非授權頻帶頻譜共享技術綜述及專利申請狀況分析

摘 ?要：隨著通信技術的發展，無線通信業務量呈現爆發式增長，如何進一步提升傳輸速率和網絡容量成為亟待解決的問題。當前利用物理層技術提高頻率效率，對未來的需求來說微不足道，如何有效利用授權頻帶以外的帶寬資源成了通信研究的重要方向[1-3]。本文將對非授權頻帶頻譜共享技術的原理和發展進行介紹，并針對MulteFire技術的專利申請進行分析。

關鍵詞：非授權頻帶;LTE-U;LAA;MulteFire

中圖分類號：TN925 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0187-03

Abstract：With the development of communication technology，the amount of wireless communication traffic has exploded，and how to further increase the transmission rate and network capacity has become an urgent problem to be solved. At present，the use of physical layer technology to improve frequency efficiency is insignificant for future needs. How to effectively utilize bandwidth resources outside the licensed band has become an important direction of communication research[1-3]. This article will introduce the principle and development of unlicensed band spectrum sharing technology and analyze the patent application of MulteFire technology.

Keywords：unlicensed band;LTE-U;LAA;MulteFire

0 ?引 ?言

3GPP在2013年首次提出了LTE-U（LTE in unlicensed spectrum），通過非授權頻帶承載移動服務數據。隨后又提出了其演進技術方案：授權輔助接入（Licensed Assisted Access，LAA）、增強型授權輔助接入（Enhanced Licensed Assisted Access，eLAA）等，并作為標準。

2018年，在Rel-16版本中3GPP正式成立了5G NR非授權頻帶（5G NR in Unlicensed Spectrum）項目組。MulteFire是一種不借助授權頻帶運行于非授權頻帶的技術，具有組網靈活、與其他平臺技術公平共存的特點。

1 ?技術演進路線

1.1 ?LTE-U

在2013年12月召開的3GPP RAN#62次會上首次提出了LTE-U，其借助載波聚合技術（CA）和補充下行鏈路模式（SDL）部署，所有LTE控制和數據信道均在授權頻帶上運行，非授權頻帶上僅通過額外的數據信道提升數據面性能。利用載波聚合模式在非授權頻帶同時部署下行鏈路和上行鏈路。補充下行鏈路模式（SDL），只將非授權頻帶作為下行鏈路傳輸。以上兩種模式，非授權頻帶都僅用于數據層，所有的控制層流量均由授權頻段處理，核心網同時運營于授權與非授權頻帶，便于移動網絡的管理與升級[4，5]。

美國有線電視實驗室（CableLabs）在3GPP RAN#64次會議上提出了基于時分復用的動態占空比方案，該方案中LTE系統在預定的ON/OFF周期使用，Wi-Fi有機會接入。高通提出的載波偵聽自適應傳輸（Carrier Sensing Adaptive Transmission，CSAT）的共存方案也采用相類似的結構。然而，上述方案在共存時均以LTE為主，LTE占用并控制信道，Wi-Fi有機會接入，雖然能避免沖突，但無法保證公平性。LBT機制不需回退，檢測到信道空閑后馬上接入信道。在密集部署的區域引入了CSMA/CA中的競爭窗和隨機避退機制，能有效降低數據分組的碰撞概率。

1.2 ?LAA/eLAA

授權輔助接入（LAA）首次在RAN#64次會議上提出，2015年LAA結束了項目研究SI階段，得出了采用合適信道接入機制的條件下（如LBT），LAA可以與Wi-Fi公平共存的結論。在3GPP Rel-13中進一步規定了使用非授權頻帶需要遵守的設計準則：一必須使用授權頻段作為錨點，不能單獨使用非授權頻帶傳輸數據;二非授權頻帶只能作為副載波而不能作為主載波使用。因此，LAA采用載波聚合技術（CA），授權頻帶作為主載波單元（PCC）傳送關鍵信息和保證服務質量（QoS），非授權頻帶作為副載波單元（SCC），可配置成下行補充鏈路，提供額外的無線資源，通過媒體訪問控制單元（MAC）激活/釋放非授權頻帶的資源使用，動態使用資源，在基站激活非授權頻帶資源時，LTE在非授權頻帶上傳輸蜂窩數據，當基站釋放非授權頻帶資源時，Wi-Fi系統可基于競爭搶占使用非授權頻帶資源，從而實現非授權頻帶的靈活調度[6，7]。為了保證其與其他平臺的技術公平共存，3GPP將深化對干擾避免機制的研究，在避免沖突的基礎上，更注重公平性的研究。

隨著標準化的進程，LAA不只用于承載LTE系統的下行數據業務，UE上行數據傳輸也將在非授權頻帶傳輸，在3GPP Rel-14標準中，正式提出了LAA的演進版本——增強型授權輔助接入（eLAA），可以同時提高LTE-LAA系統上、下行鏈路的數據傳輸速率。在3GPP Rel-15中進一步針對一些細節性的技術進行了完善，以進一步實現增強型授權輔助接入（eLAA）[8]。

