好的，我们继续探索3GPP TS 38.300的深层奥秘。在理解了传统的授权频谱上的物理信道设计之后，我们将把目光投向一个更开放、也更具挑战性的领域——共享频谱。5G NR是如何在与Wi-Fi、蓝牙等“友军”共存的“公共地盘”上运行的呢？

深度解析 3GPP TS 38.300：5.6 Access to Shared Spectrum (共享频谱接入)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 38.300 V18.5.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.6 Access to Shared Spectrum”的核心章节，旨在为读者深入解读5G NR在免授权频谱（Unlicensed Spectrum）上运行时所遵循的“先听后说”（Listen-Before-Talk）核心原则、信道接入优先级机制，以及应对LBT失败的健壮性设计。

前言：“公共客厅”里的文明对话法则

想象一下我们的5G智慧校园里有一个非常繁忙的公共休息室，这里不仅有小明和他的同学在使用5G网络进行高清视频会议，还有其他人在使用Wi-Fi上网、用蓝牙耳机听音乐。这片小小的空间，其电磁波环境就像一个热闹的“公共客厅”，多种无线技术在这里共同分享着有限的频谱资源（例如5GHz或6GHz的免授权频段）。

在授权频谱上，运营商就像拥有了“私家庄园”，可以自主地规划和分配资源。但在共享频谱这个“公共客厅”里，所有技术都必须遵守一套共同的“文明对话法则”，以避免相互干扰、造成混乱。这个法则的核心，就是**“先听后说”（Listen-Before-Talk, LBT）**。

导师老王指着频谱仪上嘈杂的信号解释道：“在共享频谱上运行5G，就像是在一个嘈杂的派对上与人交谈。你不能想说就说，必须先竖起耳朵听一下，确认别人没有在说话，或者等别人说完话的间隙，你才能开口。3GPP在5.6节里，就为5G NR制定了这套详细的‘派对礼仪’。”

今天，我们将化身为“通信礼仪专家”，深入探讨5G NR在共享频谱上的接入机制，理解它是如何在这个拥挤的环境中，做到既“遵纪守法”，又“能言善辩”的。

1. 共享频谱的运行模式与LBT原则 (5.6.1)

NR在共享频谱上的部署模式非常灵活，它可以作为载波聚合的辅小区（SCell），也可以作为双连接的辅小区组（PSCell），甚至可以作为独立的主小区（PCell）来运行。但无论以何种模式运行，都必须遵守一个基本原则。

The gNB and the UE may apply Listen-Before-Talk (LBT) before performing a transmission on a cell configured with shared spectrum channel access. When LBT is applied, the transmitter listens to/senses the channel to determine whether the channel is free or busy and performs transmission only if the channel is sensed free.

这段话定义了**LBT（先听后说）**的核心操作：

1. 监听/感知 (Listen/Sense)：在每一次发送数据之前，发送方（无论是gNB还是UE）都必须先对信道进行一次信道空闲评估（Clear Channel Assessment, CCA）。这就像开口说话前先“竖起耳朵听”。

2. 判断信道状态：通过CCA，判断信道是“空闲（Free/Idle）”还是“繁忙（Busy）”。

3. 伺机发送：只有当信道被判断为空闲时，才允许进行数据传输。如果信道繁忙，就必须退避（Backoff），等待下一个机会。

LBT是全球绝大多数国家和地区对于共享频谱使用的强制性法规要求，旨在保证不同无线系统之间的公平共存。

应对“持续失聪”：LBT失败处理机制

在繁忙的“派对”上，可能一直轮不到你说话。如果UE的上行传输因为LBT持续失败而无法发送，网络必须有一套健壮的处理机制。

When the UE detects consistent uplink LBT failures, it takes actions as specified in TS 38.321.

