【摘? 要】非授權頻譜作為5G授權頻譜的補充可以滿足運營商及垂直行業(yè)的多種應用，3GPP在R16階段對5G NR在非授權頻段的接入進行了研究和標準化。結合非授權頻段的監(jiān)管規(guī)則，對5G NR在非授權頻段的關鍵技術及國際標準化內(nèi)容進行了詳細的分析。具體包括5G在非授權頻段的幀結構設計增強、物理信道設計增強、物理過程設計增強?；谶@些技術分析，本文對非授權頻譜使用5G技術進行了總結和展望。

【關鍵詞】5G;NR-U;LBT

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.001? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0002-05

引用格式：劉曉峰. 5G非授權頻段接入關鍵技術及國際標準化[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 2-6.

Key Technologies of 5G Unlicensed Spectrum Access and International Standardization

LIU Xiaofeng

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

As a supplement of 5G licensed spectrum， unlicensed spectrum can meet the needs of various applications of operators and vertical industries. In R16 phase， 3GPP has investigated and standardized the unlicensed spectrum access of 5G NR. In a cominbation with the regulatory rules of unlicensed spectrum， this paper gives a detail discussion on the key technologies and the contents of international standardization in unlicensed spectrum of 5G NR， including frame structrue enhancement， physical layer enhancement and physical process enhancement. Based on these analyses， this paper provides a summary and prospect of 5G technologies with unlicensed spectrum.

[Key words]5G; NR-U; LBT

0? ?引言

非授權頻譜作為授權頻譜的重要補充，一直是移動通信標準化的重點。非授權頻譜雖然不能滿足授權領域的質(zhì)量需求，但是可以作為授權頻譜部署的補充。3GPP在5G開始第一階段（R15）標準化同時，就對基于NR的免許可頻譜接入技術（NR-U）進行了研究立項[1]。雖然受制于標準化時間所限，在R15開始階段并沒有開始相關工作，但是在2018年初，3GPP宣布完成5G NR第一個版本時，就同步開始了在非授權頻譜的研究工作。經(jīng)過1年的全面研究，在2019年1月開始了正式的基于NR的免許可頻譜接入技術標準化[2]。

非授權的無線發(fā)送需要滿足各個國家和地區(qū)的頻譜管制規(guī)則。這些管制規(guī)則中最重要的是先聽后發(fā)（Listen Before Talk， LBT）機制[3]。LBT技術是保證在非授權頻段，不同技術共存的關鍵。目前在非授權頻段，可以使用的技術包括Wi-Fi技術、基于LTE的LAA技術等。未來NR-U的部署也將面臨不同非授權頻段接入技術在同一地區(qū)、同一頻段的部署。在這種部署環(huán)境要求下，NR-U的設計不僅需要使不同接入技術能夠在同一頻段工作，還需要做不同技術的友好共存。

NR-U技術研究了非授權頻譜使用的接入機制，并對5G NR已經(jīng)標準化的信道、信號及相關過程進行了針對非授權頻段的增強。這些增強包括發(fā)現(xiàn)信號的設計、上下行信道及信號的設計、初始接入過程增強、HARQ增強、大帶寬增強及預配置增強。本文將對5G NR-U中涉及的關鍵技術進行詳細描述，并對國際標準化內(nèi)容進行分析。

1? ?NR-U使用頻段及監(jiān)管規(guī)則

對于NR-U的設計，需要覆蓋多個頻段。這些頻段包括非授權頻段和一些被分配為共享使用的頻段，典型的頻段包括2.4 GHz頻段、5 GHz頻段和6 GHz頻段等。這些頻段有些是全球分配的，有些是地區(qū)性頻段。根據(jù)NR新空口的設計，對于3GPP來說，NR-U的設計要無差別地支持在這些頻段的使用。綜合考慮NR設計及全球非授權頻段分配情況，在第一個5G增強版本（R16），NR-U的設計主要支持52.6 GHz及以下頻段，這與NR第一版5G設計（R15）一致。在具體設計上，考慮到目前非授權頻段及NR-U主要應用頻段，在R16版本的NR-U設計中，主要針對5 GHz和6 GHz頻段進行了設計增強。在對于更高頻段的支持，考慮到52.6 GHz以上頻段需要更大的子載波間隔和不同的接入機制，3GPP考慮在后續(xù)的版本進行支持。

