非授权频带频谱共享技术综述及专利申请状况分析

摘  要：随着通信技术的发展，无线通信业务量呈现爆发式增长，如何进一步提升传输速率和网络容量成为亟待解决的问题。当前利用物理层技术提高频率效率，对未来的需求来说微不足道，如何有效利用授权频带以外的带宽资源成了通信研究的重要方向[1-3]。本文将对非授权频带频谱共享技术的原理和发展进行介绍，并针对MulteFire技术的专利申请进行分析。

关键词：非授权频带;LTE-U;LAA;MulteFire

中图分类号：TN925     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0187-03

Abstract：With the development of communication technology，the amount of wireless communication traffic has exploded，and how to further increase the transmission rate and network capacity has become an urgent problem to be solved. At present，the use of physical layer technology to improve frequency efficiency is insignificant for future needs. How to effectively utilize bandwidth resources outside the licensed band has become an important direction of communication research[1-3]. This article will introduce the principle and development of unlicensed band spectrum sharing technology and analyze the patent application of MulteFire technology.

Keywords：unlicensed band;LTE-U;LAA;MulteFire

0  引  言

3GPP在2013年首次提出了LTE-U（LTE in unlicensed spectrum），通過非授权频带承载移动服务数据。随后又提出了其演进技术方案：授权辅助接入（Licensed Assisted Access，LAA）、增强型授权辅助接入（Enhanced Licensed Assisted Access，eLAA）等，并作为标准。

2018年，在Rel-16版本中3GPP正式成立了5G NR非授权频带（5G NR in Unlicensed Spectrum）项目组。MulteFire是一种不借助授权频带运行于非授权频带的技术，具有组网灵活、与其他平台技术公平共存的特点。

1  技术演进路线

1.1  LTE-U

在2013年12月召开的3GPP RAN#62次会上首次提出了LTE-U，其借助载波聚合技术（CA）和补充下行链路模式（SDL）部署，所有LTE控制和数据信道均在授权频带上运行，非授权频带上仅通过额外的数据信道提升数据面性能。利用载波聚合模式在非授权频带同时部署下行链路和上行链路。补充下行链路模式（SDL），只将非授权频带作为下行链路传输。以上两种模式，非授权频带都仅用于数据层，所有的控制层流量均由授权频段处理，核心网同时运营于授权与非授权频带，便于移动网络的管理与升级[4，5]。

美国有线电视实验室（CableLabs）在3GPP RAN#64次会议上提出了基于时分复用的动态占空比方案，该方案中LTE系统在预定的ON/OFF周期使用，Wi-Fi有机会接入。高通提出的载波侦听自适应传输（Carrier Sensing Adaptive Transmission，CSAT）的共存方案也采用相类似的结构。然而，上述方案在共存时均以LTE为主，LTE占用并控制信道，Wi-Fi有机会接入，虽然能避免冲突，但无法保证公平性。LBT机制不需回退，检测到信道空闲后马上接入信道。在密集部署的区域引入了CSMA/CA中的竞争窗和随机避退机制，能有效降低数据分组的碰撞概率。

1.2  LAA/eLAA

授权辅助接入（LAA）首次在RAN#64次会议上提出，2015年LAA结束了项目研究SI阶段，得出了采用合适信道接入机制的条件下（如LBT），LAA可以与Wi-Fi公平共存的结论。在3GPP Rel-13中进一步规定了使用非授权频带需要遵守的设计准则：一必须使用授权频段作为锚点，不能单独使用非授权频带传输数据;二非授权频带只能作为副载波而不能作为主载波使用。因此，LAA采用载波聚合技术（CA），授权频带作为主载波单元（PCC）传送关键信息和保证服务质量（QoS），非授权频带作为副载波单元（SCC），可配置成下行补充链路，提供额外的无线资源，通过媒体访问控制单元（MAC）激活/释放非授权频带的资源使用，动态使用资源，在基站激活非授权频带资源时，LTE在非授权频带上传输蜂窝数据，当基站释放非授权频带资源时，Wi-Fi系统可基于竞争抢占使用非授权频带资源，从而实现非授权频带的灵活调度[6，7]。为了保证其与其他平台的技术公平共存，3GPP将深化对干扰避免机制的研究，在避免冲突的基础上，更注重公平性的研究。

