5G NR蜂窝网络在非授权频谱的标准化与应用

张佳胤

（上海华为技术有限公司，上海 201206）

0 引 言

当前用于无线通信的无线电频谱主要集中在3 kHz～300 GHz。移动通信运营商通过拍卖的方式获得频谱资源，根据GSA截止2021年1月的数据，全球C-band频谱的平均价格为0.105/（美元/MHz/人口），在发达国家频谱的价格通常是此平均价格的2～3倍[1]。持续高涨的授权频谱价格迫使运营商开始考虑采用更多的非授权频谱来分流大容量低价值的业务。当前国际上主要的非授权频谱包括2.4～2.483 GHz、5.1～5.8 GHz（下文统称5 GHz）以及57～71 GHz（下文统称60 GHz），同时欧美各国政府正在逐步开放5.9～7.1 GHz（下文统称6 GHz）作为非授权频谱[2,3]。与传统授权频谱的独享使用不同，通信设备只需要符合法规定义的频谱使用规则即可在该频段上通信，而无需向无线电频谱管理机构申报或者拍卖频谱。各国非授权频谱的分配都相对集中，因此大大降低了设备中射频部分的开发成本。同时由于需要考虑不同系统和不同用户之间的共享与共存，使用非授权频谱的设备通常会设计有效的干扰管理和抑制的技术，在部署和使用上具有更大的灵活性。

在经历了商用并不是很成功的授权辅助接入（Licensed Assisted Access，LAA）后，3GPP于2017年3月批准面向NR Rel-16对于5 GHz和6 GHz非授权频谱接入的研究和标准制定工作，称为NRUnlicensed（简称NR-U）[4,5]。工作从2018年初开始，于2019年12月基本功能冻结，主要针对NR Rel-15的基础特性进行全面增强，以适应在由于发射端引入先听后说（Listen-Before-Talk，LBT）后造成上下行传输不确定性的影响。通过系统仿真发现，在高密度和高负载场景下，NR-U可以提供相比于WiFi6更高的用户体验速率和更短的传输时延。2020年1月，3GPP在对NR-U Rel-16进行维护的同时，启动了面向NR Rel-17的52.6～71 GHz频段的研究和标准化工作，主要针对57～71 GHz的非授权频段和66～71 GHz的IMT频段[6]。同年7月，在IIoT/URLLC工作组中加入了NR-U上行增强的课题，希望提高其在受控场景下上行传输的时延和可靠性[7]。整个Rel-17的标准化工作预计在2021年底基本特性冻结。

1 非授权频谱的使用法规和信道接入机制

为了保证使用非授权频谱的设备能够有效且公平接入，将设备间的干扰控制在可以接受的程度，各国都制定了相应的使用规范。通常在规范中会规定非授权频谱的使用范围、信道带宽、最大发射功率和功率谱密度以及允许的带外辐射等参数限制。在一些国家和地区会进一步规定信道接入和干扰管理的方法。由于欧盟对于非授权频谱制定了最为详细的法规，因此3GPP在制定NR-U的射频指标和信道接入机制时主要是参考了欧盟的相关法规和协议。

欧盟委员会在2004年将5 150～5 350 MHz和5 470～5 725 MHz的频谱作为非授权频谱开放给无线接入系统/无线电局域网（Wireless Access Systems/Radio Local Area Networks，WAS/RLANs）使用[8]。在2020年11月，欧盟委员会又将5 925～6 425MHz（简称L6G）的频谱划分给WAS/RLAN设备使用[3]。为了便于不同系统间的共存，ETSI BRAN针对5 GHz制定了协调协议，在最新的协调协议草案中增加了对于5 725～5 850 MHz频段的支持[9]。协调协议规定最小标称信道带宽（Nominal Channel Bandwidth，NCB）为20 MHz，同时还要求发送信号的的实际占用带宽（Occupied Channel Bandwidth，OCB）需要超过80%的标称带宽。实际占用带宽定义为包含有99%信号能量的带宽。针对6 GHz的协调协议正在制定中，将会以5 GHz为蓝本进行修改[10]。