在目標頻段內(nèi)，NR-U的設計需要滿足各個國家和地區(qū)的監(jiān)管規(guī)則需要，而不是針對某個國家或者某個地區(qū)的監(jiān)管規(guī)則進行針對性設計。目前各個國家和地區(qū)對非授權頻段的頻譜管制規(guī)則，主要涉及功率和功率譜密度等級要求、最大信道占用時間要求、信道占用帶寬要求和LBT機制四個方面。其中，LBT機制是整個NR-U研究及標準化的重點，也是未來NR-U是否可以和其他系統(tǒng)實現(xiàn)公平共存的關鍵。LBT機制又分為基于幀的FBE（Frame Based Equipment）和基于負載的LBE（Load Based Equipment）兩種。LBE機制是在同頻沒有其他接入技術共存條件下使用的機制，而FBE機制主要用于同頻沒有其他系統(tǒng)共存時使用的一種接入方式。

2? ?NR-U關鍵技術及國際標準化

NR-U的基本設計以NR設計為基礎[4]，結合了在非授權頻段的監(jiān)管需求。NR-U的物理層設計沿用了NR的雙工方式、基礎波形、載波帶寬、子載波間隔、幀結構配置方式。而對幀結構、物理層信道設計和物理層基本流程幾個方面都進行了增強。

2.1? 幀結構增強

NR-U的幀結構增強需要兼顧LBT和最大信道占用時間。在時間維度上，LBT的引入使得信道傳輸?shù)拈_始時間不能確定。為簡單滿足一次數(shù)據(jù)發(fā)送的最大信道占用時間要求，可以有不同的設計方案。NR-U采用了一次數(shù)據(jù)發(fā)送包含多個上下行轉(zhuǎn)換點?；诂F(xiàn)有幀結構設計框架，NR-U專門定義了以基站發(fā)起的和以終端發(fā)起的數(shù)據(jù)結構指示方式。通過相關的數(shù)據(jù)結構指示，基站和終端可以知道數(shù)據(jù)發(fā)送開始時間、結束時間和數(shù)據(jù)發(fā)送中的上下行數(shù)據(jù)結構。同時，也規(guī)定了在數(shù)據(jù)發(fā)送開始和各個轉(zhuǎn)換點的LBT方式。

在頻率維度上，LBT的基本帶寬為20 MHz。為了支持單載波連續(xù)100 MHz的帶寬，就需要在一個連續(xù)的載波上進行基于多個LBT帶寬的操作。

對于下行設計，基于NR中已有的單載波內(nèi)BWP（Bandwidth Part，帶寬部分）設計，可以有多種支持方式。綜合考慮了共存、對標準影響和硬件實現(xiàn)等因素，NR-U的設計主要支持下行可以配置多個BWP，激活一個BWP，這與R15的NR設計一致。激活BWP的帶寬可以到100 MHz，包含多個LBT的20 MHz帶寬。基站在不同的LBT帶寬進行LBT，LBT成功的帶寬進行下行數(shù)據(jù)發(fā)送。

對于上行，基于NR中已有的單載波內(nèi)BWP設計，也可以有多種方式支持單載波大于20 MHz的設計。與下行類似，綜合考慮各種因素，NR-U上行的設計支持配置多個BWP，單個BWP激活，UE可以在激活BWP上LBT成功的部分發(fā)送PUSCH的發(fā)送方式。與下行略有不同，UE的上行發(fā)送有一些限制。當激活BWP包含多個LBT帶寬時，基站調(diào)度UE進行上行PUSCH數(shù)據(jù)發(fā)送的LBT帶寬在頻域上需要是連續(xù)的。

