1 概述

1.1 5G業(yè)務(wù)快速發(fā)展

自3GPP的第一個(gè)5G版本發(fā)布以來(lái)，全球5G快速發(fā)展。5G 不僅立足于面向公眾的移動(dòng)通信（2C 業(yè)務(wù)），還將滲透到未來(lái)社會(huì)的各個(gè)垂直行業(yè)（2B業(yè)務(wù)），支持eMBB、uRLLC、mMTC 三大應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建以用戶為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)。5G將與工業(yè)制造、電網(wǎng)控制、智慧城市等行業(yè)深度融合，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”新形態(tài)，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。

5G 在全球已經(jīng)規(guī)模商用，從目前5G 業(yè)務(wù)發(fā)展的情況看，公眾通信中AR/VR、在線游戲、沉浸式體驗(yàn)等大帶寬、低時(shí)延業(yè)務(wù)急劇增長(zhǎng)，垂直領(lǐng)域中也快速涌現(xiàn)出智能制造、智能電網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等對(duì)帶寬、可靠性要求非常高的行業(yè)新應(yīng)用，5G 通信業(yè)務(wù)的藍(lán)海正在打開(kāi)，未來(lái)將需要更多的頻譜資源來(lái)支撐5G的發(fā)展。

1.2 頻譜需求

2013 年，工信部電信研究院在《到2020 年中國(guó)IMT 服務(wù)的頻譜需求》報(bào)告中，全面評(píng)估了到2020 年中國(guó)IMT 服務(wù)的頻譜需求為1 864 MHz，在我國(guó)規(guī)劃3 300～3 600 MHz 和4 800～5 000 MHz 頻段 作為5G 系統(tǒng)的工作頻率后，可使用的授權(quán)頻譜和預(yù)計(jì)的頻譜缺口還有較大的差異。

2017 年，ITU-R WP5D 針對(duì)24.25～86 GHz 毫米波頻段的頻譜需求開(kāi)展研究，并且把研究結(jié)果以聯(lián)絡(luò)函方式發(fā)送給ITU-R TG5/1。WP5D 考慮了基于應(yīng)用的方法、基于技術(shù)性能的方法、基于國(guó)家考慮的頻譜需求等3 種不同的方法評(píng)估總的頻譜需求。其中，我國(guó)提交了總的頻譜帶寬需求為14.8～19.7 GHz，主要用于提供密集城區(qū)微蜂窩、室內(nèi)熱點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入能力。

因此，在未來(lái)幾年5G 業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長(zhǎng)的情況下，現(xiàn)有授權(quán)頻譜無(wú)法滿足業(yè)務(wù)需求，而非授權(quán)頻譜和毫米波將是解決現(xiàn)有授權(quán)頻譜不足問(wèn)題的有效方式。

1.3 需解決的問(wèn)題

a）非授權(quán)頻譜的干擾共存。非授權(quán)頻段主要包括2.4 GHz、5 GHz 和6 GHz 等低頻段以及60 GHz 的毫米波頻段。3GPP 對(duì)NR-U 的部署頻段進(jìn)行了研究和評(píng)估，包括非授權(quán)頻段和一些被分配為共享使用的頻段，主要包括2.4 GHz、5 GHz和6 GHz等頻段。這些頻段有些是全球分配的，有些是地區(qū)性頻段。目前這些低頻段大部分已被占用，大量的低頻頻譜被分配給了無(wú)線本地通信的應(yīng)用，比如Wi-Fi、藍(lán)牙、微波和其他應(yīng)用，需重點(diǎn)研究、評(píng)估和解決5G 技術(shù)與Wi-Fi 等技術(shù)之間的干擾共存問(wèn)題。

b）毫米波產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。由于頻段高、帶寬大、路損大、器件口徑小等特性，5G 毫米波對(duì)射頻前端器件的工藝和材料、終端的功耗和散熱、毫米波終端測(cè)試、成本都有著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段對(duì)毫米波技術(shù)的研究水平大大落后于歐美國(guó)家，毫米波的應(yīng)用主要分布在雷達(dá)、遙感和天文等領(lǐng)域，而在民用通信中的應(yīng)用相對(duì)滯后。但近年來(lái)，我國(guó)加大了對(duì)毫米波技術(shù)的研究投入，成立了5G 微波毫米波特別工作組，積極推進(jìn)毫米波技術(shù)的研究和應(yīng)用。2020 年，南京紫金山實(shí)驗(yàn)室宣布大規(guī)模毫米波相控陣芯片取得重要突破，意味著包括60 GHz 非授權(quán)毫米波在內(nèi)的5G 毫米波技術(shù)向大規(guī)模應(yīng)用更近了一步。