为了保证不同系统间的共存，在协调协议中定义了两类设备的接入方式，分别为基于负载的设备（Load Based Equipment，LBE）和基于帧结构的设备（Frame Based Equipment，FBE），并分别定义了不同的LBT机制强制要求执行。协调协议要求LBE设备在发送信号前需要对于信道进行一个随机时长的侦听，侦听的时长会根据待发送数据包的信道接入优先级（Channel Access Priority Class，CAPC）及之前发送数据包的成功与否进行调整。而对于FBE设备，法规要求设定一个固定的帧周期（Fixed Frame Period，FFP）。在每个FFP的最后需要保留一段空闲时间，发射端在空闲时间进行固定长度（9 μs）的信道侦听。如果信道空闲则可以自由使用紧随的FFP，否则需要在紧随的FFP内保持静默。典型的LBE设备包括所有的WiFi（IEEE802.11系列）设备和LTE-LAA设备。在NR-U中对于LBE和FBE分别定义了对应的动态信道接入和半静态信道接入[11]。通常发送设备会通过能量检测来判断当前信道是否空闲。协调协议定义的能量检测门限如图1所示，采用和最大发射功率成反比例关系的能量检测门限是为了保证不同发射功率设备之间的信道接入公平性。

图1 能量检测门限与最大发射功率的关系

2 Rel-16 NR-Unlicensed的演进

2.1 NR-U的目标部署场景

NR-U支持以下5中部署场景。场景一，NR PCell与NR-U SCell之间的载波聚合。此场景类似于LTE-LAA，非授权频谱的SCell和授权频谱的PCell共站址或者之间具有理想回传链路相连。场景二，LTE PCell与NR-U PSCell之间的双连接。此场景主要针对LTE Pcell和NR-U PSCell之间不共站址或者没有理想回传链路，从而无法达到载波件的同步。场景三，NR-U PCell独立部署。此场景针对没有授权频谱的情况，如企业希望独立部署NR网络用于工厂环境，或者有线通信运营商想独立部署无线业务。场景四，NR小区下行在非授权频段，上行在授权频段。通常FDD是配对使用的，由于eMBB业务特性，下行频谱的使用率要远高于上行频谱，使用此模式，FDD运营商可以使用空闲的上行授权频谱载波和额外的非授权频谱下行载波配对，以提高上行频谱资源的利用率。场景五，授权频段NR PCell和非授权频段NR-U PSCell之间的双连接。此场景与场景二类似，只是将LTE的主节点替换成NR。

2.2 NR-U Rel-16的关键技术改进

按照法规规定，如果发射端在LBT过程中发现信道已被占用，则必须停止后续的发送并继续进行信道侦听。在NR Rel-15设计时，由于未考虑LBT失败所造成的传输失败，将NR Rel-15直接应用到非授权频谱上会造成传输效率降低、传输时延增加以及终端功耗增加。另外，由于在欧盟法规中对于占用信道带宽和发送功率谱密度有严格限制，NR Rel-15上行信道的传输机制无法有效利用频谱和功率。针对以上这些问题，NR-U基于NR Rel-15主要在以下几个方面进行了改进。

2.2.1 初始接入信号和信道的增强

UE通过检测gNB发送的同步信号（Synchronization Signal，SS）和物理层广播信道块（Physical Broadcast Channel，PBCH）获得与gNB的下行时频同步。NR-U的UE在初始接入时默认使用30 kHz SCS进行SSB检测，为了避免各信道信号单独发送所需的LBT开销，NR-U系统定义了发现突发的概念，将SSB与其关联的RMSI PDCCH、PDSCH以及CSI-RS组合在一起传输[12]。当发送DB的占空比每50 ms小于5%时，就可以采用第二类LBT(CAT2 LBT)。为了进一步保证DB在干扰环境下信道接入的概率，NR-U还引入了发现突发传输窗口（Discovery Burst Transmission Window，DBTW）的概念。在DBTW中，根据发送SSB的子载波间隔（Sub-Carrier Spacing，SCS），候选同步信息块索引位置由之前的8个分别最大扩展到了10个（15 kHz SCS）和20个（30 kHz SCS）。gNB在DBTW中重发由于LBT失败而无法发送的SSB，gNB会通过高层信令通知UE准共址（Quasi Co-Location，QCL）参数，指示了一个SSB图样中使用相同波束方向发送的两个候选SSB位置之间的最小间隔[13]。

