5G NR蜂窩網(wǎng)絡(luò)在非授權(quán)頻譜的標(biāo)準(zhǔn)化與應(yīng)用

張佳胤

（上海華為技術(shù)有限公司，上海 201206）

0 引 言

當(dāng)前用于無線通信的無線電頻譜主要集中在3 kHz～300 GHz。移動通信運營商通過拍賣的方式獲得頻譜資源，根據(jù)GSA截止2021年1月的數(shù)據(jù)，全球C-band頻譜的平均價格為0.105/（美元/MHz/人口），在發(fā)達(dá)國家頻譜的價格通常是此平均價格的2～3倍[1]。持續(xù)高漲的授權(quán)頻譜價格迫使運營商開始考慮采用更多的非授權(quán)頻譜來分流大容量低價值的業(yè)務(wù)。當(dāng)前國際上主要的非授權(quán)頻譜包括2.4～2.483 GHz、5.1～5.8 GHz（下文統(tǒng)稱5 GHz）以及57～71 GHz（下文統(tǒng)稱60 GHz），同時歐美各國政府正在逐步開放5.9～7.1 GHz（下文統(tǒng)稱6 GHz）作為非授權(quán)頻譜[2,3]。與傳統(tǒng)授權(quán)頻譜的獨享使用不同，通信設(shè)備只需要符合法規(guī)定義的頻譜使用規(guī)則即可在該頻段上通信，而無需向無線電頻譜管理機(jī)構(gòu)申報或者拍賣頻譜。各國非授權(quán)頻譜的分配都相對集中，因此大大降低了設(shè)備中射頻部分的開發(fā)成本。同時由于需要考慮不同系統(tǒng)和不同用戶之間的共享與共存，使用非授權(quán)頻譜的設(shè)備通常會設(shè)計有效的干擾管理和抑制的技術(shù)，在部署和使用上具有更大的靈活性。

在經(jīng)歷了商用并不是很成功的授權(quán)輔助接入（Licensed Assisted Access，LAA）后，3GPP于2017年3月批準(zhǔn)面向NR Rel-16對于5 GHz和6 GHz非授權(quán)頻譜接入的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作，稱為NRUnlicensed（簡稱NR-U）[4,5]。工作從2018年初開始，于2019年12月基本功能凍結(jié)，主要針對NR Rel-15的基礎(chǔ)特性進(jìn)行全面增強(qiáng)，以適應(yīng)在由于發(fā)射端引入先聽后說（Listen-Before-Talk，LBT）后造成上下行傳輸不確定性的影響。通過系統(tǒng)仿真發(fā)現(xiàn)，在高密度和高負(fù)載場景下，NR-U可以提供相比于WiFi6更高的用戶體驗速率和更短的傳輸時延。2020年1月，3GPP在對NR-U Rel-16進(jìn)行維護(hù)的同時，啟動了面向NR Rel-17的52.6～71 GHz頻段的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，主要針對57～71 GHz的非授權(quán)頻段和66～71 GHz的IMT頻段[6]。同年7月，在IIoT/URLLC工作組中加入了NR-U上行增強(qiáng)的課題，希望提高其在受控場景下上行傳輸?shù)臅r延和可靠性[7]。整個Rel-17的標(biāo)準(zhǔn)化工作預(yù)計在2021年底基本特性凍結(jié)。

1 非授權(quán)頻譜的使用法規(guī)和信道接入機(jī)制

為了保證使用非授權(quán)頻譜的設(shè)備能夠有效且公平接入，將設(shè)備間的干擾控制在可以接受的程度，各國都制定了相應(yīng)的使用規(guī)范。通常在規(guī)范中會規(guī)定非授權(quán)頻譜的使用范圍、信道帶寬、最大發(fā)射功率和功率譜密度以及允許的帶外輻射等參數(shù)限制。在一些國家和地區(qū)會進(jìn)一步規(guī)定信道接入和干擾管理的方法。由于歐盟對于非授權(quán)頻譜制定了最為詳細(xì)的法規(guī)，因此3GPP在制定NR-U的射頻指標(biāo)和信道接入機(jī)制時主要是參考了歐盟的相關(guān)法規(guī)和協(xié)議。