2 NR-U的起源及研究進(jìn)展

2.1 LTE-U和LAA

關(guān)于NR-U 的研究進(jìn)展，得從4G 說(shuō)起。在4G 階段，先后誕生過(guò)LTE-U 和LAA。3GPP R12 版本定義了LTE-U，是將LTE 技術(shù)應(yīng)用于2.4 GHz、5 GHz 等非授權(quán)頻譜中，以利用非授權(quán)頻譜資源提升網(wǎng)絡(luò)容量，尤其適用于一些人群密集的大型場(chǎng)館、商業(yè)樓宇等室內(nèi)場(chǎng)所。LTE-U 實(shí)際上是一種載波聚合技術(shù)，它將LTE授權(quán)頻譜作為錨點(diǎn)，并定義為主服務(wù)小區(qū)（Pcell），Pcell 傳送控制信令和高QoS 數(shù)據(jù)，而非授權(quán)頻譜定義為從服務(wù)小區(qū)（Scell），只傳送數(shù)據(jù)，通過(guò)兩者聚合大幅提升下行速率。

在LTE-U 的基礎(chǔ)上，3GPP R13 版本定義了LAA，并在R14中進(jìn)行了功能增強(qiáng)。LAA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于更好的管理LTE-U，比如支持LBT（先聽(tīng)后說(shuō)）、減少與相鄰Wi-Fi 頻段的干擾、支持上下行雙向鏈路聚合等。但是，由于諸多因素的影響，LTE-U 和LAA 在4G 階段并未被廣泛應(yīng)用。

2.2 NR-U

到了5G 階段，3GPP 在R15 階段對(duì)NR-U 進(jìn)行了研究立項(xiàng)，以LTE-U/LAA 的研究為基礎(chǔ)，在R16 版本中開(kāi)始了正式的技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)化，制定了一套完善的NR-U 與Wi-Fi 的共存評(píng)估方法，包括對(duì)評(píng)估場(chǎng)景、評(píng)估方法、評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范與定義。

NR-U 基于現(xiàn)有的5G 技術(shù)。3GPP 研究了非授權(quán)頻段使用的接入機(jī)制，并對(duì)5G 信道、信號(hào)及相關(guān)過(guò)程進(jìn)行了針對(duì)非授權(quán)頻段的增強(qiáng)，以滿足NR-U 在非授權(quán)頻段上與Wi-Fi等的干擾協(xié)調(diào)及規(guī)避要求。這些增強(qiáng)包括發(fā)現(xiàn)信號(hào)的設(shè)計(jì)、上下行信道及信號(hào)的設(shè)計(jì)、初始接入過(guò)程增強(qiáng)、HARQ 增強(qiáng)、大帶寬增強(qiáng)及預(yù)配置增強(qiáng)。

對(duì)于60 GHz 的非授權(quán)毫米波頻段，3GPP 暫未開(kāi)始研究，但其將是后續(xù)研究的一個(gè)主要方向，本文將在3GPP 現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，探討NR-U 在60 GHz非授權(quán)毫米波頻段的應(yīng)用和部署。

3 NR-U部署場(chǎng)景

3.1 3GPP定義的部署場(chǎng)景

未來(lái)運(yùn)營(yíng)商部署NR-U，將主要考慮小基站部署的方式。3GPP定義了NR-U的5種可能的部署場(chǎng)景。

場(chǎng)景1：授權(quán)頻譜NR（PCell）和非授權(quán)頻譜NR-U（SCell）之間的載波聚合，NR-U 作為SCell，同時(shí)應(yīng)用于DL和UL，或者僅應(yīng)用于DL。