随着标准化的进程，LAA不只用于承载LTE系统的下行数据业务，UE上行数据传输也将在非授权频带传输，在3GPP Rel-14标准中，正式提出了LAA的演进版本——增强型授权辅助接入（eLAA），可以同时提高LTE-LAA系统上、下行链路的数据传输速率。在3GPP Rel-15中进一步针对一些细节性的技术进行了完善，以进一步实现增强型授权辅助接入（eLAA）[8]。

1.3  MulteFire

MulteFire是一种通过在非授权频带上独立运行LTE技术的新型无线网络，其不需要授权频带作为锚点执行辅助接入。MulteFire Alliance（MFA）成立于2015年12月，其核心目标是协同3GPP采用LTE以及下一代蜂窝移动技术在非授权频带上部署无线通信网络。2017年1月由MulteFire Alliance（MFA）发布了MulteFire 1.0技术规范，该规范基于3GPP Rel-13/14，在最大限度上减少了LTE和MulteFire之间的差异。MFA于2018年2月发布了MulteFire 1.0.1规范。目前在开发中的1.1版本主要涉及两种支持物联网的方法：兼容eMTC与低功耗广域的NB-IoT[9-11]。

为實现不同类型的部署，MulteFire包括两种接入模式：公共陆地移动网络（Public Land Mobile Network，PLMN）模式和中立主机网络（Neutral Host Network，NHN）模式。其中，在PLMN接入模式中，MulteFire无线接入网以类似于演进通用陆地无线网E-UTRAN的方式接入到3GPP演进分组核心网中，通过S1连接并具有类似E-UTRAN的功能，新引入的MulteFire接入点将扮演了LTE网络中基站的角色，用户可以在MulteFire与3GPP RAN之间移动时保留IP。在中立主机网络（NHN）接入模式中，MulteFire作为一个独立部署的网络，提供本地IP网络或互联网接入，同一NHN内的MulteFire小区之间支持移动性，NHN通过外部签约采购服务供应商（Procurement services provicers，PSP）进行交互为用户提供服务，逻辑上与NHN运营商是相互独立的，移动网络运营商可以作为NHN模式下的服务提供商，NHN可以作为专用私有网络部署在隔离环境或公共空间中。

3GPP Rel-16版本中正式成立了5G NR非授权频带（NR-U）项目组，将LTE-U/LAA技术拓展到了5G。其包括两种工作模式：授权频带辅助接入的NR-U即LAA NR-U以及独立式NR-U。其中独立式NR-U定义了不再需要授权频带作为锚点，其可以独立运行于非授权频带，这意味着即使不具有授权频带的运营商也可以部署5G网络。与LTE-U，LAA和LWA不同，MulteFire完全在未经许可的频段中运行，用户安装MulteFire AP（接入点）或路由器实现LTE覆盖，而不依赖于许可的频谱，它使物联网（物联网）设备网络成为现实。目前NR-U的独立模式技术细节仍在讨论中，MulteFire将成为发展方向[12，13]。

2  非授权频带频谱共享技术专利分析

为了进一步分析MulteFire技术的专利申请情况，本文通过Patentics和S系统利用关键词、分类号进行检索，并适应性的执行去噪处理，将得到的检索结果作为专利分析的基础。

图1示出了MulteFire技术全球申请量的发展趋势，可以看出全球范围内，MulteFire技术的专利申请在2015年开始出现，随后保持持续的增长，尤其在2017年申请量达到顶峰，标志着MulteFire逐渐成熟。在2017年底之后，由于专利公开滞后的因素，申请量暂时呈现下降趋势。由此可知，从2017年以来MulteFire一直处于技术活跃期，包括2017年之前的早期技术萌芽期，专利申请量逐渐增加。2017年之后的技术迅速进入发展成长期以及稳定发展期。2018年后的数据尚不完善。