规范指明了UE在遭遇“持续LBT失败”时的升级处理流程：

• 在SCell上失败：如果LBT失败发生在辅小区（SCell）上，UE会通过主小区（PCell）向gNB发送一个MAC CE报告，告知“我在SCell X上一直发不出话”。gNB收到后，可能会调整调度策略或为UE更换SCell。

• 在SpCell（PCell或PSCell）上失败：如果主链路也持续发不出话，问题就严重了。

  • 切换BWP：UE会尝试切换到当前小区配置的另一个上行带宽部分（UL BWP），看看那里的“对话环境”是否好一些。

  • 触发RLF：如果所有可用的UL BWP都持续LBT失败，UE最终会判断无线链路失败（RLF - Radio Link Failure），并触发RRC连接重建流程。

这套从“报告”到“自救”再到“重建”的升级机制，确保了NR在复杂的共享频谱环境下的连接鲁棒性。

2. “对话”的轻重缓急：信道接入优先级 (5.6.2)

在“派对”上，不是所有的话题都同等重要。紧急的求助信息，显然比闲聊八卦更应该被优先说出。NR在共享频谱上，也引入了一套**信道接入优先级等级（Channel Access Priority Classes, CAPC）**机制。

The Channel Access Priority Classes (CAPC) of radio bearers and MAC CEs are either fixed or configurable for operation in FR1:

NR定义了多个优先级等级（例如，1到4，数值越小，优先级越高）。LBT的具体行为，如退避窗口的大小、竞争窗口的长度等，都与CAPC直接挂钩。高优先级的业务，其LBT参数更“激进”，抢占信道的机会更大。

CAPC的分配原则

一个UE的上行数据包，其CAPC是如何决定的呢？

• 固定优先级：

  • Fixed to the lowest priority for the padding BSR and recommended bit rate MAC CEs;

  • Fixed to the highest priority for SRB0, SRB1, SRB3 and other MAC CEs;

  一些关键的信令被赋予了固定的高或低优先级。例如，承载RRC信令的SRB，被赋予最高优先级，以确保网络控制指令的优先传递。而一些填充用的数据，则被赋予最低优先级。

• 可配置优先级：

  • Configured by the gNB for SRB2 and DRB.

  对于承载用户数据的DRB，其优先级是由gNB根据其承载的业务类型来配置的。

When choosing the CAPC of a DRB, the gNB takes into account the 5QIs of all the QoS flows multiplexed in that DRB…

gNB在为DRB配置CAPC时，其核心依据是这个DRB所承载的QoS流的5QI。规范在 Table 5.6.2-1: Mapping between Channel Access Priority Classes and 5QI 中，给出了标准化的5QI到CAPC的映射关系。

| CAPC | 5QI | 典型业务 |

|---|---|---|

| 1 | 1, 3, 5, 65, 66… | IMS信令, 实时游戏, V2X消息 |

| 2 | 2, 7, 71… | 实时视频通话, 直播 |

| 3 | 4, 6, 8, 9… | TCP流 (如网页浏览, 文件下载) |

| 4 | - | 背景数据, 低优先级业务 |

场景代入：

小明在休息室里，同时在进行三项业务：

1. 与家人进行VoNR高清通话（例如，5QI=2）。

2. 后台下载教学视频（例如，5QI=9）。

3. 向gNB反馈CSI报告（属于高优先级MAC CE）。

当这三类数据在UE的MAC层准备发送时：

• CSI报告，将被赋予最高的固定CAPC。

• VoNR通话数据，其DRB会被gNB配置为CAPC=2。

• 视频下载数据，其DRB会被gNB配置为CAPC=3。

当UE执行LBT时，它会优先尝试为CSI报告抢占信道，其次是VoNR通话，最后才是视频下载。通过这种方式，NR确保了在共享信道的竞争中，高优先级的关键业务能够“脱颖而出”。

LBT Type 1 和 Type 2

3GPP为共享频谱定义了两种LBT机制（详见TS 37.213）：

• Type 1 LBT (LBE - Load Based Equipment)：这是一种更“文明”的机制。在发送前，除了进行CCA，还需要在一个随机的退避窗口内进行等待。等待时间的长短与CAPC相关。优先级越高，平均等待时间越短。

• Type 2 LBT (FBE - Frame Based Equipment)：这是一种更“守时”的机制，通常用于gNB。传输机会出现在固定的周期性帧结构中。gNB在一个周期开始时进行CCA，如果信道空闲，则可以在该周期内占据信道一段时间。