場(chǎng)景2：授權(quán)頻譜LTE（PCell）和非授權(quán)頻譜NR-U（PSCell）之間采用雙連接方式。

場(chǎng)景3：NR-U獨(dú)立部署。

場(chǎng)景4：NR 小區(qū)，DL 采用非授權(quán)頻譜，UL 采用授權(quán)頻譜。

場(chǎng)景5：授權(quán)頻譜NR（PCell）和非授權(quán)頻譜NR-U（PSCell）之間采用雙連接方式。

這些部署場(chǎng)景，根據(jù)技術(shù)方案的不同，主要可分成3類。

a）5G NR 下的授權(quán)頻譜輔助接入方案，包括場(chǎng)景1 和場(chǎng)景4。該方案由4G 中的LAA 發(fā)展而來(lái)，通過(guò)對(duì)授權(quán)頻譜和非授權(quán)頻譜進(jìn)行載波聚合，在授權(quán)頻譜上設(shè)置錨點(diǎn)，傳輸關(guān)鍵信息和控制信息，保證通信的可靠性；在非授權(quán)頻譜上傳輸數(shù)據(jù)信息，提升數(shù)據(jù)傳輸速率。

b）5G NR 下的多連接技術(shù)方案，包括場(chǎng)景2 和場(chǎng)景5。該方案基于4G的雙連接技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)使用非授權(quán)頻譜，還可以讓5G 系統(tǒng)使用現(xiàn)行的4G系統(tǒng)的頻譜進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

c）5G NR 下的MulteFire 方案，即獨(dú)立部署方案，包括場(chǎng)景3。與授權(quán)頻譜輔助接入方案相比，Multe?Fire 方案的特別之處在于不依賴于授權(quán)頻譜而在非授權(quán)頻譜上單獨(dú)存在，可以實(shí)現(xiàn)NR-U 的獨(dú)立部署。這種技術(shù)方案既能有效對(duì)5G NR 的授權(quán)頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，也支持組建NR-U 獨(dú)立專網(wǎng)，滿足5G 大帶寬、低時(shí)延、大連接應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

授權(quán)頻譜輔助接入方案和多連接技術(shù)方案主要由4G 發(fā)展而來(lái)，而獨(dú)立部署方案是5G 非授權(quán)頻譜接入的全新方案。下面將結(jié)合垂直行業(yè)等應(yīng)用來(lái)分析NR-U的典型部署方案。

3.2 NR-U幾類典型部署場(chǎng)景

3.2.1 企業(yè)部署5G專網(wǎng)

企業(yè)可以使用5G 非授權(quán)頻譜部署全套5G 網(wǎng)元（包括gNB、UPF、5GC CP、UDM、MEC 等），構(gòu)建物理隔離的的5G專網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 企業(yè)自建NR-U網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

部署基于非授權(quán)頻譜的5G專網(wǎng)，不僅具有專網(wǎng)的獨(dú)立性和安全可靠性，還能充分利用5G 技術(shù)的大帶寬、低時(shí)延、大連接能力，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延高可靠性的要求和物聯(lián)網(wǎng)大連接的需求。5G 專網(wǎng)具有云化核心網(wǎng)和邊緣計(jì)算功能，企業(yè)未來(lái)工廠內(nèi)的所有設(shè)備通過(guò)NR-U 基站連接到核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)端到端的身份驗(yàn)證、會(huì)話、管理、QoS控制和移動(dòng)性等。因此，企業(yè)將基于非授權(quán)頻譜的5G 專網(wǎng)部署在未來(lái)工廠中的自動(dòng)化生產(chǎn)線和車間，能夠保證即時(shí)連接的機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備的正常運(yùn)行，并且和數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)中心，即時(shí)交互數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)線，大大提高控制的可靠性和有效性。

目前，除了奧迪，寶馬、戴姆勒和大眾等汽車巨頭，還有大型化工、天然氣、石油公司等行業(yè)都有意愿建設(shè)自己的5G專網(wǎng)。

3.2.2 毫米波無(wú)線接入

根據(jù)無(wú)線電頻譜劃分情況，毫米波是頻率為30～300 GHz 的電磁波，位于極高頻EHF 頻段，具有頻段高、帶寬大、方向性好等特點(diǎn)。隨著5G 技術(shù)的快速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署，5G將是毫米波在民用通信中廣泛應(yīng)用的重要突破點(diǎn)。而60 GHz 的非授權(quán)毫米波頻段，將為推進(jìn)NR-U 在毫米波頻段的部署應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