在初始接入中，UE通过随机接入过程获取和gNB的上行同步。为了使UE充分利用法规允许的发射功率和功率谱密度，NR-U Rel-16标准中除了允许使用Rel-15中长度为139的PRACH序列，又针对30 kHz SCS设计了长度为571的序列，针对15 kHz SCS设计了长度为1 151的序列，以使UE能够发送占满20 MHz带宽的PRACH前导信号[14]。为了避免传统四步RACH中每次传输所需LBT造成的时延，NR-U支持两步RACH。UE将RACH MSG1和MSG3合并成MSGA一起发送，gNB将MSG2和MSG4合并为MSGB一起发送。

2.2.2 下行物理层控制信道增强

对于使用动态信道接入的设备，为了充分利用从LBT成功结束到最临近的PDSCH起点之间时域资源，NR-U可以调度从时隙中任意符号起始，持续长度为2～13个符号的PDSCH。为了及时获得更小时间颗粒度的资源指示，需要UE以更高的检测频率去盲检PDCCH，从而导致了UE功耗的增加。为了平衡信道接入的灵活性和UE盲检PDCCH的功耗，NR-U对于Type3公共搜索空间（Common Search Space，CSS） 和 UE搜 索 空 间（UE-specific Search Space，USS）引入了搜索空间集的切换。在一个服务小区中可以配置两组搜索空间集，分别标识为group 0和group 1。当UE检测到DCI format 2_0中的SS切换指示，或者检测到属于group 0的搜索空间中的DCI时，UE会在下一个时隙边界激活切换计数器并切换到对应group 1的搜索空间，以降低PDCCH的盲检频率，从而节省功率。当UE检测到携带在DCI format 2_0的SS切换指示或SS切换定时器过期，或当前信道占用时间（Channel Occupancy Time，COT）结束，UE可以在下一个时隙边界切换到group 0对应的搜索空间，以提高检测频率来保证信道接入的及时性。

2.2.3 上行信道增强

为了充分利用协调协议中对于功率谱密度的测量方法来提高每个PRB上的发射功率，同时满足法规中对于占用信道带宽的要求，在LTE-LAA Rel-14中PUSCH采用了基于PRB交织的资源映射[12]。在NR-U中，基于PRB交织的资源映射也被采用在针对15 kHz SCS和30 kHz SCS的PUSCH和PUCCH上，并可以通过高层信令进行配置。在一个interlace中，针对15 kHz SCS和30 kHz SCS两个相邻可用PRB之间分别间隔了10个和5个PRB，这样就使每个PRB上的发射功率可以提高7.4 dB和4.4 dB。

在NR-U中，为了使PUCCH和PUSCH充分复用频域资源，要求这两个信道采用相同的资源映射方式。PUCCH所使用的每个interlace中只能包含10或11个PRB，并位于法规定义的20 MHz LBT带宽内。这是为了提高发送PUCCH前LBT的成功概率，并且充分利用法规允许的发射功率和功率谱密度以提高覆盖。对于NR Rel-15中定义的PUCCH格式0和格式1（简称PF0、PF1），需要将原有的占用一个PRB的长度为12的低PAPR序列映射到一个interlace中所有的PRB中。为了避免在频域不同PRB上直接重复相同序列造成的PAPR恶化，标准定义将映射到interlace中每个PRB上的序列进行不同的循环移位。基于PRB interlace的PUCCH格式2和格式3（简称PF2、PF3）则可以被配置1个或者2个interlace，并将经过加扰、编码、调制以及扩频后的UCI依次映射到interlace中的各个PRB上。当配置1个interlace时，为了提高对于interlace中PRB资源的利用率，PF2和PF3支持分别通过频域正交掩码（Frequency Domain Orthogonal Cover Code，FD-OCC）和块扩频-在相同的资源内复用2到4个用户。