2.2? 物理信道設計增強

NR-U的物理信道設計以NR已有物理信道為基礎，進行一定的修改和增強。其中涉及需要改動和增強的信道和信號包括：PSS/SSS/PBCH、PUCCH/PUSCH、PDCCH/PDSCH、PRACH、上行和下行發(fā)送頻帶內(nèi)的參考信號。

（1）PSS/SSS/PBCH增強

對于PSS/SSS/PBCH的發(fā)送，主要需要考慮在時域進行一定增強。對于NR的設計，PSS/SSS/PBCH在時域上以一定周期在固定位置發(fā)送，但是到了非授權頻段，受到LBT的影響，一旦確知位置不能發(fā)送PSS/SSS/PBCH信號，那么會對UE的同步和接入性能造成比較大的影響。因此，NR-U在一定發(fā)送周期內(nèi)，以NR為基礎增加了同步廣播塊（SS/PBCH塊，一個SS/PBCH塊包含PSS/SSS/PBCH）候選發(fā)送位置。對于15 kHz的子載波間隔，SS/PBCH塊在一個發(fā)送周期內(nèi)的候選發(fā)送機會增大到10次;對于30 kHz的子載波間隔，SS/PBCH塊在一個發(fā)送周期內(nèi)的候選發(fā)送機會增大到20次。

圖1給出了在5 GHz頻段和6 GHz頻段時SS/PBCH塊采用15 kHz的侯選位置。從圖中還可以看到在15 kHz子載波間隔下，每個時隙中SS/PBCH塊的候選位置都在第2到第5個符號和第8到第11個符號。在5 ms的半幀內(nèi)，每個時隙內(nèi)有兩個候選發(fā)送位置，從而實現(xiàn)在5 ms的發(fā)送周期內(nèi)有10個候選發(fā)送位置。

在PSS/SSS/PBCH基礎上，NR-U還引入了發(fā)現(xiàn)信號（Discovery Reference Signal， DRS）。NR-U DRS定義為SS/PBCH與SS/PBCH關聯(lián)的CSI-RS和CORESET（s）#0（承載RMSI（Remaining Minimum System Information）的CORESET（Control Channel Resource Set））+PDSCH（s）（承載RMSI）組成的時域連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。在NR-U中，由于數(shù)據(jù)發(fā)送都要進行LBT，把SS/PBCH與關聯(lián)的CSI-RS和CORESET（s）#0+PDSCH（s）一起組成DRS進行聯(lián)合發(fā)送非常重要。NR-U DRS發(fā)送的時候，也可以同時發(fā)送其他系統(tǒng)消息（Other System Information， OSI）和尋呼消息，從而進一步提升NR-U整體運行效率。

（2）PUCCH/PUSCH增強

NR-U中的PUSCH和PUCCH的發(fā)送為滿足最小占用帶寬的需求，采用了基于交織的設計。交織設計都是基于PRB，對于15 kHz的子載波間隔，20 MHz的頻段內(nèi)容包含100個左右的PRB，每個交織間隔9個PRB，20 MHz的LBT帶寬內(nèi)每個交織包含10個或者11個PRB，共10個交織。對于30 kHz的子載波間隔，20 MHz的頻段內(nèi)容包含50個左右的PRB，每個交織間隔4個PRB，20 MHz的LBT帶寬內(nèi)每個交織包含10個或者11個PRB，共5個交織。

NR上行控制信道不能直接使用5種PUCCH格式支持交織的數(shù)據(jù)發(fā)送。PUCCH格式0/1/4只支持單PRB發(fā)送，PUCCH格式2/3支持多個PRB發(fā)送，但是也需要進行增強才適合基于交織的發(fā)送。經(jīng)過討論NR-U不支持PUCCH格式4的頻域交織發(fā)送，而對PUCCH格式0/1/2/3（PF0/1/2/3/4）進行了增強。增強PF0/1的主要考慮是要支持較少的上行控制信息發(fā)送，如支持在RRC建立前的ACK/NACK信息發(fā)送和少量上行控制信息發(fā)送。而對PF2/3的增強主要是進行大量上行控制信息發(fā)送。

