为NR-U和其他基于LTE的非授权频谱技术主要对比[1]。

根据3GPP的相关规范，NR-U技术 的部署场景分为5类：

（a）场景A：在许可频段NR（PCell）与NR-U（SCell）两个基站的载波聚合，NR-U SCell 同时具有上行和下行，或者纯下行。

（b）场景B：在许可频段LTE（PCell）和NR- U（PSCell）之间之间的DC双连接。

（c）场景C：NR-U独立部署，不依赖授权频段的基站。

（d）场景D：NR小区下行工作在非授权频段，上行工作在授权频段。

（e）场景E：授权频段NR（PCell）和非授权频段NR-U（PSCell）之间的DC双连接。

图2为传统运营商典型的NR-U部署场景示意图，其中场景a、b、d、e 为典型的公网部署场景，可支持非授权频谱作为授权频谱的补充。而场景c作为独立部署场景，主要面向非传统运营商，尤其是没有授权频谱的非传统运营商、垂直行业应用（工业互联网）等情况。

3   NR-U增强技术设计

NR-U沿用了5G NR技术，为满足非授权频谱使用的监管要求，需针对信道占用评估和接入机制、信道占用策略和COT结构、初始化接入策略、HARQ和MAC调度策略、上行信号频谱变换等技术。下面针对部分增强技术进行分析。

（1）NR-U LBT

非授权频谱使用的LBT机制分为基于负载的LBE（Load-Based-Equipment）和基于帧的FBE（Frame-Based-Equipment）两种。FBE机制是在确定没有Wi-Fi等其他RAT技术使用的场景，使用固定的总时长，可最大限度利用信道资源，可以考虑用于专网场景。而LBE是基于负载来决定竞争窗口的设置和占用总时长。LAA 的LBT/CCA采用基于负载（LBE）的LBT机制，NR-U 沿用LAA 的LBT/CCA ，支持可配置的竞争窗口长度和可变的退避机制。

图3为NR-U LBT信道监测机制示意图。在数据传输前，启动LBT/CCA流程监测信道占用情况，如果信道忙则继续等待和检测。如果信道空闲，会发起随机退避（backoff）流程，退避结束（计数器为0）开始数据传输，直至最大占用时间（MCOT）停止数据传输。3GPP为NR-U指定了四种LBT类型[4，7]：

◆Cat1 LBT：不需LBT。

◆Cat2 LBT：LBT没有随机退避，CCA时期的确定性（如固定25us）。

◆Cat3 LBT：LBT与随机退下固定大小的竞争窗口，扩展CCA的周期是一个固定的竞争窗口内一个随机数。

◆Cat 4 LBT：随机回退的LBT，具有可变大小的竞争窗口，其中扩展的CCA周期争用窗口内的随机数绘制，其大小可根据信道动态变化。

如果因信道被其他用户占用而导致LBT失败，就会对空口消息交互产生影响，包括系统消息、接入请求、RRC信令等均无法发送，导致网络侧或终端侧接收延迟或失败，造成时延增加和可靠性降低，影响用户的QoS和业务体验。如何提高LBT成功率，减少LBT失败带来的影响，是5G非授权频段组网所面临的最主要挑战。基于LBE的LBT技术是NR-U最重要的信道评估和接入机制，也是整个NR-U技術协议增强的重点，确保NR-U和其他RAT技术公平共存。

LBT的增强研究包括有LBT的回退算法、基于定向天线和波束的LBT机制、接收辅助的LBT机制等[1]。

（2）信道占用时间COT

在通常的5G系统中，NR使用授权频谱，支持多种的帧结构（半静态配置），不需要LBT机制，可以按照固定的帧结构来使用无线信道资源，在使用过程中基站随时知道信道被占用情况，一般不需更改帧结构和参数。但在非授权频谱技术中，除了引入LBT机制，NG-U还要引入信道占用时间（COT）策略和优化帧结构。NR-U通过引入动态TDD机制，根据业务需求动态调整上下行传输资源，充分重用NR已有的Mini-slot设计，满足低时延业务需求，同时也会抵消部分因引入LBT带来的时延。

NR-U的COT结构有以下特点：

◆包含1个或多个DL/UL slot（1个或多个上下行转换点）;