歐盟委員會在2004年將5 150～5 350 MHz和5 470～5 725 MHz的頻譜作為非授權(quán)頻譜開放給無線接入系統(tǒng)/無線電局域網(wǎng)（Wireless Access Systems/Radio Local Area Networks，WAS/RLANs）使用[8]。在2020年11月，歐盟委員會又將5 925～6 425MHz（簡稱L6G）的頻譜劃分給WAS/RLAN設(shè)備使用[3]。為了便于不同系統(tǒng)間的共存，ETSI BRAN針對5 GHz制定了協(xié)調(diào)協(xié)議，在最新的協(xié)調(diào)協(xié)議草案中增加了對于5 725～5 850 MHz頻段的支持[9]。協(xié)調(diào)協(xié)議規(guī)定最小標(biāo)稱信道帶寬（Nominal Channel Bandwidth，NCB）為20 MHz，同時還要求發(fā)送信號的的實際占用帶寬（Occupied Channel Bandwidth，OCB）需要超過80%的標(biāo)稱帶寬。實際占用帶寬定義為包含有99%信號能量的帶寬。針對6 GHz的協(xié)調(diào)協(xié)議正在制定中，將會以5 GHz為藍(lán)本進(jìn)行修改[10]。

為了保證不同系統(tǒng)間的共存，在協(xié)調(diào)協(xié)議中定義了兩類設(shè)備的接入方式，分別為基于負(fù)載的設(shè)備（Load Based Equipment，LBE）和基于幀結(jié)構(gòu)的設(shè)備（Frame Based Equipment，F(xiàn)BE），并分別定義了不同的LBT機(jī)制強(qiáng)制要求執(zhí)行。協(xié)調(diào)協(xié)議要求LBE設(shè)備在發(fā)送信號前需要對于信道進(jìn)行一個隨機(jī)時長的偵聽，偵聽的時長會根據(jù)待發(fā)送數(shù)據(jù)包的信道接入優(yōu)先級（Channel Access Priority Class，CAPC）及之前發(fā)送數(shù)據(jù)包的成功與否進(jìn)行調(diào)整。而對于FBE設(shè)備，法規(guī)要求設(shè)定一個固定的幀周期（Fixed Frame Period，F(xiàn)FP）。在每個FFP的最后需要保留一段空閑時間，發(fā)射端在空閑時間進(jìn)行固定長度（9 μs）的信道偵聽。如果信道空閑則可以自由使用緊隨的FFP，否則需要在緊隨的FFP內(nèi)保持靜默。典型的LBE設(shè)備包括所有的WiFi（IEEE802.11系列）設(shè)備和LTE-LAA設(shè)備。在NR-U中對于LBE和FBE分別定義了對應(yīng)的動態(tài)信道接入和半靜態(tài)信道接入[11]。通常發(fā)送設(shè)備會通過能量檢測來判斷當(dāng)前信道是否空閑。協(xié)調(diào)協(xié)議定義的能量檢測門限如圖1所示，采用和最大發(fā)射功率成反比例關(guān)系的能量檢測門限是為了保證不同發(fā)射功率設(shè)備之間的信道接入公平性。