2.2.4 下行HARQ-ACK反馈过程和上行PUSCH传输过程的增强

在非授权频谱，UE在反馈HARQ-ACK之前需要进行LBT。为了避免由于UE LBT失败造成HARQ重传或RLC重传，NR-U gNB可以在调度PDSCH的DCI中通过指示特殊的K1值（PDSCH与其对应的PUCCH之间的时隙间隔）通知UE推迟HARQ-ACK反馈，以避免进行CAT4 LBT造成的信道接入不确定性[14,15]。对于采用动态HARQ-ACK码本（Type 2）进行反馈的UE，gNB在进行下行调度时可以为每个PDSCH分配一个组标识及对应该组标识的新反馈指示（New Feedback Indicator，NFI）。如果当前 DCI中NFI相比于之前收到的DCI中同组的NFI发生了翻转，则只反馈本次调度PDSCH的HARQ-ACK，否则需要将之前DCI调度的同组PDSCH的HARQACK一起反馈。在此基础上，gNB进一步指示在此PUCCH上需要反馈HARQ-ACK信息的PDSCH组的数量。如果某一组PDSCH对应的HARQ信息反馈失败，那么通过组的数量指示，网络设备可以在下一个传输机会上指示终端将该组对应的HARQ信息进行重传。NR-U Rel-16协议还定义了一种Type-3 HARQ反馈方式，可以通过DCI format 1-1调度PUCCH将对应于该UE所有HARQ进程的ACK信息同时反馈，以增强反馈的鲁棒性。由于针对Type 2动态码本的增强和Type 3 HARQ-ACK反馈能够显著提高传输的可靠性，这些特性也可以用于授权频段的URLLC/IIoT业务。

在NR Rel-15中，一个UL grant只能调度一个非重复传输的PUSCH。在非授权频谱中为了降低的LBT开销，UE希望能够一次连续发射尽可能多的PUSCH，而且这些PUSCH通常会采用相同的频域资源、MCS以及DMRS端口等配置。为了避免调度连续PUSCH的DCI占用大量PDCCH资源，NR-U支持通过一个UL grant调度连续的多PUSCH，每个PUSCH占用独立的HARQ进程。该特性也可以在授权频谱中使用。

在NR Rel-15中定义的预配置调度（Configured Grant，CG）传输允许UE在gNB预先配置的资源上自主发起上行传输，从而避免了由于发送调度请求（Scheduling Request，SR）和缓存状态报告（Buffer Status Report，BSR）等控制信息而造成的时延。为了避免在非授权频谱中LBT失败UE错过预先配置的资源，NR-U支持在一个CG周期中配置多个slot，同时在每个slot中配置多个mini slot，UE可以根据实际LBT成功的时延，自由选择上行发送的时机，从而极大地提升了上行接入的效率。同时UE允许使用预配置的资源自主进行重复发送来提升传输可靠性，或者发送不同的传输块来提高上行吞吐量，满足了UE对于不同业务的适应性。

2.2.5 宽带传输增强

与LTE-LAA相比，NR允许配置大于20 MHz的载波带宽和BWP带宽，这样可以在不增加协议和实现复杂度的同时提高传输带宽和吞吐率。为了和窄带异系统的共存，要求发射端在每个20 MHz的子信道上进行LBT。如果仅允许发射端在载波对应的所有LBT带宽上LBT成功之后才能够发送，这样会严重影响信道接入的效率和频谱利用率。在NR-U Rel-16的方案中，gNB通过在载波内配置带内保护带将载波和BWP带宽划分成多个对应于LBT带宽的子带（标准中称为RB Set）。为了保证下行控制信道的可靠性，通常会将承载PDCCH的COREST限制在LBT带宽内。而对于数据信道，gNB可以根据各子带上的LBT结果动态的调度下行数据信道。gNB还会在公共控制信道上发送可用带宽指示，便于UE根据gNB的发送带宽调整接收滤波器，从而避免了来自LBT失败子带上的干扰能量阻塞接收机。考虑到UE上行eMBB的业务量相对较小，gNB分配超过20 MHz带宽给一个UE的概率较低。因此，为了降低UE的实现复杂度和成本，未采用带宽动态调整的方法，而要求UE必须在调度带宽上所有的LBT都通过才能发送。

