5G非授权频段接入关键技术及国际标准化

【摘  要】非授权频谱作为5G授权频谱的补充可以满足运营商及垂直行业的多种应用，3GPP在R16阶段对5G NR在非授权频段的接入进行了研究和标准化。结合非授权频段的监管规则，对5G NR在非授权频段的关键技术及国际标准化内容进行了详细的分析。具体包括5G在非授权频段的帧结构设计增强、物理信道设计增强、物理过程设计增强。基于这些技术分析，本文对非授权频谱使用5G技术进行了总结和展望。

【关键词】5G;NR-U;LBT

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.001      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0002-05

引用格式：刘晓峰. 5G非授权频段接入关键技术及国际标准化[J]. 移动通信， 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

非授权频谱作为授权频谱的重要补充，一直是移动通信标准化的重点。非授权频谱虽然不能满足授权领域的质量需求，但是可以作为授权频谱部署的补充。3GPP在5G开始第一阶段（R15）标准化同时，就对基于NR的免许可频谱接入技术（NR-U）进行了研究立项[1]。虽然受制于标准化时间所限，在R15开始阶段并没有开始相关工作，但是在2018年初，3GPP宣布完成5G NR第一个版本时，就同步开始了在非授权频谱的研究工作。经过1年的全面研究，在2019年1月开始了正式的基于NR的免许可频谱接入技术标准化[2]。

非授权的无线发送需要满足各个国家和地区的频谱管制规则。这些管制规则中最重要的是先听后发（Listen Before Talk， LBT）机制[3]。LBT技术是保证在非授权频段，不同技术共存的关键。目前在非授权频段，可以使用的技术包括Wi-Fi技术、基于LTE的LAA技术等。未来NR-U的部署也将面临不同非授权频段接入技术在同一地区、同一频段的部署。在这种部署环境要求下，NR-U的设计不仅需要使不同接入技术能够在同一频段工作，还需要做不同技术的友好共存。

NR-U技术研究了非授权频谱使用的接入机制，并对5G NR已经标准化的信道、信号及相关过程进行了针对非授权频段的增强。这些增强包括发现信号的设计、上下行信道及信号的设计、初始接入过程增强、HARQ增强、大带宽增强及预配置增强。本文将对5G NR-U中涉及的关键技术进行详细描述，并对国际标准化内容进行分析。

1   NR-U使用频段及监管规则

对于NR-U的设计，需要覆盖多个频段。这些频段包括非授权频段和一些被分配为共享使用的频段，典型的频段包括2.4 GHz频段、5 GHz频段和6 GHz频段等。这些频段有些是全球分配的，有些是地区性频段。根据NR新空口的设计，对于3GPP来说，NR-U的设计要无差别地支持在这些频段的使用。综合考虑NR设计及全球非授权频段分配情况，在第一个5G增强版本（R16），NR-U的设计主要支持52.6 GHz及以下频段，这与NR第一版5G设计（R15）一致。在具体设计上，考虑到目前非授权频段及NR-U主要应用频段，在R16版本的NR-U设计中，主要针对5 GHz和6 GHz频段进行了设计增强。在对于更高频段的支持，考虑到52.6 GHz以上频段需要更大的子载波间隔和不同的接入机制，3GPP考虑在后续的版本进行支持。

在目标频段内，NR-U的设计需要满足各个国家和地区的监管规則需要，而不是针对某个国家或者某个地区的监管规则进行针对性设计。目前各个国家和地区对非授权频段的频谱管制规则，主要涉及功率和功率谱密度等级要求、最大信道占用时间要求、信道占用带宽要求和LBT机制四个方面。其中，LBT机制是整个NR-U研究及标准化的重点，也是未来NR-U是否可以和其他系统实现公平共存的关键。LBT机制又分为基于帧的FBE（Frame Based Equipment）和基于负载的LBE（Load Based Equipment）两种。LBE机制是在同频没有其他接入技术共存条件下使用的机制，而FBE机制主要用于同频没有其他系统共存时使用的一种接入方式。