圖1 能量檢測門限與最大發(fā)射功率的關(guān)系

2 Rel-16 NR-Unlicensed的演進(jìn)

2.1 NR-U的目標(biāo)部署場景

NR-U支持以下5中部署場景。場景一，NR PCell與NR-U SCell之間的載波聚合。此場景類似于LTE-LAA，非授權(quán)頻譜的SCell和授權(quán)頻譜的PCell共站址或者之間具有理想回傳鏈路相連。場景二，LTE PCell與NR-U PSCell之間的雙連接。此場景主要針對LTE Pcell和NR-U PSCell之間不共站址或者沒有理想回傳鏈路，從而無法達(dá)到載波件的同步。場景三，NR-U PCell獨立部署。此場景針對沒有授權(quán)頻譜的情況，如企業(yè)希望獨立部署NR網(wǎng)絡(luò)用于工廠環(huán)境，或者有線通信運營商想獨立部署無線業(yè)務(wù)。場景四，NR小區(qū)下行在非授權(quán)頻段，上行在授權(quán)頻段。通常FDD是配對使用的，由于eMBB業(yè)務(wù)特性，下行頻譜的使用率要遠(yuǎn)高于上行頻譜，使用此模式，F(xiàn)DD運營商可以使用空閑的上行授權(quán)頻譜載波和額外的非授權(quán)頻譜下行載波配對，以提高上行頻譜資源的利用率。場景五，授權(quán)頻段NR PCell和非授權(quán)頻段NR-U PSCell之間的雙連接。此場景與場景二類似，只是將LTE的主節(jié)點替換成NR。

2.2 NR-U Rel-16的關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)

按照法規(guī)規(guī)定，如果發(fā)射端在LBT過程中發(fā)現(xiàn)信道已被占用，則必須停止后續(xù)的發(fā)送并繼續(xù)進(jìn)行信道偵聽。在NR Rel-15設(shè)計時，由于未考慮LBT失敗所造成的傳輸失敗，將NR Rel-15直接應(yīng)用到非授權(quán)頻譜上會造成傳輸效率降低、傳輸時延增加以及終端功耗增加。另外，由于在歐盟法規(guī)中對于占用信道帶寬和發(fā)送功率譜密度有嚴(yán)格限制，NR Rel-15上行信道的傳輸機(jī)制無法有效利用頻譜和功率。針對以上這些問題，NR-U基于NR Rel-15主要在以下幾個方面進(jìn)行了改進(jìn)。

2.2.1 初始接入信號和信道的增強(qiáng)

UE通過檢測gNB發(fā)送的同步信號（Synchronization Signal，SS）和物理層廣播信道塊（Physical Broadcast Channel，PBCH）獲得與gNB的下行時頻同步。NR-U的UE在初始接入時默認(rèn)使用30 kHz SCS進(jìn)行SSB檢測，為了避免各信道信號單獨發(fā)送所需的LBT開銷，NR-U系統(tǒng)定義了發(fā)現(xiàn)突發(fā)的概念，將SSB與其關(guān)聯(lián)的RMSI PDCCH、PDSCH以及CSI-RS組合在一起傳輸[12]。當(dāng)發(fā)送DB的占空比每50 ms小于5%時，就可以采用第二類LBT(CAT2 LBT)。為了進(jìn)一步保證DB在干擾環(huán)境下信道接入的概率，NR-U還引入了發(fā)現(xiàn)突發(fā)傳輸窗口（Discovery Burst Transmission Window，DBTW）的概念。在DBTW中，根據(jù)發(fā)送SSB的子載波間隔（Sub-Carrier Spacing，SCS），候選同步信息塊索引位置由之前的8個分別最大擴(kuò)展到了10個（15 kHz SCS）和20個（30 kHz SCS）。gNB在DBTW中重發(fā)由于LBT失敗而無法發(fā)送的SSB，gNB會通過高層信令通知UE準(zhǔn)共址（Quasi Co-Location，QCL）參數(shù)，指示了一個SSB圖樣中使用相同波束方向發(fā)送的兩個候選SSB位置之間的最小間隔[13]。

在初始接入中，UE通過隨機(jī)接入過程獲取和gNB的上行同步。為了使UE充分利用法規(guī)允許的發(fā)射功率和功率譜密度，NR-U Rel-16標(biāo)準(zhǔn)中除了允許使用Rel-15中長度為139的PRACH序列，又針對30 kHz SCS設(shè)計了長度為571的序列，針對15 kHz SCS設(shè)計了長度為1 151的序列，以使UE能夠發(fā)送占滿20 MHz帶寬的PRACH前導(dǎo)信號[14]。為了避免傳統(tǒng)四步RACH中每次傳輸所需LBT造成的時延，NR-U支持兩步RACH。UE將RACH MSG1和MSG3合并成MSGA一起發(fā)送，gNB將MSG2和MSG4合并為MSGB一起發(fā)送。

