5g nr在非授权频段设计浅析

刘晓峰

摘要：非授权频谱的使用是未来5G发展的重要方向，3GPP在R16阶段就开始了5GNR在非授权频段的标准化工作。本文结合非授权频段的监管规则，对5GNR在非授权频段的关键技术及设计进行了详细的分析，具体包括5G在非授权频段的接入技术、上下行信道设计、HARQ设计、FBE设计等。基于这些技术分析，本文还给出了未来非授权频谱使用5G技术的前景展望。

关键词：5G；非授权频谱；LBTFBE

1引言

随着4G和5G技术在全球的快速发展，世界各地

2非授权频段监管规则

5150MHz~5925MHz频段范围是NR-U在非授权

对无线网络的需求快速增长。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，给3GPP运营商带来很大的价值。扩展现有5GNR技术至非授权频谱是一个非常合理的选择，一个主要的考虑是现有的运营商和厂商可以很好地扩展使用现有对4G、5G的无线和核心网络的投资；另一个主要考虑是利用非授权频谱扩展未来5G在垂直行业的应用。

在国际上部分国家或地区，非授权技术需要满足一定的竞争管制，比如先听后发（ListenBeforeTalk，LBT）机制。在非授权频段，LTE系统和其他技术如Wi-Fi系统，LTE运营商之间的公平共存是非常必需的。即使在没有LBT要求的国家或地区，频谱管制需求也是考虑在非授权频谱最小化用户间相互干扰。但是，从监管角度来看，仅仅最小化干扰还不够，真正的需求是使后入的系统能够作为现有系统的好邻居，而不对现有系统运行造成明显的影响。

为确保5G商用之后非授权频谱也可以采用5G相关技术，2017年3月3GPP开始了基于NR的免许可频谱接入技术（NR-U）研究工作，并将在2019年12月完成相关的标准化工作。考虑到全球管制要求多样性和解决方案的多样性，3GPP将制定一套能满足全球各种管制要求，且能和其他技术共存的全球统一解决方案。同时，在标准化时，需要考虑尽可能都利用现有5GNR的物理层设计。

频段使用的潜在频段。这意味着运营商有非常多的频谱可用于增强他们在授权频段的服务。纵观各个国家和地区对非授权频段的频谱管制规则，主要涉及如下几方面。

（1）功率和功率谱密度等级要求

对于最大发射功率，根据频段不同，要求从23dBm~36dBm各有所不同。对于功率谱密度，最大平均e.i.p.密度为10mW/MHz，在任何1MHz频带中或25kHz频带中等效为0.25mW/25kHz。

（2）最大信道占用时间

为了保证不同系统公平使用，监管规则中对于一次占用信道进行数据发送的持续时间也有要求。根据各国的监管规则，最大信道占用时间从5ms~40ms不等。

（3）信道占用带宽

对于数据发送，首先有名义信道带宽，即包括分配给单个信道的保护频带的最宽频带，在任何时候都应至少为5MHz。占用信道带宽，即包含信号功率的99%的带宽。实际数据发送的占用信道带宽应该为所宣布的名义信道带宽的80%~100%之间。在建立通信期间，允许设备以占用信道带宽可降低至最少4MHz的名义信道带宽的40%的模式临时操作。

（4）信道检测机制

对于非授权频段使用，为保证各个系统公平共存，最重要的管制规则是先听后发机制。LBT机制又分为

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基于帧的FBE（Frame-Based-Equipment）和基于负载的LBE（Load-Based-Equipment）两种。LBE机制是NR-U需要实现的最重要的信道评估和接入机制，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。

4NR-U主要设计

NR-U的基本设计以NR设计为基础，结合了在非

授权频段的监管需求，具体可以参考文献。本章主要针对NR-U特有的设计进行详细的介绍及说明，主要包括非授权频段接入技术、上下行信道设计、HARQ设计及上行预配置调度技术几个部分。4.1非授权频段的接入技术