（3）PDCCH/PDSCH增強

NR-U對于下行信道及信號的增強設計主要包括四個主要部分：COT（連續(xù)信道占用）指示設計、COT內(nèi)和COT外的PDCCH監(jiān)測設計、更多長度的Type B PDSCH設計和一次調(diào)度多個PUSCH設計。

COT指示設計采用NR中已有的DCI format 2_0。在利用DCI format 2_0進行上下行數(shù)據(jù)結構指示基礎上，同時增加了COT持續(xù)時間、COT內(nèi)支持的LBT帶寬、COT內(nèi)外的搜索空間轉(zhuǎn)換指示。新增加的幾項指示內(nèi)容由高層信令進行配置。通過該指示，可以使終端明確獲得一段時間（COT持續(xù)時間）內(nèi)，基站發(fā)送數(shù)據(jù)占用頻域資源（LBT帶寬）、上下行配置和需要進行的PDCCH監(jiān)測行為。

在COT內(nèi)和COT外終端需要的PDCCH監(jiān)測行為也有所不同，COT外部需要更頻繁的PDCCH監(jiān)測。NR-U為支持COT外更頻繁的PDCCH監(jiān)測，可以配置最多兩個PDCCH搜索空間集合組（Search Space Sets Group）。不同的組可以對應COT以內(nèi)和COT以外的PDCCH發(fā)送。以兩個PDCCH搜索空間集合組為例，其中搜索空間集合組1（Group1）對應COT以外的PDCCH發(fā)送，而搜索空間集合組2（Group2）對應COT以內(nèi)的PDCCH發(fā)送。NR-U中支持了Group1和Group2的顯性和隱性切換方式。而對于Group2向Group1的切換，都是采用隱性切換的方式。

為適應PDSCH開始傳輸位置能靈活匹配LBT的結果，不同廠家提出了多種擴展已有PDSCH Type B長度設計的方案。由于不同長度都有各種支持理由，經(jīng)過多次討論，最終決定支持2～13個符號的全部Type B PDSCH設計。

為提升上行調(diào)度的效率，避免連續(xù)上行發(fā)送采用多個PDCCH進行調(diào)度，NR-U中引入了一次下行DCI調(diào)度多個上行PUSCH發(fā)送的新特性。R15中為擴大上行PUSCH覆蓋距離，支持了一次下行調(diào)度多個PUSCH進行完全重復的發(fā)送方式，R16中對于該特性進行了增強，允許多個PUSCH采用不同的TB連續(xù)發(fā)送。一次下行調(diào)度多個PUSCH進行不同TB的發(fā)送是由DCI format 0_1完成的。其中多個PUSCH的發(fā)送在時間上連續(xù)，各個PUSCH的開始時間及持續(xù)時間都可以根據(jù)高層信息進行靈活配置。

（4）PRACH增強

在NR R15，短PRACH格式占用連續(xù)12個RB（Resource Block），對應15 kHz/30 kHz的子載波間隔下占用的帶寬是2.16 MHz/4.32 MHz。為應對不同國家的監(jiān)管規(guī)則，NR-U考慮對PRACH進行增強。主要包括支持寬帶發(fā)送的PRACH序列和新的PRACH格式。

NR-U中并沒有定義新的PRACH格式。但是為滿足占用帶寬等需求，PRACH設計支持了更長的生成序列來支持更寬帶寬的發(fā)送。在標準化過程中不同公司提出了多種序列生成方式，包括重復現(xiàn)有短生成序列和采用新的長生成序列。經(jīng)過激烈的討論，最后NR-U采用了新的基于長序列的PRACH設計。