2   NR-U关键技术及国际标准化

NR-U的基本设计以NR设计为基础[4]，结合了在非授权频段的监管需求。NR-U的物理层设计沿用了NR的双工方式、基础波形、载波带宽、子载波间隔、帧结构配置方式。而对帧结构、物理层信道设计和物理层基本流程几个方面都进行了增强。

2.1  帧结构增强

NR-U的帧结构增强需要兼顾LBT和最大信道占用时间。在时间维度上，LBT的引入使得信道传输的开始时间不能确定。为简单满足一次数据发送的最大信道占用时间要求，可以有不同的设计方案。NR-U采用了一次数据发送包含多个上下行转换点。基于现有帧结构设计框架，NR-U专门定义了以基站发起的和以终端发起的数据结构指示方式。通过相关的数据结构指示，基站和终端可以知道数据发送开始时间、结束时间和数据发送中的上下行数据结构。同时，也规定了在数据发送开始和各个转换点的LBT方式。

在频率维度上，LBT的基本带宽为20 MHz。为了支持单载波连续100 MHz的带宽，就需要在一个连续的载波上进行基于多个LBT带宽的操作。

对于下行设计，基于NR中已有的单载波内BWP（Bandwidth Part，带宽部分）设计，可以有多种支持方式。综合考虑了共存、对标准影响和硬件实现等因素，NR-U的设计主要支持下行可以配置多个BWP，激活一个BWP，这与R15的NR设计一致。激活BWP的带寬可以到100 MHz，包含多个LBT的20 MHz带宽。基站在不同的LBT带宽进行LBT，LBT成功的带宽进行下行数据发送。

对于上行，基于NR中已有的单载波内BWP设计，也可以有多种方式支持单载波大于20 MHz的设计。与下行类似，综合考虑各种因素，NR-U上行的设计支持配置多个BWP，单个BWP激活，UE可以在激活BWP上LBT成功的部分发送PUSCH的发送方式。与下行略有不同，UE的上行发送有一些限制。当激活BWP包含多个LBT带宽时，基站调度UE进行上行PUSCH数据发送的LBT带宽在频域上需要是连续的。

2.2  物理信道设计增强

NR-U的物理信道设计以NR已有物理信道为基础，进行一定的修改和增强。其中涉及需要改动和增强的信道和信号包括：PSS/SSS/PBCH、PUCCH/PUSCH、PDCCH/PDSCH、PRACH、上行和下行发送频带内的参考信号。

（1）PSS/SSS/PBCH增强

对于PSS/SSS/PBCH的发送，主要需要考虑在时域进行一定增强。对于NR的设计，PSS/SSS/PBCH在时域上以一定周期在固定位置发送，但是到了非授权频段，受到LBT的影响，一旦确知位置不能发送PSS/SSS/PBCH信号，那么会对UE的同步和接入性能造成比较大的影响。因此，NR-U在一定发送周期内，以NR为基础增加了同步广播块（SS/PBCH块，一个SS/PBCH块包含PSS/SSS/PBCH）候选发送位置。对于15 kHz的子载波间隔，SS/PBCH块在一个发送周期内的候选发送机会增大到10次;对于30 kHz的子载波间隔，SS/PBCH块在一个发送周期内的候选发送机会增大到20次。

图1给出了在5 GHz频段和6 GHz频段时SS/PBCH块采用15 kHz的侯选位置。从图中还可以看到在15 kHz子载波间隔下，每个时隙中SS/PBCH块的候选位置都在第2到第5个符号和第8到第11个符号。在5 ms的半帧内，每个时隙内有两个候选发送位置，从而实现在5 ms的发送周期内有10个候选发送位置。