信道接入机制需要遵守管制规定，因此需要适应不同的频率范围。在NR-U的设计中，LBT基本单位为20MHz，同时NR-U根据不同情况支持不同等级的LBT。针对LBE方式，NR-U中采用了3种LBT方式：方式1，发送设备不进行LBT，本方式也被称为LBTCAT1；方式2，发送设备只进行一次性LBT，此方式也被称为LBTCAT2；方式3，基于竞争窗口调整的LBT，此方式也被称为LBTCAT4。方式1的使用限制在两次数据发送间隔在16μs以内；方式2的使用限制在两次数据发送间隔在16μs~25μs之间，发送数据的设备仅进行一次信道是否空闲的检测；方式3使用最为广泛，当设备进行首次数据发送或者与前次数据发送间隔超过25μs时，均采用此种方式。

方式3的整个LBT流程如图1所示。其过程分为初始CCA和扩展CCA两部分。当设备有数据需要发送时，首先进行初始CCA评估，如果发现信道空闲，则进行数据发送。如果发现信道被占用，那么将进行扩

3NR-U主要部署场景

根据3GPP的研究，NR-U的部署场景主要分

为5类：

（1）场景A：许可频段NR（PCell）与NR-U（SCell）之间的载波聚合，NR-USCell可以同时具有上行传输和下行传输，或者纯下行传输。

（2）场景B：许可频段LTE（PCell）和NR-U（PSCell）之间的双连接。

（3）场景C：NR-U独立部署。

（4）场景D：NR小区下行在非授权频段，上行在授权频段。

（5）场景E：授权频段NR（PCell）和非授权频段NR-U（PSCell）之间的双连接。

其中场景A、B、D、E为典型的传统运营商部署场景，实现非授权频谱为授权频谱补充的部署。而场景C作为独立部署场景，主要面向非传统运营商，尤其是没有授权频谱的非传统运营商、垂直行业应用等情况。

图1LBT方式3（LBTCAT4）示意图

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□InformationandCommunicationsTechnologyandPolicyNo.11SPECIALTOPIC展的CCA流程。扩展的CCA流程将对信道进行多次空闲侦听，侦听的次数基于一个随机数N，该随机数的上限与当前信道繁忙程度相关。信道越繁忙，N的上限越大，与之相关联的，设备潜在需要侦听的次数越多。

NR-U中的FBE方式适用于保证不存在Wi-Fi的环境。此外，FBE的目标场景也仅限于使用频段的地理区域内只有单个NR-U网络（即单个运营商）。整个FBE的过程如图2所示，FBE信道接入的执行流程是：首先执行CCA检测，若在持续时间内检测到信道空闲，则立即发送数据，在COT（传输时间）结束或者数据发送完毕时，释放信道资源，然后保留一段至少为COT的5%的理想空闲时间，其中包括一个CCA持续时间；若检测到信道忙碌，则不进行数据传输，在下一帧结构进行CCA检测，若信道空闲，则发送数据，否则，继续等待下一帧结构，如此往复。4.2上下行信道设计

（1）初始接入设计

目前NR-U的设计主要针对5GHz频段，初始接入的默认子载波间隔是30kHz，也可以由高层信号配置为15kHz或者30kHz。因此，NR-U中SSB（Synchroni-zationSignal/PBCHBlock）设计沿用了NR在3GHz~

6GHz频段采用15kHz或者30kHz子载波间隔的设计。图3给出了一种NR-U的典型配置，SSB位于一个时隙的2、3、4、5符号和8、9、10、11符号。

对于PRACH的设计，有多个公司提出了多种增强方案。包括在现有的序列基础上进行重复、引入新的更长的序列等方式增加PRACH占用信道带宽，增强PRACH性能。但是，受标准化时间所限，各方意见难以达成妥协，PRACH没有引入新的格式。