2.2.2 下行物理層控制信道增強(qiáng)

對于使用動態(tài)信道接入的設(shè)備，為了充分利用從LBT成功結(jié)束到最臨近的PDSCH起點之間時域資源，NR-U可以調(diào)度從時隙中任意符號起始，持續(xù)長度為2～13個符號的PDSCH。為了及時獲得更小時間顆粒度的資源指示，需要UE以更高的檢測頻率去盲檢PDCCH，從而導(dǎo)致了UE功耗的增加。為了平衡信道接入的靈活性和UE盲檢PDCCH的功耗，NR-U對于Type3公共搜索空間（Common Search Space，CSS） 和 UE搜 索 空 間（UE-specific Search Space，USS）引入了搜索空間集的切換。在一個服務(wù)小區(qū)中可以配置兩組搜索空間集，分別標(biāo)識為group 0和group 1。當(dāng)UE檢測到DCI format 2_0中的SS切換指示，或者檢測到屬于group 0的搜索空間中的DCI時，UE會在下一個時隙邊界激活切換計數(shù)器并切換到對應(yīng)group 1的搜索空間，以降低PDCCH的盲檢頻率，從而節(jié)省功率。當(dāng)UE檢測到攜帶在DCI format 2_0的SS切換指示或SS切換定時器過期，或當(dāng)前信道占用時間（Channel Occupancy Time，COT）結(jié)束，UE可以在下一個時隙邊界切換到group 0對應(yīng)的搜索空間，以提高檢測頻率來保證信道接入的及時性。

2.2.3 上行信道增強(qiáng)

為了充分利用協(xié)調(diào)協(xié)議中對于功率譜密度的測量方法來提高每個PRB上的發(fā)射功率，同時滿足法規(guī)中對于占用信道帶寬的要求，在LTE-LAA Rel-14中PUSCH采用了基于PRB交織的資源映射[12]。在NR-U中，基于PRB交織的資源映射也被采用在針對15 kHz SCS和30 kHz SCS的PUSCH和PUCCH上，并可以通過高層信令進(jìn)行配置。在一個interlace中，針對15 kHz SCS和30 kHz SCS兩個相鄰可用PRB之間分別間隔了10個和5個PRB，這樣就使每個PRB上的發(fā)射功率可以提高7.4 dB和4.4 dB。

在NR-U中，為了使PUCCH和PUSCH充分復(fù)用頻域資源，要求這兩個信道采用相同的資源映射方式。PUCCH所使用的每個interlace中只能包含10或11個PRB，并位于法規(guī)定義的20 MHz LBT帶寬內(nèi)。這是為了提高發(fā)送PUCCH前LBT的成功概率，并且充分利用法規(guī)允許的發(fā)射功率和功率譜密度以提高覆蓋。對于NR Rel-15中定義的PUCCH格式0和格式1（簡稱PF0、PF1），需要將原有的占用一個PRB的長度為12的低PAPR序列映射到一個interlace中所有的PRB中。為了避免在頻域不同PRB上直接重復(fù)相同序列造成的PAPR惡化，標(biāo)準(zhǔn)定義將映射到interlace中每個PRB上的序列進(jìn)行不同的循環(huán)移位?；赑RB interlace的PUCCH格式2和格式3（簡稱PF2、PF3）則可以被配置1個或者2個interlace，并將經(jīng)過加擾、編碼、調(diào)制以及擴(kuò)頻后的UCI依次映射到interlace中的各個PRB上。當(dāng)配置1個interlace時，為了提高對于interlace中PRB資源的利用率，PF2和PF3支持分別通過頻域正交掩碼（Frequency Domain Orthogonal Cover Code，F(xiàn)D-OCC）和塊擴(kuò)頻-在相同的資源內(nèi)復(fù)用2到4個用戶。