2.3 NR-U Rel-16和WiFi6的系统性能比较

为了评估NR-U系统可以和WiFi系统公平竞争使用频谱，在NR-U的研究阶段各公司一致同意采用与LTE-LAA Rel-13时相同的方法，即如果将网络中部分WiFi AP/STA换成NR-U gNB/UE之后，评估剩余的WiFi AP/STA的用户的感知速率是否会受影响。在图2中给出了根据3GPP标准中定义的室内部署场景，NR-U Rel-16（LBE）和WiFi6分别在低、中、高负载情况下的单独组网以及混合组网下的系统仿真结果，NR-U和WiFi6的系统配置参数见附录[16]。从图中可以发现，当将室内一半的WiFi6 AP/STA换成NR-U的gNB/UE时，在相同的负载下，剩余WiFi6节点的用户感知速率会得到显著的提高。原因就在于使用NR-U可以在更短的时间内传输相同数据量的FTP业务，从而相比于WiFi6占用更少的信道资源，降低了对于剩余WiFi节点的干扰和阻塞。

图2 NR-U和WiFi6在共存场景下的系统性能评估

在IIoT等受控的环境中，通常会采用单一无线接入技术部署网络。在在IIoT等受控的环境中，通常会采用单一无线接入技术部署网络。在图3中给出了室内场景下，在160 MHz频谱上单独使用NR-U Rel-16（LBE或FBE）和WiFi6之间的用户感知速率（User Perceived Throughput，UPT）的比较。从图中可以发现，在低业务负载时，由于WiFi6采用了流水线式的设计，如前置训练序列、短信道编码块以及不支持HARQ等，可以在更短的时间内解调数据并向发射端反馈应答，因而具有更高的用户感知速率。但是这样的设计会造成链路解调性能和干扰抑制能力的下降，因此需要使用信道检测门限更低的前导检测（Preamble Detection，PD），进而降低空分复用的概率，这也使得WiFi6在业务量上升之后性能急剧下降。对于使用与WiFi6类似信道接入模式的NR-U LBE，由于其具有更强的干扰抑制手段，LBT可以使用更高的能量检测（Energy Detection，ED）门限，从而提高了系统内的空间复用机会。进一步如果NR-U采用FBE模式时，可以将不同gNB的固定帧周期同步，避免了gNB之间的信道竞争，也使不同gNB之间可以通过分布式MIMO算法进行联合发送和接收，这也是NR-U FBE在高负载时候性能没有明显下降的主要原因。在相同场景假设下，图4中给出了NR-U Rel-16（LBE或FBE）和WiFi6之间95%传输时延的比较，即95%的数据包可以在X时间内完成传输。可以发现，NR-U Rel-16在确定性时延业务的传输上相较于WiFi6具有明显的优势。