（2）PUCCH与PUSCH设计

对于NR-U的上行传输，面临的最大挑战是满足发送带宽的需求，即一次上行数据发送要至少占用全部带宽的80%。对于20MHz带宽而言，终端一次上行数据发送需要占用16MHz的带宽。为满足最小占用带宽要求，NR-U定义了一种频域交织的方式进行上行资源发送。具体的，一个交织（Interlace）以物理资源块（PhysicalResourceBlock，PRB）为基础。对于20MHz的带宽，每个交织占用10/11个PRB，每个交织内的PRB等间隔。对于15kHz的子载波间隔，每个交织内的PRB间隔为9个PRB，20MHz内存在10个交织资源块。而对于30kHz的子载波间隔，每个交织内的PRB间隔为4个PRB，20MHz内存在5个交织资源块。对

图2FBE设计示意图

图3SSB典型配置示意图

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于更多的PRB、更大的带宽，可以采用等间隔的方式进行扩展。图4给出了当子载波间隔为15kHz时的一个交织的示意图。

NR-U的PUCCH和PUSCH设计均基于频域交织的方式进行。在实际的数据发送过程中，基站对于PUCCH和PUSCH的频域资源指示基于对交织号的指示。一个终端根据需要发送的数据量，一次可以被调度一个或者多个频域交织。

NR上行控制信道支持5种PUCCH格式。其中，PUCCH格式0和格式2在时域的持续时间仅支持1~2个OFDM符号，可被称为短PUCCH。PUCCH格式1、格式3和格式4在时域的持续时间能够支持4~14个OFDM符号，也被称为长PUCCH。为适应基于频域交织的发送方式，NR-U中不能直接使用5种PUCCH格式。PUCCH格式0/1/4只支持单PRB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进行了增强。对PUCCH格式0/1的增强方式是在原有的设计基础上增加了循环移位，从而从原来的单PRB设计增加到支持10PRB的频域交织设计。考虑到频域交织设计中一个频域交织占用10个PRB，可以承载大量的控制信息，一次PUCCH发送仅限于在一个20MHz带宽以内。

（3）PDCCH与PDSCH设计

NR-U中基本沿用了PDCCH的设计，如控制信息（DCI）的内容、PDCCH资源映射及发送方式等。在非授权频段受最大发送时间长度限制，如一次连续数据发送不能超过5ms，NR-U中引入了对一次数据发送结构（COT）的指示。该指示将在下行数据发送开始时进行发送，指示的方式以现有NR中的DCIformat2_0为基础，对一次数据发送内包含的上下行结构进行指

示。利用该信息，终端除了可以预知一次数据发送结束时间，还可以准确知道下行发送开始和结束位置，从而可以调整监测行为以及上行数据发送采用的LBT方式，达到节能和提高上行数据发送效率的目的。此外，COT指示还可以包括对当前数据发送的频域信息进行指示。对频域信息指示的原因在于非授权频段的带宽可以到上百兆，基站可以通过LBT机制同时使用多个载波的多个LBT带宽。通过频域信息的指示，可以有效调度终端在整个频域资源上进行数据调度发送与接收，从而有效利用非授权频段的大带宽。

由于LBT的引入，数据发送的开始时间点不再固定。对终端设备而言，为了适应LBT带来的下行数据发送开始时间点不确定，在没有接收到下行信息时，基于时隙的监测往往不能满足数据发送的要求。为了提升NR-U的性能，终端在处于一个数据传输结构内和数据结构外的监测行为也有所不同。在一个COT之外，终端需要更频繁的监测行为来判断是否有下行数据发送。然而，过多的监测行为必将意味着耗电的增加，如果监测基于完整的PDCCH检测，那么将对终端带来巨大的开销。因此，在COT之外的终端对于下行数据的监测主要基于参考信号的相干检测，而非完整的PDCCH检测。在终端检测到COT结构之后，终端可以恢复到正常的基于时隙的监测。图5给出了NR-U下行发送结构的示意图，在一个COT结构外，终端进行超短时隙（Mini-slot）级别的监测，在COT开始阶段，基站可以选择超短时隙的数据发送。在超短时隙后，基站进行正常时隙的数据发送，终端也恢复时隙级别的监测。