在PSS/SSS/PBCH基础上，NR-U还引入了发现信号（Discovery Reference Signal， DRS）。NR-U DRS定义为SS/PBCH与SS/PBCH关联的CSI-RS和CORESET（s）#0（承载RMSI（Remaining Minimum System Information）的CORESET（Control Channel Resource Set））+PDSCH（s）（承载RMSI）组成的时域连续发送的数据块。在NR-U中，由于数据发送都要进行LBT，把SS/PBCH与关联的CSI-RS和CORESET（s）#0+PDSCH（s）一起组成DRS进行联合发送非常重要。NR-U DRS发送的时候，也可以同时发送其他系统消息（Other System Information， OSI）和寻呼消息，从而进一步提升NR-U整体运行效率。

（2）PUCCH/PUSCH增强

NR-U中的PUSCH和PUCCH的发送为满足最小占用带宽的需求，采用了基于交织的设计。交织设计都是基于PRB，对于15 kHz的子载波间隔，20 MHz的频段内容包含100个左右的PRB，每个交织间隔9个PRB，20 MHz的LBT带宽内每个交织包含10个或者11个PRB，共10个交织。对于30 kHz的子载波间隔，20 MHz的频段内容包含50个左右的PRB，每个交织间隔4个PRB，20 MHz的LBT带宽内每个交织包含10个或者11个PRB，共5个交织。

NR上行控制信道不能直接使用5种PUCCH格式支持交织的数据发送。PUCCH格式0/1/4只支持单PRB发送，PUCCH格式2/3支持多个PRB发送，但是也需要进行增强才适合基于交织的发送。经过讨论NR-U不支持PUCCH格式4的频域交织发送，而对PUCCH格式0/1/2/3（PF0/1/2/3/4）进行了增强。增强PF0/1的主要考虑是要支持较少的上行控制信息发送，如支持在RRC建立前的ACK/NACK信息发送和少量上行控制信息发送。而对PF2/3的增强主要是进行大量上行控制信息发送。

（3）PDCCH/PDSCH增强

NR-U对于下行信道及信号的增强设计主要包括四个主要部分：COT（连续信道占用）指示设计、COT内和COT外的PDCCH监测设计、更多长度的Type B PDSCH设计和一次调度多个PUSCH设计。

COT指示设计采用NR中已有的DCI format 2_0。在利用DCI format 2_0进行上下行数据结构指示基础上，同时增加了COT持续时间、COT内支持的LBT带宽、COT内外的搜索空间转换指示。新增加的几项指示内容由高层信令进行配置。通过该指示，可以使终端明确获得一段时间（COT持续时间）内，基站发送数据占用频域资源（LBT带宽）、上下行配置和需要进行的PDCCH监测行为。

在COT内和COT外终端需要的PDCCH监测行为也有所不同，COT外部需要更频繁的PDCCH监测。NR-U为支持COT外更频繁的PDCCH监测，可以配置最多两个PDCCH搜索空间集合组（Search Space Sets Group）。不同的组可以对应COT以内和COT以外的PDCCH发送。以两个PDCCH搜索空间集合组为例，其中搜索空间集合组1（Group1）对应COT以外的PDCCH发送，而搜索空间集合组2（Group2）对应COT以内的PDCCH发送。NR-U中支持了Group1和Group2的显性和隐性切换方式。而对于Group2向Group1的切换，都是采用隐性切换的方式。

为适应PDSCH开始传输位置能灵活匹配LBT的结果，不同厂家提出了多種扩展已有PDSCH Type B长度设计的方案。由于不同长度都有各种支持理由，经过多次讨论，最终决定支持2～13个符号的全部Type B PDSCH设计。

为提升上行调度的效率，避免连续上行发送采用多个PDCCH进行调度，NR-U中引入了一次下行DCI调度多个上行PUSCH发送的新特性。R15中为扩大上行PUSCH覆盖距离，支持了一次下行调度多个PUSCH进行完全重复的发送方式，R16中对于该特性进行了增强，允许多个PUSCH采用不同的TB连续发送。一次下行调度多个PUSCH进行不同TB的发送是由DCI format 0_1完成的。其中多个PUSCH的发送在时间上连续，各个PUSCH的开始时间及持续时间都可以根据高层信息进行灵活配置。