图3 WiFi6/NR-U LBE/FBE用户感知速率比较

图4 WiFi6/NR-U LBE/FBE单独组网传输时延比较

4 NR-U在Rel-17及后续版本演进的方向

除了面向运营商市场提供无线互联网业务的分流，如何在受控的环境中使用非授权频谱提供大容量、低时延以及有QoS保障的传输方案也受到了各厂商的广泛关注。在2020年7月，3GPP在面向Release 17的IIoT/URLLC工作组中加入了NR-U增强的课题[7]。在受控的场景下通常可以避免非受控的设备对于网络产生干扰，因此通常会使用基于帧结构的设备和半静态的信道接入方式。在NR-U Rel-16中由于进度和工作量的原因，仅定义了gNB竞争信道占用时间，UE在发送上行传输之前需要确认gNB已经获得了待传输上行时频资源的使用权。这样无形中增加了上行传输的时延和终端的实现复杂度。因此在Rel-17中允许gNB为UE配置独立的信道接入周期，并允许UE按照这个周期独立的竞争信道占用时间。在此基础上，标准中还会进一步定义一系列准则来协调gNB和UE各自的信道接入周期和信道占用时间的共享。另一方面，在Rel-16 NR-U和URLLC工作组根据各自的应用场景和目标分别定义了配置调度上行传输机制。为了在受控环境下的非授权频谱上仍然能够使用URLLC中定义的配置调度上行特性，需要将两个工作组中定义的特性进行融合。例如，在NR-U的Configured Grant中也需要支持PUSCH repetition type B。

60 GHz频段也是全球通用的非授权频谱。在此频段上，美国和欧盟有14 GHz（57～71 GHz）的带宽可用，包括中国在内的大多数国家和地区也有超过7 GHz（59～66 GHz）的带宽可用。相对于低频段，在这个频段上有更大路径损耗和更低功放效率，因此通常会采用高天线增益的方向性天线面板进行收发。3GPP在第86次全会上通过对于52.6～71 GHz频段的研究和标准化工作[6]。由于该频段与当前NR Rel-15/16支持的频率范围24.25 ～52.6 GHz相邻，因此会重用已有的波形。但是考虑到由于中心频点提高1倍会造成相位噪声提高6 dB，Rel-17标准中除了支持FR2频段上已有的120 kHz SCS以保证覆盖，还将支持使用480 kHz和960 kHz SCS来进行数据和控制信道的传输，以降低载波间干扰（Inter Carrier Interference，ICI）对于高MCS的影响[17]。在Rel-15/16中，通常PDSCH和PUSCH都是基于时隙进行调度，UE检测下行控制信道也是基于时隙进行的。随着SCS的提高，时隙长度将缩短。为了控制单位时间控制信令的开销和UE对下行控制信道检测的复杂度，Rel-17标准将支持基于多个时隙的PDSCH和PUSCH调度和下行控制信道。在信道接入方式上，3GPP将主要参考60 GHz适用的协调协议，同时考虑非LBT模式和LBT模式。非LBT模式主要可以用于固定接入场景，如接入回传一体化（Integrated Access and Backhaul，IAB）等天线增益较高和发射波束宽度较窄的场景[18-20]。而LBT模式通常用于移动接入使用，需要考虑进行方向性的信道侦听。同时为了解决更严重的隐藏终端问题，需要考虑将接收端辅助信道侦听作为信道接入的依据。

3GPP NR Rel-17的研究和标准化工作从2020年1月正式启动，预计在2021年底主要特性冻结，届时将启动Rel-18的工作。当前各个公司正在讨论Rel-18的候选课题，针对非授权频谱传输技术可能的演进方向包括以下4点。一是针对IIoT场景进一步增强基于负载设备上行传输的灵活性和可靠性增强，二是针对71～100 GHz频段的接入技术研究，三是非授权频谱上侧行链路增强，四是基于非授权频谱的定位技术等。

5 结 论

在文中作者介绍了近年来各国针对5 GHz/6 GHz频段非授权频谱在法规上的动态演变。欧美国家开放了更多的非授权频谱，但是也定义了更为具体的频谱使用准则。为了便于运营商使用这些低成本的频谱分流在授权频谱的低价值流量，同时为了扩展5G NR在垂直行业的新应用，3GPP在NR Rel-16标准中定义了针对5 GHz/6 GHz非授权频谱上的NR-U传输技术。为了满足由于各国法规对于LBT的要求，在尽可能复用5G NR已有设计的前提下，标准对于初始接入，上下行数据控制信道，调度与HARQ流程和宽带传输流程上进行了增强。相比于同时期的WiFi6系统，NR-U能够在开放环境（共存场景）和封闭受控场景显著提升终端在中高业务负载下的体验速率。同时，NR-U正在针对更高的频谱和更多样化的应用场景进行持续演进，期望能够以更低的成本为各行业提供灵活且有针对性的通信解决方案。