对于一个COT开始的时隙，由于LBT的原因，可用的符号数不固定。同时，受COT最大时长限制，最

图415kHz子载波间隔上行交织方式示意图

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□InformationandCommunicationsTechnologyandPolicyNo.11SPECIALTOPIC图5下行发送结构示意图

后一个时隙可用的符号数也不固定。在NR中，支持了3种超短时隙长度，分别为2、4和7符号。这3种长度不能很好地匹配NR-U的需要。为此，经过多次讨论，NR-U将支持更多的超短时隙长度，如9、10符号等，对于更多时隙长度的支持，终端将以集合的形式在终端能力上报中通知基站。基站根据终端的能力进行相应符号长度的调度。

NR-U的下行信道没有设计类似于上行信道的频域交织发送结构。原因在于：下行的控制信道发送本身可以灵活配置在下行全带宽，达到频域分级效果扩大覆盖，没有进一步频域离散化发送需要；下行数据信道支持连续和离散的频域分配方式，同时基站面对多用户的数据发送，非常容易满足数据发送占发送频带80%以上的监管要求。对于多个载波，多个LBT带宽的数据发送，基站可以控制不同UE的PDCCH分布在不同的LBT带宽内，也不需要额外进行标准化。

为了增强PUSCH的上行数据发送，NR-U还支持一次下行调度多个PUSCH。一次调度的多个PUSCH采用不同的发送数据编码块，时间上是连续的。这种调度可以基于时隙，也可以基于超短时隙，多个PUSCH发送HARQ进程顺序排列。4.3HARQ设计

在非授权频段的HARQ面临最大的问题是由于LBT的存在，HARQ信息有可能不能按照基站调度时间点发送。在标准化过程中，不同公司提出过多套增强方案。比较有代表性的方案有两类：一类是基站一次调度提供多个反馈的时间点，一旦终端发现第一次反馈时间点不能发送上行数据，就在其他位置继续尝试HARQ信息发送；第二类是基站不直接调度多个反馈时间点，基站调度时间点不能发送上行数据时，终端自动顺延到下一个可以发送上行数据的时间点进行合并的HARQ反馈。经过多次讨论，NR-U中支持了第二类方案，主要考虑是第一类方案提供多个反馈时间点，

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多个UE同时反馈会造成上行资源的浪费。

NR-U对于HARQ机制的增强主要体现在动态码本反馈方案中引入了PDSCH分组指示。该分组指示在PDSCH的调度信息中进行显示指示，多个在一个时间点反馈的PDSCH被编为同一组。一旦一组PDSCH由于LBT等原因没有在预定的位置进行反馈，可以顺延到下一个由基站指定的可以反馈上行数据的时间点进行反馈。当基站在预定时间点未收到一个PDSCH编组或编组内任何一个PDSCH的反馈信息，可以直接发起重传。为避免编组过多引起下行控制信息开销过大，NR-U中规定PDSCH最多同时有两个编组。

NR-U中由于有一次发送数据长度限制，存在一次数据发送结尾部分的PDSCH发送不能准确指示HARQ反馈的情况。为解决这一问题，NR-U引入了在进行PDSCH调度时，把HARQ反馈时间指示为非数值的设置。通过该设置，基站不给终端提供一个显示的PDSCH的HARQ反馈时间点。终端在收到该指示时，将等待基站指定的下一次上行数据发送机会，然后再进行相应的HARQ反馈。

当NR-U与其他系统共存时，可能存在多个HARQ进程不能及时接收及反馈的情况。为了应对这种情况，NR-U还支持了一次性的全部HARQ进程反馈。基站可以通过下行控制向终端直接发起全部PDSCH进程进行HARQ反馈的指示。终端在接收到该指示后，对所有的已经接收的PDSCH进程进行反馈。