（4）PRACH增强

在NR R15，短PRACH格式占用连续12个RB（Resource Block），对应15 kHz/30 kHz的子载波间隔下占用的带宽是2.16 MHz/4.32 MHz。为应对不同国家的监管规则，NR-U考虑对PRACH进行增强。主要包括支持宽带发送的PRACH序列和新的PRACH格式。

NR-U中并没有定义新的PRACH格式。但是为满足占用带宽等需求，PRACH设计支持了更长的生成序列来支持更宽带宽的发送。在标准化过程中不同公司提出了多种序列生成方式，包括重复现有短生成序列和采用新的长生成序列。经过激烈的讨论，最后NR-U采用了新的基于长序列的PRACH设计。

（5）参考信号增强

NR-U中的参考信号增强主要在于不同信道发送支持更多位置，那么相应的参考信号要进行支持。比较典型的就是为支持PDSCH灵活的开始时间，NR-U引入了多种PDSCH的长度。为支持多种PDSCH的长度，就引入了多种DMRS的配置方式。

NR-U中对于上行的参考信号增强是SRS。R15中SRS只能在一个时隙中最后6个符号上发送。NR-U中把SRS的发送位置扩展支持到一个时隙中的任意位置。

2.3  物理过程设计

NR-U中物理过程设计包括信道接入过程，初始接入和移动性，HARQ过程增强和预配置过程增强。

（1）信道接入过程

非授权的接入需要满足监管规则。当有Wi-Fi或者其他网络存在时，NR-U需要基于20 MHz的LBT进行信道接入。在NR-U中需要考虑不同情况下的LBT方案。这些情况包括：DRS信号发送的LBT方案、基站触发的数据发送LBT方案、UE触发的数据发送LBT方案。

根据监管规则，NR-U支持了三种LBT方式，三种LBT方式具体定义如下[5]：

1）CAT1 LBT用于前次数据传输结束和后续数据传输间隔小于16 ?s的情况，后续数据立即传输，不进行LBT。

2）CAT2 LBT用于前次数据传输结束和后续数据传输间隔大于等于16 ?s且小于25 ?s，满足一定条件的DRS传输，或者满足一定条件的FBE传输。Cat2 LBT分为两种方式，分别为Cat2 16 ?s LBT和Cat2 25 ?s LBT。

3）CAT4 LBT用于两次数据传输间隔大于25 ?s和所有首次数据传输的情况。

对于基站或者UE开始数据发送，需要基于Cat2 25 ?s LBT或者Cat4 LBT。Cat2 25 ?s LBT主要用于DRS的发送。当DRS单独发送或者与系统消息联合发送时，当发送周期在1/20以下，发送长度为1 ms以下时，采用Cat2 25 ?s LBT。而当DRS单独发送或者与系统消息联合发送时发送周期在1/20以上，或者发送长度为1 ms以上时，只能采用Cat4 LBT。对于其他的上行或者下行初始的数据或者信号发送，都基于Cat4 LBT。

（2）初始接入和移动性

在NR-U的初始接入和移动性增强，主要设计思路是减少所需发送数据和信号的次数，从而避免LBT失败带来的额外时延。通过对DRS的设计，NR-U把SS/PBCH和RMSI进行连续的联合发送，这样减少了单独数据发送和LBT机会。对于信道接入，NR R15采用了4-step RACH的方式，在R16进行了2-step RACH的增强。NR-U也可以采用2-step RACH进行接入，从而减少数据发送次数，减少接入时延。

在移动性方面，NR-U主要是基于DRS，定义了DMTCs（DRS Measurement Time Configuration）。在非授权频段的RRM和RLM测量可以基于DMTCs来进行。测量的信号可以是DRS、SS/PBCH blocks、CSI-RS等。

（3）HARQ增强

由于LBT的引入，使得NR中固定位置的HARQ反馈性能很难得到保障。NR-U中对HARQ做了全面的增强，这些增强包括：

1）支持所有的下行HARQ信息在一個COT中反馈;

2）支持在不同COT中进行HARQ反馈;

3）基于分组的多次HARQ反馈;