2.2.4 下行HARQ-ACK反饋過程和上行PUSCH傳輸過程的增強(qiáng)

在非授權(quán)頻譜，UE在反饋HARQ-ACK之前需要進(jìn)行LBT。為了避免由于UE LBT失敗造成HARQ重傳或RLC重傳，NR-U gNB可以在調(diào)度PDSCH的DCI中通過指示特殊的K1值（PDSCH與其對應(yīng)的PUCCH之間的時隙間隔）通知UE推遲HARQ-ACK反饋，以避免進(jìn)行CAT4 LBT造成的信道接入不確定性[14,15]。對于采用動態(tài)HARQ-ACK碼本（Type 2）進(jìn)行反饋的UE，gNB在進(jìn)行下行調(diào)度時可以為每個PDSCH分配一個組標(biāo)識及對應(yīng)該組標(biāo)識的新反饋指示（New Feedback Indicator，NFI）。如果當(dāng)前 DCI中NFI相比于之前收到的DCI中同組的NFI發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，則只反饋本次調(diào)度PDSCH的HARQ-ACK，否則需要將之前DCI調(diào)度的同組PDSCH的HARQACK一起反饋。在此基礎(chǔ)上，gNB進(jìn)一步指示在此PUCCH上需要反饋HARQ-ACK信息的PDSCH組的數(shù)量。如果某一組PDSCH對應(yīng)的HARQ信息反饋失敗，那么通過組的數(shù)量指示，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在下一個傳輸機(jī)會上指示終端將該組對應(yīng)的HARQ信息進(jìn)行重傳。NR-U Rel-16協(xié)議還定義了一種Type-3 HARQ反饋方式，可以通過DCI format 1-1調(diào)度PUCCH將對應(yīng)于該UE所有HARQ進(jìn)程的ACK信息同時反饋，以增強(qiáng)反饋的魯棒性。由于針對Type 2動態(tài)碼本的增強(qiáng)和Type 3 HARQ-ACK反饋能夠顯著提高傳輸?shù)目煽啃?，這些特性也可以用于授權(quán)頻段的URLLC/IIoT業(yè)務(wù)。

在NR Rel-15中，一個UL grant只能調(diào)度一個非重復(fù)傳輸?shù)腜USCH。在非授權(quán)頻譜中為了降低的LBT開銷，UE希望能夠一次連續(xù)發(fā)射盡可能多的PUSCH，而且這些PUSCH通常會采用相同的頻域資源、MCS以及DMRS端口等配置。為了避免調(diào)度連續(xù)PUSCH的DCI占用大量PDCCH資源，NR-U支持通過一個UL grant調(diào)度連續(xù)的多PUSCH，每個PUSCH占用獨立的HARQ進(jìn)程。該特性也可以在授權(quán)頻譜中使用。

在NR Rel-15中定義的預(yù)配置調(diào)度（Configured Grant，CG）傳輸允許UE在gNB預(yù)先配置的資源上自主發(fā)起上行傳輸，從而避免了由于發(fā)送調(diào)度請求（Scheduling Request，SR）和緩存狀態(tài)報告（Buffer Status Report，BSR）等控制信息而造成的時延。為了避免在非授權(quán)頻譜中LBT失敗UE錯過預(yù)先配置的資源，NR-U支持在一個CG周期中配置多個slot，同時在每個slot中配置多個mini slot，UE可以根據(jù)實際LBT成功的時延，自由選擇上行發(fā)送的時機(jī)，從而極大地提升了上行接入的效率。同時UE允許使用預(yù)配置的資源自主進(jìn)行重復(fù)發(fā)送來提升傳輸可靠性，或者發(fā)送不同的傳輸塊來提高上行吞吐量，滿足了UE對于不同業(yè)務(wù)的適應(yīng)性。