1.3 ?MulteFire

MulteFire是一種通過在非授權頻帶上獨立運行LTE技術的新型無線網絡，其不需要授權頻帶作為錨點執行輔助接入。MulteFire Alliance（MFA）成立于2015年12月，其核心目標是協同3GPP采用LTE以及下一代蜂窩移動技術在非授權頻帶上部署無線通信網絡。2017年1月由MulteFire Alliance（MFA）發布了MulteFire 1.0技術規范，該規范基于3GPP Rel-13/14，在最大限度上減少了LTE和MulteFire之間的差異。MFA于2018年2月發布了MulteFire 1.0.1規范。目前在開發中的1.1版本主要涉及兩種支持物聯網的方法：兼容eMTC與低功耗廣域的NB-IoT[9-11]。

為實現不同類型的部署，MulteFire包括兩種接入模式：公共陸地移動網絡（Public Land Mobile Network，PLMN）模式和中立主機網絡（Neutral Host Network，NHN）模式。其中，在PLMN接入模式中，MulteFire無線接入網以類似于演進通用陸地無線網E-UTRAN的方式接入到3GPP演進分組核心網中，通過S1連接并具有類似E-UTRAN的功能，新引入的MulteFire接入點將扮演了LTE網絡中基站的角色，用戶可以在MulteFire與3GPP RAN之間移動時保留IP。在中立主機網絡（NHN）接入模式中，MulteFire作為一個獨立部署的網絡，提供本地IP網絡或互聯網接入，同一NHN內的MulteFire小區之間支持移動性，NHN通過外部簽約采購服務供應商（Procurement services provicers，PSP）進行交互為用戶提供服務，邏輯上與NHN運營商是相互獨立的，移動網絡運營商可以作為NHN模式下的服務提供商，NHN可以作為專用私有網絡部署在隔離環境或公共空間中。

3GPP Rel-16版本中正式成立了5G NR非授權頻帶（NR-U）項目組，將LTE-U/LAA技術拓展到了5G。其包括兩種工作模式：授權頻帶輔助接入的NR-U即LAA NR-U以及獨立式NR-U。其中獨立式NR-U定義了不再需要授權頻帶作為錨點，其可以獨立運行于非授權頻帶，這意味著即使不具有授權頻帶的運營商也可以部署5G網絡。與LTE-U，LAA和LWA不同，MulteFire完全在未經許可的頻段中運行，用戶安裝MulteFire AP（接入點）或路由器實現LTE覆蓋，而不依賴于許可的頻譜，它使物聯網（物聯網）設備網絡成為現實。目前NR-U的獨立模式技術細節仍在討論中，MulteFire將成為發展方向[12，13]。

2 ?非授權頻帶頻譜共享技術專利分析

為了進一步分析MulteFire技術的專利申請情況，本文通過Patentics和S系統利用關鍵詞、分類號進行檢索，并適應性的執行去噪處理，將得到的檢索結果作為專利分析的基礎。

圖1示出了MulteFire技術全球申請量的發展趨勢，可以看出全球范圍內，MulteFire技術的專利申請在2015年開始出現，隨后保持持續的增長，尤其在2017年申請量達到頂峰，標志著MulteFire逐漸成熟。在2017年底之后，由于專利公開滯后的因素，申請量暫時呈現下降趨勢。由此可知，從2017年以來MulteFire一直處于技術活躍期，包括2017年之前的早期技術萌芽期，專利申請量逐漸增加。2017年之后的技術迅速進入發展成長期以及穩定發展期。2018年后的數據尚不完善。

圖2示出了MulteFire技術的主要專利申請人，從圖中可以看出，在MulteFire領域，我國的佰才邦、華為均榜上有名，這說明我國的MulteFire技術水平已進處于世界先進水平，但是與行業內的巨頭仍存在差距。由于MulteFire概念首先是由高通提出的，并且MFA也由高通等公司牽頭，因此高通的申請量最高，在300件以上。華為2016年11月才加入的MFA，所以相比其他幾家企業，仍有一定距離和進一步提升的空間。值得注意的是，還有一家中國的公司也加入到了MulteFire技術的專利布局中——北京佰才邦。佰才邦的創始人是華為院士Fellow孫立新，主要負責無線專利標準工作，因此在該公司2014成立之初便成為了4G賽道上的黑馬。

由圖3可以看出，全球關于MulteFire的專利申請總量，在本地資源管理、信道編碼、信道接入、網絡規劃這幾方面申請量較大。其中本地資源管理，例如無線資源的選擇或分配調度或無線業務量調度資源管理作為MulteFire最重要的技術分支，申請量比重接近1/3。在無線接入、信道編碼、網絡規劃等方面，比重也分別達到了15%、12%與11%。MulteFire技術的本質是非授權頻帶的獨立接入，其僅在網絡資源分配、無線接入、網絡規劃等方面與授權頻帶運行的LTE系統不同，因此上述主題是MulteFire相關的核心技術，也將成為5G獨立非授權接入模式相關的核心技術。

3 ?結 ?論

目前，我國在下一代通信技術領域已取得了長足的發展，非授權頻帶接入將成為5G中實現“萬物互聯”的核心技術，MulteFire為代表的非授權頻帶獨立接入模式將成為未來的發展方向。面對中國這個通信行業的巨大市場，各通信業巨頭都已在我國密布專利觸角。希望本文能夠幫助讀者了解國內外非授權頻帶技術的發展現狀，以及未來獨立接入模式中MulteFire技術的專利現狀。

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作者簡介：張宇（1992-），男，漢族，北京人，碩士，審查員，研究方向：移動通信領域發明專利的實質審查。