图2示出了MulteFire技术的主要专利申请人，从图中可以看出，在MulteFire领域，我国的佰才邦、华为均榜上有名，这说明我国的MulteFire技术水平已进处于世界先进水平，但是与行业内的巨头仍存在差距。由于MulteFire概念首先是由高通提出的，并且MFA也由高通等公司牵头，因此高通的申请量最高，在300件以上。华为2016年11月才加入的MFA，所以相比其他几家企业，仍有一定距离和进一步提升的空间。值得注意的是，还有一家中国的公司也加入到了MulteFire技术的专利布局中——北京佰才邦。佰才邦的创始人是华为院士Fellow孙立新，主要负责无线专利标准工作，因此在该公司2014成立之初便成为了4G赛道上的黑马。

由图3可以看出，全球关于MulteFire的专利申请总量，在本地资源管理、信道编码、信道接入、网络规划这几方面申请量较大。其中本地资源管理，例如无线资源的选择或分配调度或无线业务量调度资源管理作为MulteFire最重要的技术分支，申请量比重接近1/3。在无线接入、信道编码、网络规划等方面，比重也分别达到了15%、12%与11%。MulteFire技术的本质是非授权频带的独立接入，其仅在网络资源分配、无线接入、网络规划等方面与授权频带运行的LTE系统不同，因此上述主题是MulteFire相关的核心技术，也将成为5G独立非授权接入模式相关的核心技术。

3  结  论

目前，我国在下一代通信技术领域已取得了长足的发展，非授权频带接入将成为5G中实现“万物互联”的核心技术，MulteFire为代表的非授权频带独立接入模式将成为未来的发展方向。面对中国这个通信行业的巨大市场，各通信业巨头都已在我国密布专利触角。希望本文能够帮助读者了解国内外非授权频带技术的发展现状，以及未来独立接入模式中MulteFire技术的专利现状。

参考文献：

[1] 刁兴玲.高通徐晧：5G时代，毫米波、共享频谱与终端侧AI将大放异彩 [J].通信世界，2018（21）：44.

[2] 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.

[3] 胡亚霖.5G移动通信关键技术 [J].电子技术与软件工程，2019（3）：24.

[4] 彭丽，张纯波.LTE-U技术及发展浅析 [J].数据通信，2016（1）：23-24.

[5] 陈勇辉，李木荣.LTE-U技术及其部署策略研究 [J].电信工程技术与标准化，2016，29（2）：69-73.

[6] 李佳宁.LAA系统中接入策略的优化研究 [D].北京：北京邮电大学，2018.

[7] 付卓然.LTE-LAA网络频谱利用方法研究 [D].北京：北京邮电大学，2018.

[8] 许九旭.eLAA通信系统中通信链路增强方案研究 [D].北京：北京邮电大学，2017.

[9] 孙杰贤.MulteFire：让LTE技术服务更多行业 [J].中国信息化，2017（7）：36-37.

[10] 戴巡，陈晓晨，肖雳，等.MulteFire技术及其认证测试研究 [J].计量技术，2018（12）：71-73+81.

[11] 张晋瑜.基于MulteFire的上行传输及共存优化 [D].北京：北京邮电大学，2018.

[12] [瑞典]Afif Osseiran，[西]Jose，F.，Monserrat，[德]Patrick Marsch.5G移动无线通信技术 [M].陈明，缪庆育，刘愔，译.北京：人民邮电出版社，2017.

[13] 杨峰义，谢伟良，张建敏，等.5G无线网络及关键技术 [M].北京：人民邮电出版社，2017.

作者简介：张宇（1992-），男，汉族，北京人，硕士，审查员，研究方向：移动通信领域发明专利的实质审查。