2.2.5 寬帶傳輸增強(qiáng)

與LTE-LAA相比，NR允許配置大于20 MHz的載波帶寬和BWP帶寬，這樣可以在不增加協(xié)議和實現(xiàn)復(fù)雜度的同時提高傳輸帶寬和吞吐率。為了和窄帶異系統(tǒng)的共存，要求發(fā)射端在每個20 MHz的子信道上進(jìn)行LBT。如果僅允許發(fā)射端在載波對應(yīng)的所有LBT帶寬上LBT成功之后才能夠發(fā)送，這樣會嚴(yán)重影響信道接入的效率和頻譜利用率。在NR-U Rel-16的方案中，gNB通過在載波內(nèi)配置帶內(nèi)保護(hù)帶將載波和BWP帶寬劃分成多個對應(yīng)于LBT帶寬的子帶（標(biāo)準(zhǔn)中稱為RB Set）。為了保證下行控制信道的可靠性，通常會將承載PDCCH的COREST限制在LBT帶寬內(nèi)。而對于數(shù)據(jù)信道，gNB可以根據(jù)各子帶上的LBT結(jié)果動態(tài)的調(diào)度下行數(shù)據(jù)信道。gNB還會在公共控制信道上發(fā)送可用帶寬指示，便于UE根據(jù)gNB的發(fā)送帶寬調(diào)整接收濾波器，從而避免了來自LBT失敗子帶上的干擾能量阻塞接收機(jī)。考慮到UE上行eMBB的業(yè)務(wù)量相對較小，gNB分配超過20 MHz帶寬給一個UE的概率較低。因此，為了降低UE的實現(xiàn)復(fù)雜度和成本，未采用帶寬動態(tài)調(diào)整的方法，而要求UE必須在調(diào)度帶寬上所有的LBT都通過才能發(fā)送。

2.3 NR-U Rel-16和WiFi6的系統(tǒng)性能比較

為了評估NR-U系統(tǒng)可以和WiFi系統(tǒng)公平競爭使用頻譜，在NR-U的研究階段各公司一致同意采用與LTE-LAA Rel-13時相同的方法，即如果將網(wǎng)絡(luò)中部分WiFi AP/STA換成NR-U gNB/UE之后，評估剩余的WiFi AP/STA的用戶的感知速率是否會受影響。在圖2中給出了根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)中定義的室內(nèi)部署場景，NR-U Rel-16（LBE）和WiFi6分別在低、中、高負(fù)載情況下的單獨組網(wǎng)以及混合組網(wǎng)下的系統(tǒng)仿真結(jié)果，NR-U和WiFi6的系統(tǒng)配置參數(shù)見附錄[16]。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將室內(nèi)一半的WiFi6 AP/STA換成NR-U的gNB/UE時，在相同的負(fù)載下，剩余WiFi6節(jié)點的用戶感知速率會得到顯著的提高。原因就在于使用NR-U可以在更短的時間內(nèi)傳輸相同數(shù)據(jù)量的FTP業(yè)務(wù)，從而相比于WiFi6占用更少的信道資源，降低了對于剩余WiFi節(jié)點的干擾和阻塞。