基于60 GHz 非授權(quán)毫米波頻段的NR-U，在獨(dú)立部署時(shí)，將主要應(yīng)用于室內(nèi)毫米波無(wú)線接入和室外熱點(diǎn)毫米波無(wú)線接入等部署場(chǎng)景。室內(nèi)毫米波無(wú)線接入特別適用于實(shí)時(shí)云應(yīng)用/云存儲(chǔ)、互動(dòng)游戲、沉浸式體驗(yàn)、AR/VR、極高容量需求等場(chǎng)景，是企業(yè)級(jí)Wi-Fi的理想替代方案；對(duì)于室外熱點(diǎn)毫米波無(wú)線接入場(chǎng)景，NR-U 毫米波小基站將是低頻段5G NR 網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，主要適用于人流量大的露天廣場(chǎng)、公交站臺(tái)、公園等場(chǎng)景。

4 NR-U在毫米波頻段的部署方式探討

4.1 5G毫米波頻段

3GPP TS 38.104定義了5G支持的頻段列表，5G支持的頻譜范圍可達(dá)100 GHz，指定了兩大頻率范圍FR1 和FR2，其中FR2 的范圍是24.25～52.6 GHz，主要定義了n257、n258、n260和n261，位于毫米波頻段范圍內(nèi)。2019 年11 月舉行的WRC-2019 會(huì)議確定了IMT和IMT-2020（5G）的幾個(gè)新的頻率范圍，包括幾個(gè)既有的3GPP 頻率和一些新增的頻率，具體有24.25～27.5 GHz、37～43.5 GHz、45.5～47 GHz、47.2～48.2 GHz 及66～71 GHz。另外，一些國(guó)際機(jī)構(gòu)也正在考慮其他頻率，如71～86 GHz頻段。

在非授權(quán)頻段方面，除了現(xiàn)有的2.4 GHz、5 GHz、6 GHz 外，還有一個(gè)帶寬巨大的60 GHz 毫米波頻段。2000 年以來(lái)，歐、美、日等眾多國(guó)家和地區(qū)相繼在60 GHz 附近劃分出5～7 GHz 的非授權(quán)連續(xù)頻譜作為一般用途使用。比如，北美和韓國(guó)開(kāi)放了57～64 GHz頻段，歐洲和日本開(kāi)放了59～66 GHz 頻段，澳大利亞開(kāi)放了59.4～62.9 GHz 頻段，中國(guó)目前也開(kāi)放了59～64 GHz 頻段。在各國(guó)和地區(qū)開(kāi)放的頻譜中，大約有5 GHz 的重合，這非常利于開(kāi)發(fā)出世界范圍適用的技術(shù)和產(chǎn)品。我國(guó)開(kāi)放的59～64 GHz 頻段正好處于這個(gè)重合部分中，這一頻段上數(shù)GHz 帶寬資源奠定了實(shí)現(xiàn)吉比特級(jí)傳輸速率的基礎(chǔ)（見(jiàn)圖2）。

圖2 60 GHz非授權(quán)頻譜全球分配情況

60 GHz 毫米波非授權(quán)頻段可利用的資源多、帶寬大，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出5 GHz等非授權(quán)低頻段。目前，60 GHz非授權(quán)頻段將主要給IEEE 802.11ad/ay 使用，通過(guò)4 個(gè)2.16 GHz載波獲得最高7 Gbit/s的超高數(shù)據(jù)傳輸速率。但隨著NR-U 技術(shù)的逐步成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，相信在60 GHz 上部署NR-U 小基站，可以提供更快的傳輸速率和更優(yōu)質(zhì)的通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)超高速短距離應(yīng)用。

4.2 NR-U在非授權(quán)毫米波頻段的部署方式

4.2.1 室內(nèi)毫米波無(wú)線接入

根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同，目前室內(nèi)熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋主要有2 類方案，2 類方案都有各自的適用場(chǎng)合、服務(wù)對(duì)象及主要業(yè)務(wù)等。第1類是運(yùn)營(yíng)商部署無(wú)源DAS系統(tǒng)或有源分布系統(tǒng)，滿足公眾移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求；第2 類是運(yùn)營(yíng)商建設(shè)電信級(jí)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)或企業(yè)自建企業(yè)級(jí)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，前者主要用于對(duì)娛樂(lè)、休閑、公眾服務(wù)等場(chǎng)所的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的分流，后者主要解決企業(yè)辦公、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)中無(wú)線接入需求。