4.4上行预配置调度设计

在非授权频段，为更好地支持各种业务，尤其是有固定周期的上行数据发送的业务，NR-U支持了上行预配置资源的上行数据发送。在此种模式下，上行资源被半静态地配置给终端，配置的资源可以包括多个时隙的上行资源。终端在有数据发送时，在预先分配好的上行资源上进行数据传输。

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对于预配置的资源，主要基于半静态配置，为了更好地匹配信道变化，NR-U在上行预配置发送前先发送上行预配置数据控制信息（CG-UCI）。该控制信息中包含HARQ进程号、是否为新发信息、COT情况等。基站首先解调该控制信息，然后根据控制信息内容再进行相应的数据信道解调。

对于预配置资源的上行发送，NR-U还在下行控制信息中增加了针对PUSCH发送的HARQ信息指示（DFI）。该下行指示信息包括对当前控制信息发送前一段时间内的上行HARQ进程的ACK/NACK指示。通过该方式，终端可以知道一段时间内上行预配置资源的上行发送是否得到正确接收。基站未正确接收的HARQ进程可以在预配置资源上进行重传。

的非授权频段进行扩展。5G在非授权频谱的部署首先可以作为传统eMBB业务的补充，如在大型赛事或者热点区域作为辅助频谱资源进行容量分流。另外，一些没有授权的频谱资源的非传统运营商可以借助非授权频谱开展一定的与无线数据业务相关的运营。垂直行业应用由于设计场景多样，对不同的行业应用均分配专用的频谱资源在实际中很难实现，故其使用非授权频谱成为必然的选择。因此，垂直行业应用也是未来NR-U的主要应用场景之一。总体而言，未来5G在非授权频段的使用有着非常广阔的前景。

参考文献

[1]ETSI.5GHzRLAN;harmonizedstandardcoveringtheessentialrequirementsofarticle3.2ofdirective2014/53/EUV2.1.1[S],2017(05).

[2]QualcommIncorporated.RevisedSIDonNR-basedaccesstounlicensedspectrum[R].3GPPTSGRANMeeting(RP-181339),2018.

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[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结束语

在标准化方面，随着未来3GPPR16版本的完成，

NR-U也将完成第一个版本的标准化。该版本主要针对5GHz~6GHz的非授权频谱设计，面向传统的eMBB业务和工业控制等垂直行业的部署。同时，该版本不仅支持非授权频谱与授权频谱联合部署，还支持在非授权频谱上的独立部署，为不同运营商使用非授权频谱开展业务提供可能。未来NR-U技术还将在3GPPR17及后续版本中进行演进升级，逐渐支持更高频谱部署，增加更多的重要特性，并针对不同的行业应用进行不断的功能升级。可以想见，3GPP还将为NR-U技术成功商用提供源源不断的技术支撑。

随着5G的商用，全球对5G技术充满了期待，不仅传统的eMBB业务，更多的垂直行业也将受益于5G技术的广泛应用。面对多样化的需求及部署场景，5G的部署除了使用传统的授权频段，也必然不断利用大量

作者简介：刘晓峰

中国信息通信研究院通信与标准研究所无线

与移动研究部主任工程师

Researchonthe5GNRdesigninunlicensedspectrum

LIUXiaofeng

Abstract:Unlicensedspectrumusageisanimportantdirectionfor5Gdevelopment.Thespecificationworkof5GNRinunlicensedspectrumisoperatedin3GPPR16.Thispapergivesabriefdiscussiononthecrucialtechnologiesandrelateddesignsinunlicensedband.Thedetailsincludeinitialaccesstechnology,downlinkanduplinkchanneldesign,HARQdesign,FBEdesignandsoon.Basedonthetechnicaldiscussions,theprospectsof5Gtechnologyforunlicensedspectrumusageinthefuturearealsopresented.Keywords:5G;unlicensedspectrum;LBTFBE

（收稿日期：2019-10-10）

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