圖2 NR-U和WiFi6在共存場景下的系統(tǒng)性能評估

在IIoT等受控的環(huán)境中，通常會采用單一無線接入技術(shù)部署網(wǎng)絡(luò)。在在IIoT等受控的環(huán)境中，通常會采用單一無線接入技術(shù)部署網(wǎng)絡(luò)。在圖3中給出了室內(nèi)場景下，在160 MHz頻譜上單獨使用NR-U Rel-16（LBE或FBE）和WiFi6之間的用戶感知速率（User Perceived Throughput，UPT）的比較。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在低業(yè)務(wù)負(fù)載時，由于WiFi6采用了流水線式的設(shè)計，如前置訓(xùn)練序列、短信道編碼塊以及不支持HARQ等，可以在更短的時間內(nèi)解調(diào)數(shù)據(jù)并向發(fā)射端反饋應(yīng)答，因而具有更高的用戶感知速率。但是這樣的設(shè)計會造成鏈路解調(diào)性能和干擾抑制能力的下降，因此需要使用信道檢測門限更低的前導(dǎo)檢測（Preamble Detection，PD），進(jìn)而降低空分復(fù)用的概率，這也使得WiFi6在業(yè)務(wù)量上升之后性能急劇下降。對于使用與WiFi6類似信道接入模式的NR-U LBE，由于其具有更強(qiáng)的干擾抑制手段，LBT可以使用更高的能量檢測（Energy Detection，ED）門限，從而提高了系統(tǒng)內(nèi)的空間復(fù)用機(jī)會。進(jìn)一步如果NR-U采用FBE模式時，可以將不同gNB的固定幀周期同步，避免了gNB之間的信道競爭，也使不同gNB之間可以通過分布式MIMO算法進(jìn)行聯(lián)合發(fā)送和接收，這也是NR-U FBE在高負(fù)載時候性能沒有明顯下降的主要原因。在相同場景假設(shè)下，圖4中給出了NR-U Rel-16（LBE或FBE）和WiFi6之間95%傳輸時延的比較，即95%的數(shù)據(jù)包可以在X時間內(nèi)完成傳輸?？梢园l(fā)現(xiàn)，NR-U Rel-16在確定性時延業(yè)務(wù)的傳輸上相較于WiFi6具有明顯的優(yōu)勢。

圖3 WiFi6/NR-U LBE/FBE用戶感知速率比較

圖4 WiFi6/NR-U LBE/FBE單獨組網(wǎng)傳輸時延比較

4 NR-U在Rel-17及后續(xù)版本演進(jìn)的方向

除了面向運營商市場提供無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的分流，如何在受控的環(huán)境中使用非授權(quán)頻譜提供大容量、低時延以及有QoS保障的傳輸方案也受到了各廠商的廣泛關(guān)注。在2020年7月，3GPP在面向Release 17的IIoT/URLLC工作組中加入了NR-U增強(qiáng)的課題[7]。在受控的場景下通?？梢员苊夥鞘芸氐脑O(shè)備對于網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾，因此通常會使用基于幀結(jié)構(gòu)的設(shè)備和半靜態(tài)的信道接入方式。在NR-U Rel-16中由于進(jìn)度和工作量的原因，僅定義了gNB競爭信道占用時間，UE在發(fā)送上行傳輸之前需要確認(rèn)gNB已經(jīng)獲得了待傳輸上行時頻資源的使用權(quán)。這樣無形中增加了上行傳輸?shù)臅r延和終端的實現(xiàn)復(fù)雜度。因此在Rel-17中允許gNB為UE配置獨立的信道接入周期，并允許UE按照這個周期獨立的競爭信道占用時間。在此基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)中還會進(jìn)一步定義一系列準(zhǔn)則來協(xié)調(diào)gNB和UE各自的信道接入周期和信道占用時間的共享。另一方面，在Rel-16 NR-U和URLLC工作組根據(jù)各自的應(yīng)用場景和目標(biāo)分別定義了配置調(diào)度上行傳輸機(jī)制。為了在受控環(huán)境下的非授權(quán)頻譜上仍然能夠使用URLLC中定義的配置調(diào)度上行特性，需要將兩個工作組中定義的特性進(jìn)行融合。例如，在NR-U的Configured Grant中也需要支持PUSCH repetition type B。