4）引入一次性反馈所有下行HARQ进程ACK/NACK信息的信令;

5）在下行控制信息（DCI）中，可以发送上行HARQ进程的ACK/NACK信息。

在标准化过程中，对以上增强如何进行结合进行了大量的讨论。比较有代表性的是如何支持一次HARQ有多次反馈机会，各个公司提出了多种方案，这也是讨论最激烈的部分。在研究阶段，归纳出多种主要方案。最终标准化方案为基站通知UE发送之前时刻COT的PDSCH或者需要反馈的HARQ反馈，具体反馈HARQ的时间和资源由另外的DCI给出。整体上看，NR-U中对于HARQ的增强主要基于分组的多次HARQ反馈，标准化的实现中考虑了各种方案的结合。

（4）预配置过程增强

为加强上行数据发送性能，NR中支持两种（TypeⅠ和TypeⅡ）预配置的上行数据发送。NR-U中继续支持这两种方式，但是根据非授权频谱需要进行LBT的特点，进行了增强。这些增强包括：

1）在PUSCH中引入UCI指示，对HARQ ID、NDI、RVID等信息进行直接指示;

2）引入DFI（Downlink Feedback Information，下行反馈指示），对预配置的上行数据发送进行直接的HARQ反馈;

3）增强上行预配置的时域发送灵活性。

在UCI的设计中，不仅包括HARQ ID等信息，还考虑了上行触发的COT的一些指示信息。对于DFI的设计，标准化中也考虑过进行HARQ指示同时，对指示为NACK的HARQ进程进行直接的重传指示。但是考虑基于预配置的PUSCH重传可以基于预配置PUSCH，也可以基于现有的调度机制，最终标准化没有支持该种方式。对于时域的灵活性增强，NR-U中可以支持连续多个时隙的不同TB的PUSCH预配置发送，而且每个时隙中采用相同的发送配置。

3   结束语

NR-U的整体设计以NR为基础，对各个信道和过程都进行了比较全面的增强。整个NR-U的增强经历了一年的研究阶段和一年的标准化阶段。由于各个信道设计有相互的影响，标准化阶段的时间比较紧张。这使得很多标准化内容为基础方案，没有进行进一步增强。

NR-U并不是3GPP标准化的唯一在非授权频段解决方案。在LTE阶段，3GPP也标准化了基于LTE的LAA。两种方案在基本的设计框架和基本功能上并无本质差异。NR-U的主要优势在于在设计之初就支持独立部署和更灵活的帧结构配置。这使得NR-U能够适应各种垂直行业的使用，并具有良好的向高频扩展的特性。

总体看，相对于其他可以在非授权频段使用的技术，NR-U技术可以在保证公平共存的基础上，实现更高的频谱效率、更强的可扩展性和更好的组网特性。随着未来5G广泛部署，NR-U也会有更多的使用场景和机会。在传统的eMBB业务增强之外，更多的基于NR-U的垂直行业应用也将蓬勃发展。

参考文献：

[1]      Qualcomm Incorporated. 3GPP TSG RAN Meeting  （RP-181339） Revised SID on NR-based access to unlicensed spectrum[R]. 2018.

[2]     Qualcomm Incorporated. 3GPP TSG RAN Meeting（RP-182878） New WID on NR-based access to unlicensed spectrum[R]. 2018.

[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]   刘晓峰. 5G无线系统设计与国际标准[M].   北京： 人民邮电出版社， 2019.

[5]   3GPP. 3GPP TS 37.213 V16.0.0： Technical Specification Group Radio Access Network; Physical layer procedures for shared spectrum channel access [S]. 2019.★

作者简介

刘晓峰（orcid.org/0000-0002-4785-0497）：高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，中国信息通信研究院主任工程师，主要从事4G、5G国际标准化及无线移动先进技术相关研究工作，主要研究方向包括信道编码、帧结构设计、非授权频段接入技术、终端节能等，荣获CCSA一等奖多次，发表著作《5G无线系统设计与国际标准》。