在NR-U 技術(shù)和毫米波技術(shù)成熟后，可以在現(xiàn)有覆蓋方式的基礎(chǔ)上，采用NR-U 毫米波小基站覆蓋，滿足更大帶寬和更高容量的接入需求。通常適用于毫米波部署的室內(nèi)覆蓋場(chǎng)所主要有交通樞紐、大型場(chǎng)館、商場(chǎng)、寫(xiě)字樓等。但由于高頻段的穿透性能差，在大開(kāi)間的覆蓋效果要明顯優(yōu)于具有隔斷或阻擋環(huán)境。比如高鐵站的候車廳，空間內(nèi)基本上為視距（LoS）傳輸，覆蓋效果很好，而寫(xiě)字樓內(nèi)既有LoS 傳輸，也有NLoS傳輸，覆蓋相對(duì)較差。

4.2.2 室外熱點(diǎn)毫米波無(wú)線接入

NR 宏基站和NR-U 毫米波小基站之間采用重疊覆蓋方式，如圖3 所示。該方案是“NR 宏基站+NR-U毫米波小基站”的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋和容量的協(xié)同。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，NR宏基站構(gòu)成基礎(chǔ)打底網(wǎng)絡(luò)，主要解決覆蓋問(wèn)題，用于NR-U 毫米波小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)終端的控制面的接入以及其他區(qū)域內(nèi)終端用戶面和控制面的接入；NR-U 毫米波小基站疊加在基礎(chǔ)打底網(wǎng)絡(luò)上，主要解決容量問(wèn)題，用于NR-U 毫米波小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)終端的用戶面的接入。得益于60 GHz 毫米波豐富的帶寬資源、優(yōu)秀的波束賦形能力及相對(duì)更小的單小區(qū)覆蓋范圍，NR-U 毫米波小基站可以輕松解決超級(jí)熱點(diǎn)的容量問(wèn)題，滿足眾多大帶寬業(yè)務(wù)的集中接入需求。從上面的分析也可以看出，該部署方式非常適合實(shí)現(xiàn)控制和業(yè)務(wù)分離功能，對(duì)于NRU 毫米波小基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端，控制面和用戶面數(shù)據(jù)將分別承載在NR 宏基站和NR-U 毫米波小基站上。

圖3 NR宏基站和NR-U小基站重疊覆蓋方案

在大量部署NR-U 毫米波小基站的超密集網(wǎng)絡(luò)中，單基站覆蓋面積小，小區(qū)吞吐量高，使用傳統(tǒng)的有線回傳方式一來(lái)部署成本高，二來(lái)在很多場(chǎng)景下不具備可實(shí)施性。因此，基于毫米波通信的無(wú)線回傳技術(shù)將是NR-U 毫米波小基站快速發(fā)展和部署的關(guān)鍵一環(huán)。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，大量部署的NR-U 毫米波小基站以單跳和多跳的方式，自適應(yīng)選擇回傳鏈路，提高了回傳鏈路的可靠性，實(shí)現(xiàn)多條回傳鏈路間的自適應(yīng)負(fù)荷均衡（見(jiàn)圖4）。

圖4 接入回傳一體化的NR-U小基站部署方案

當(dāng)小基站與宏基站之間采用毫米波回傳方式時(shí)，控制和業(yè)務(wù)相互分離的方式可以有效降低控制信令的傳輸時(shí)延。但對(duì)可靠性和時(shí)延要求非常高的移動(dòng)性業(yè)務(wù)建議直接接入NR 宏基站，避免復(fù)雜的移動(dòng)性管理和頻繁的信令交換。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，NR-U 可以作為一種有效的補(bǔ)充手段進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，NR-U 意味著可以擺脫授權(quán)頻譜的限制，自建NR-U專網(wǎng)，提供大容量、低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)接入方式，既能和Wi-Fi 共存，也是替代企業(yè)級(jí)Wi-Fi 的有效解決方案。本文基于3GPP現(xiàn)有關(guān)于NR-U 的研究成果，分析了NR-U 的典型部署場(chǎng)景，并對(duì)NR-U 在60 GHz毫米波非授權(quán)頻段的部署方式及應(yīng)用進(jìn)行了探討。