◆支持1个或多个mini-slot，并且mini-slot可以从任何一个symbol符号开始，每个slot可灵活配置为下行链路资源，上行链路资源或灵活资源;

◆支持不同的SCS（子载波间隔）。

NR-U支持灵活的时隙和资源分配方案和灵活的COT结构，降低功耗和信道访问延迟。由于LBT机制下的NR-U，基站的数据发送起始点具有随机性，COT时间内外采用不同的下行信道监测策略。在COT时间外，终端在mini-slot周期监听下行信道，仅完成对参考信号的相干检测，不做完整PDCCH 解调，可减少终端耗电。当终端检测到COT 结构后，恢复到基于时隙的常规检测和解调。图4中给出了NR-U下行发送结构的示意图，在一个COT时间外，终端进行Mini-slot级别的检测，在COT开始阶段，基站可以选择超短时隙的数据发送，然后进行常规时隙的数据发送和接收[4，10]。

（3）上行信道的信号变换以满足占用带宽需求

在非授权频谱中应该以公平和相同的方式进行使用，其中占用信道带宽有明确的要求。OCB定义为占用99%信号能量的带宽，一般为标称占用带宽NCB（系统信道带宽）的80%至100%之间。比如针对20MHz的信道带宽，为满足80%的OCB带宽要求，终端的上行信号需变换为占用16MHz 的频谱带宽。

NR-U的上下行信道须满足占用带宽OCB的要求，由于NR-U的下行信道可以针对多个终端用户并发使用，容易满足OCB的要求，但NR-U的上行信道是针对单个终端用户，需要把上行信号的功率尽量分散到OCB的通道频宽范围。NR-U将会沿用eLAA上行传输引入了块隔行频分多址（B-IFDMA），支持更多频宽选择和子载波间隔。频域交织传是基于每个物理RB（PRB）完成的。

对于20MHz的带宽，每个交织占用10/11个PRB，每个交织内的PRB等间隔。而对于30kHz 的子载波间隔，每个交织内的PRB间隔为4个PRB，20MHz内存在5 个交织资源块。对于更多的PRB、更大的带宽，可以采用等间隔的方式进行扩展[4]。

（4）随机接入流程的增强

NR-U引入LBT机制后，因LBT可能失败而导致基站和终端信令交互效率和成功率降低，需对NR中的流程进行必要的优化。以R15 NR RACH随机接入为例，传统基于竞争的随机接入（Contention Based Random Access，CBRA）需要4 步过程：Msg1：终端侧发送前导码;Msg2：基站侧发送响RAR;Msg3：终端发送连接和资源请求;Msg4：基站侧竞争解决和分配资源。如果每一次交互之前都要进行LBT，成功率将受到较大影响，为此，NR-U 引入支持2步过程的随机接入，终端和基站只需要MsgA和MsgB两步，MsgA至少包含Msg1和Msg3的内容，MsgB至少包含Msg2和Msg4的内容[2，4，5]，通过减少交互次数来提高接入成功率。

4   应用分析和建议

如第三节所述，NR-U的引入后服务提供商将可使用更多的频谱资源，通过载波聚合和双连接，提供更高速率，满足更大网络容量。支持独立部署的场景，为垂直行业应用和专网提供了新的方案。包含NG-U技术的R16标准规范，已在2020年7月冻结，即将在工业互联网等垂直行业场景中得以落地应用。针对NR-U的技术和应用，提出以下建议：

（1）NR-U部署有室内和室外场景，从实际应用角度，优先考虑室内场景和微蜂窝场景。主要基于以下因素：

1）为降低干扰，非授权频谱的使用，对功率都有严格要求，比如5.15-5.35GHz频段内，EIRP≤23dBm，PSD<10dBm/10MHz。NR-U网络的基站节点和终端节点的功率等级差异不大，各种节点的覆盖范围比较小。

2）非授权频谱使用前需要对信道占用情况进行监听，包括附近的基站节点和其他附近的终端节点。室外宏小区场景，基站节点功率远大于终端节点功率。因覆盖范围较大和环境复杂，基站节点侧和终端节点侧的信道测量结果，都不能准确反映实际的信道使用情况，难以解决暴露节点和隐藏节点问题。相比之下，室内微蜂窝场景的信道占用情况和测量更加准确。所以NR-U的应用部署中主要考虑室内和微蜂窝场景。