（5）參考信號增強

NR-U中的參考信號增強主要在于不同信道發(fā)送支持更多位置，那么相應的參考信號要進行支持。比較典型的就是為支持PDSCH靈活的開始時間，NR-U引入了多種PDSCH的長度。為支持多種PDSCH的長度，就引入了多種DMRS的配置方式。

NR-U中對于上行的參考信號增強是SRS。R15中SRS只能在一個時隙中最后6個符號上發(fā)送。NR-U中把SRS的發(fā)送位置擴展支持到一個時隙中的任意位置。

2.3? 物理過程設計

NR-U中物理過程設計包括信道接入過程，初始接入和移動性，HARQ過程增強和預配置過程增強。

（1）信道接入過程

非授權的接入需要滿足監(jiān)管規(guī)則。當有Wi-Fi或者其他網(wǎng)絡存在時，NR-U需要基于20 MHz的LBT進行信道接入。在NR-U中需要考慮不同情況下的LBT方案。這些情況包括：DRS信號發(fā)送的LBT方案、基站觸發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送LBT方案、UE觸發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送LBT方案。

根據(jù)監(jiān)管規(guī)則，NR-U支持了三種LBT方式，三種LBT方式具體定義如下[5]：

1）CAT1 LBT用于前次數(shù)據(jù)傳輸結束和后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸間隔小于16 ?s的情況，后續(xù)數(shù)據(jù)立即傳輸，不進行LBT。

2）CAT2 LBT用于前次數(shù)據(jù)傳輸結束和后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸間隔大于等于16 ?s且小于25 ?s，滿足一定條件的DRS傳輸，或者滿足一定條件的FBE傳輸。Cat2 LBT分為兩種方式，分別為Cat2 16 ?s LBT和Cat2 25 ?s LBT。

3）CAT4 LBT用于兩次數(shù)據(jù)傳輸間隔大于25 ?s和所有首次數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。

對于基站或者UE開始數(shù)據(jù)發(fā)送，需要基于Cat2 25 ?s LBT或者Cat4 LBT。Cat2 25 ?s LBT主要用于DRS的發(fā)送。當DRS單獨發(fā)送或者與系統(tǒng)消息聯(lián)合發(fā)送時，當發(fā)送周期在1/20以下，發(fā)送長度為1 ms以下時，采用Cat2 25 ?s LBT。而當DRS單獨發(fā)送或者與系統(tǒng)消息聯(lián)合發(fā)送時發(fā)送周期在1/20以上，或者發(fā)送長度為1 ms以上時，只能采用Cat4 LBT。對于其他的上行或者下行初始的數(shù)據(jù)或者信號發(fā)送，都基于Cat4 LBT。

（2）初始接入和移動性

在NR-U的初始接入和移動性增強，主要設計思路是減少所需發(fā)送數(shù)據(jù)和信號的次數(shù)，從而避免LBT失敗帶來的額外時延。通過對DRS的設計，NR-U把SS/PBCH和RMSI進行連續(xù)的聯(lián)合發(fā)送，這樣減少了單獨數(shù)據(jù)發(fā)送和LBT機會。對于信道接入，NR R15采用了4-step RACH的方式，在R16進行了2-step RACH的增強。NR-U也可以采用2-step RACH進行接入，從而減少數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，減少接入時延。

在移動性方面，NR-U主要是基于DRS，定義了DMTCs（DRS Measurement Time Configuration）。在非授權頻段的RRM和RLM測量可以基于DMTCs來進行。測量的信號可以是DRS、SS/PBCH blocks、CSI-RS等。

（3）HARQ增強

由于LBT的引入，使得NR中固定位置的HARQ反饋性能很難得到保障。NR-U中對HARQ做了全面的增強，這些增強包括：

1）支持所有的下行HARQ信息在一個COT中反饋;

2）支持在不同COT中進行HARQ反饋;

3）基于分組的多次HARQ反饋;

4）引入一次性反饋所有下行HARQ進程ACK/NACK信息的信令;