60 GHz頻段也是全球通用的非授權(quán)頻譜。在此頻段上，美國和歐盟有14 GHz（57～71 GHz）的帶寬可用，包括中國在內(nèi)的大多數(shù)國家和地區(qū)也有超過7 GHz（59～66 GHz）的帶寬可用。相對于低頻段，在這個頻段上有更大路徑損耗和更低功放效率，因此通常會采用高天線增益的方向性天線面板進(jìn)行收發(fā)。3GPP在第86次全會上通過對于52.6～71 GHz頻段的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作[6]。由于該頻段與當(dāng)前NR Rel-15/16支持的頻率范圍24.25 ～52.6 GHz相鄰，因此會重用已有的波形。但是考慮到由于中心頻點提高1倍會造成相位噪聲提高6 dB，Rel-17標(biāo)準(zhǔn)中除了支持FR2頻段上已有的120 kHz SCS以保證覆蓋，還將支持使用480 kHz和960 kHz SCS來進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信道的傳輸，以降低載波間干擾（Inter Carrier Interference，ICI）對于高M(jìn)CS的影響[17]。在Rel-15/16中，通常PDSCH和PUSCH都是基于時隙進(jìn)行調(diào)度，UE檢測下行控制信道也是基于時隙進(jìn)行的。隨著SCS的提高，時隙長度將縮短。為了控制單位時間控制信令的開銷和UE對下行控制信道檢測的復(fù)雜度，Rel-17標(biāo)準(zhǔn)將支持基于多個時隙的PDSCH和PUSCH調(diào)度和下行控制信道。在信道接入方式上，3GPP將主要參考60 GHz適用的協(xié)調(diào)協(xié)議，同時考慮非LBT模式和LBT模式。非LBT模式主要可以用于固定接入場景，如接入回傳一體化（Integrated Access and Backhaul，IAB）等天線增益較高和發(fā)射波束寬度較窄的場景[18-20]。而LBT模式通常用于移動接入使用，需要考慮進(jìn)行方向性的信道偵聽。同時為了解決更嚴(yán)重的隱藏終端問題，需要考慮將接收端輔助信道偵聽作為信道接入的依據(jù)。

3GPP NR Rel-17的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作從2020年1月正式啟動，預(yù)計在2021年底主要特性凍結(jié)，屆時將啟動Rel-18的工作。當(dāng)前各個公司正在討論Rel-18的候選課題，針對非授權(quán)頻譜傳輸技術(shù)可能的演進(jìn)方向包括以下4點。一是針對IIoT場景進(jìn)一步增強(qiáng)基于負(fù)載設(shè)備上行傳輸?shù)撵`活性和可靠性增強(qiáng)，二是針對71～100 GHz頻段的接入技術(shù)研究，三是非授權(quán)頻譜上側(cè)行鏈路增強(qiáng)，四是基于非授權(quán)頻譜的定位技術(shù)等。

5 結(jié) 論

在文中作者介紹了近年來各國針對5 GHz/6 GHz頻段非授權(quán)頻譜在法規(guī)上的動態(tài)演變。歐美國家開放了更多的非授權(quán)頻譜，但是也定義了更為具體的頻譜使用準(zhǔn)則。為了便于運營商使用這些低成本的頻譜分流在授權(quán)頻譜的低價值流量，同時為了擴(kuò)展5G NR在垂直行業(yè)的新應(yīng)用，3GPP在NR Rel-16標(biāo)準(zhǔn)中定義了針對5 GHz/6 GHz非授權(quán)頻譜上的NR-U傳輸技術(shù)。為了滿足由于各國法規(guī)對于LBT的要求，在盡可能復(fù)用5G NR已有設(shè)計的前提下，標(biāo)準(zhǔn)對于初始接入，上下行數(shù)據(jù)控制信道，調(diào)度與HARQ流程和寬帶傳輸流程上進(jìn)行了增強(qiáng)。相比于同時期的WiFi6系統(tǒng)，NR-U能夠在開放環(huán)境（共存場景）和封閉受控場景顯著提升終端在中高業(yè)務(wù)負(fù)載下的體驗速率。同時，NR-U正在針對更高的頻譜和更多樣化的應(yīng)用場景進(jìn)行持續(xù)演進(jìn)，期望能夠以更低的成本為各行業(yè)提供靈活且有針對性的通信解決方案。