（2）NR-U的5种部署场景中，有4种需要授权频谱辅助和1种独立部署场景，独立部署场景将会成为NR-U的主要应用。

授权频谱辅助的使用方案，特别是使用宏小区的授权频谱辅助将难以推广应用，主要原因是：授权频谱辅助意味着需要宏微协同或微微协同，即宏小区（授权频谱）和室内微小区（非授权频谱）协同，或者室内微小区之间协同。鉴于小基站中继回传困难和成本较高，实际网络中的室内场景，使用授权频谱的一体化微基站不多，现网的室内场景主要都是采用室内分布系统的解决方案。而严格来说，室内分布系统属于和宏站类似的方案结构，基于射频或中频信号的分配与合路，单个发射点或pRRU并不能完全等同于一个独立的小基站。在现网中使用授权频谱辅助的NR-U场景不會太多。尽管3GPP R13制定了LAA技术规范，可通过载波聚合的方式使用非授权频谱，但因为不支持独立部署场景，和运营商现网需求有差别，所以实际上没有规模推广。而NR-U支持独立部署场景，可以满足有限区域覆盖的行业专网建设需求。

（3）建议把NR-U独立部署方案作为实现端到端网络切片功能的重要技术。NR-U的独立组网场景应用潜力最大，挑战性也最大。5G技术的超大带宽、高可靠性和低时延等特点，结合网络切片等新技术将会应用于各种2B行业应用。而要实现端到端的网络切片功能，关键在于无线网切片。目前的无线网切片还处于研究和标准制定中。NR-U的独立组网场景技术，通过非授权频段使用NR技术，可快速有效实现无线网切片（硬切片），支撑垂直行业应用和专网。

（4）结合中国现有非授权频谱使用的法规政策，加快独立部署场景NR-U技术研发和现场试验，从现有的国内外Private LTE、CBRS、LTE-U、Multefire的应用来看[1，5，9]，企业专网的需求非常大，可实现稳定可靠、安全、不受干扰，特别是美国新增了6GHz的非授权频谱资源，将会推动非授权频谱技术的应用。而在中国，对非授权频谱的使用并不强制要求LBT。因此应结合中国现有非授权频谱使用的法规政策，加快独立部署场景NR-U技术研发和现场试验，推动相应的基站和终端产业链成熟，加快应用于垂直行业和专网，提升行业数字化转型和生产效率服务。

5   结束语

3GPP R16的NR-U技术支持授权频谱辅助的联合部署和非授权频谱独立部署，更好满足eMBB业务、工业互联网、垂直行业专网等部署需求，为不同运营商使用非授权频谱开展业务提供新的可能。NR-U技术将在日后不断增强和完善，支持更高更多非授权频谱和应用场景，产业链不断成熟，应用潜力非常巨大。

参考文献：

[1]   SANDRA LAGEN， LORENZA GIUPPONI， SANJAY GOYAL， et al. New Radio Beam-based Access to Unlicensed Spectrum： Design Challenges and Solutions[Z]. 2019.

[2]     徐珉，胡南，李男. 5G非授权频段组网技术[J]. 电信科学， 2019（7）： 7-16.

[3]    周宇，陈健，高月红. 5G授权频谱分配及非授权频谱利用技术的研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2018，31（3）： 4-9.

[4]     劉晓峰. 5G NR在非授权频段设计浅析[J]. 信息通信技术与政策， 2019（11）： 12-17.

[5]    Qualcomm Technologies Inc. Progress on LAA and its relationship to LTE-U and MulteFire[Z]. 2016.

[6]     3GPP. 3GPP RP-182878： New WID on NR-based access to unlicensed spectrum[R]. 2018.

[7]    3GPP. 3GPP TR38.889 V16.0.0： Study on NR-based access to unlicensed spectrum[R]. 2018.

[8]     3GPP. 3GPP RP-191360： Status report for WI NR-based access to unlicensed spectrum[R]. 2019.

[9]    SASSAN AHMADI. 5G NR Architecture， Technology， Implementation， and Operation of 3GPP New Radio Standards[Z]. 2018.