5）在下行控制信息（DCI）中，可以發(fā)送上行HARQ進程的ACK/NACK信息。

在標準化過程中，對以上增強如何進行結合進行了大量的討論。比較有代表性的是如何支持一次HARQ有多次反饋機會，各個公司提出了多種方案，這也是討論最激烈的部分。在研究階段，歸納出多種主要方案。最終標準化方案為基站通知UE發(fā)送之前時刻COT的PDSCH或者需要反饋的HARQ反饋，具體反饋HARQ的時間和資源由另外的DCI給出。整體上看，NR-U中對于HARQ的增強主要基于分組的多次HARQ反饋，標準化的實現(xiàn)中考慮了各種方案的結合。

（4）預配置過程增強

為加強上行數(shù)據(jù)發(fā)送性能，NR中支持兩種（TypeⅠ和TypeⅡ）預配置的上行數(shù)據(jù)發(fā)送。NR-U中繼續(xù)支持這兩種方式，但是根據(jù)非授權頻譜需要進行LBT的特點，進行了增強。這些增強包括：

1）在PUSCH中引入UCI指示，對HARQ ID、NDI、RVID等信息進行直接指示;

2）引入DFI（Downlink Feedback Information，下行反饋指示），對預配置的上行數(shù)據(jù)發(fā)送進行直接的HARQ反饋;

3）增強上行預配置的時域發(fā)送靈活性。

在UCI的設計中，不僅包括HARQ ID等信息，還考慮了上行觸發(fā)的COT的一些指示信息。對于DFI的設計，標準化中也考慮過進行HARQ指示同時，對指示為NACK的HARQ進程進行直接的重傳指示。但是考慮基于預配置的PUSCH重傳可以基于預配置PUSCH，也可以基于現(xiàn)有的調(diào)度機制，最終標準化沒有支持該種方式。對于時域的靈活性增強，NR-U中可以支持連續(xù)多個時隙的不同TB的PUSCH預配置發(fā)送，而且每個時隙中采用相同的發(fā)送配置。

3? ?結束語

NR-U的整體設計以NR為基礎，對各個信道和過程都進行了比較全面的增強。整個NR-U的增強經(jīng)歷了一年的研究階段和一年的標準化階段。由于各個信道設計有相互的影響，標準化階段的時間比較緊張。這使得很多標準化內(nèi)容為基礎方案，沒有進行進一步增強。

NR-U并不是3GPP標準化的唯一在非授權頻段解決方案。在LTE階段，3GPP也標準化了基于LTE的LAA。兩種方案在基本的設計框架和基本功能上并無本質(zhì)差異。NR-U的主要優(yōu)勢在于在設計之初就支持獨立部署和更靈活的幀結構配置。這使得NR-U能夠適應各種垂直行業(yè)的使用，并具有良好的向高頻擴展的特性。

總體看，相對于其他可以在非授權頻段使用的技術，NR-U技術可以在保證公平共存的基礎上，實現(xiàn)更高的頻譜效率、更強的可擴展性和更好的組網(wǎng)特性。隨著未來5G廣泛部署，NR-U也會有更多的使用場景和機會。在傳統(tǒng)的eMBB業(yè)務增強之外，更多的基于NR-U的垂直行業(yè)應用也將蓬勃發(fā)展。

參考文獻：

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[3]? ?ETSI. 5 GHz RLAN; harmonized standard?? covering the essential requirements of article 3.2 of directive 2014/53/EU V2.1.1[S]. 2017.

[4]? ?劉曉峰. 5G無線系統(tǒng)設計與國際標準[M].?? 北京： 人民郵電出版社， 2019.

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作者簡介

劉曉峰（orcid.org/0000-0002-4785-0497）：高級工程師，博士畢業(yè)于北京郵電大學，中國信息通信研究院主任工程師，主要從事4G、5G國際標準化及無線移動先進技術相關研究工作，主要研究方向包括信道編碼、幀結構設計、非授權頻段接入技術、終端節(jié)能等，榮獲CCSA一等獎多次，發(fā)表著作《5G無線系統(tǒng)設計與國際標準》。