规范5.6.2节的最后，详细规定了当UE需要执行Type 1 LBT时，如何根据一个TB内复用的不同逻辑信道（或MAC CE）的CAPC，来决定这次LBT最终应该使用哪个优先级。总的原则是：以最高优先级为准。如果一个TB里既有VoNR数据（CAPC=2），又有网页数据（CAPC=3），那么这次LBT就会按照CAPC=2的“激进”参数来执行。

3. 总结：“带规则”的自由竞争

通过对5.6节的深入学习，我们理解了5G NR这位“西装革履”的绅士，是如何在共享频谱这个“自由市场”中，既遵守“法律法规”（LBT），又通过精巧的“商业策略”（CAPC）为自己争取最大利益的。

其核心思想可以总结为：

1. LBT是准入前提：“先听后说”是NR在共享频谱上进行任何传输的不可逾越的红线，这是实现公平共存的基础。

2. CAPC是竞争砝码：通过将QoS等级映射到信道接入优先级，NR将业务的差异化服务需求，从授权频谱的“资源预留”，巧妙地转化为了共享频谱的“概率优势”。高优先级业务虽然没有专属资源，但它拥有了更高的抢占信道成功率。

3. 健壮性设计是保障：通过LBT失败上报、BWP切换、RLF触发等机制，确保了NR连接在最恶劣的干扰环境下，依然具备顽强的“生存能力”。

共享频谱接入技术，为5G开辟了广阔的新疆域。它使得5G可以利用海量的、免费的免授权频谱资源，来补充授权频谱的容量，特别是在室内热点、企业专网等场景下，能够以更低的成本提供Gbps级别的服务。

至此，我们已经完成了对第5章物理层主要概念的探索。我们从最基本的“乐谱”（帧结构、Numerology），到下行的“演奏技巧”（MIMO, PDSCH），再到上行的“发声艺术”（PUSCH, PUCCH），最后到共享频谱的“派对礼仪”（LBT, CAPC）。下一站，我们将进入一个同样激动人心的新领域——Sidelink（直通链路），看看UE是如何摆脱基站的“束缚”，实现彼此之间“面对面”直接通信的。

FAQ

Q1：NR在共享频谱上运行（NR-U），和Wi-Fi（802.11ax/be）有什么本质区别？

A1：虽然两者都使用LBT机制，但本质区别在于调度机制和QoS保障能力。Wi-Fi是一个纯粹的分布式、基于竞争的系统（DCF/EDCA），每个设备都独立决策何时发送，其QoS保障是“尽力而为”的。而NR-U是一个gNB中心化调度与UE竞争相结合的系统。gNB作为中心节点，可以为一个或一组UE“预约”信道占用机会（COT），并在COT内部进行高效的、无竞争的调度。这种“先竞争，后调度”的模式，使得NR-U在信道利用率、时延确定性和QoS保障能力上，相比Wi-Fi有天然的优势，更适合承载工业控制、VR/AR等高质量业务。

Q2：什么是LBT的退避（Backoff）机制？

A2：退避机制是LBT的核心。当一个设备执行CCA发现信道繁忙时，它不能一直“傻等”。它会启动一个退避计数器，这个计数器的初始值是从一个称为“竞争窗口（Contention Window, CW）”的范围内随机选择的。然后，设备会以一个固定的时间单位（如9微秒）对这个计数器进行倒数。在倒数过程中，如果信道变为空闲，它就继续倒数；如果信道再次变忙，它就“冻结”计数器，等信道再次空闲时再继续。只有当计数器倒数到0时，该设备才获得信道的发送权。优先级越高的业务，其竞争窗口的范围越小，因此抽到的随机退避值也越小，倒数到0的速度也越快，从而获得了抢占优势。

Q3：gNB和UE都执行LBT吗？它们的LBT行为一样吗？

A3：是的，gNB和UE都需要执行LBT。但它们的行为和被赋予的“权力”是不同的。gNB通常被认为是更“中心”的节点，它可以通过一次成功的LBT，为自己和它所服务的UE们，抢占一段相对较长的信道占用时间（Channel Occupancy Time, COT）。在这个COT内部，gNB可以进行无竞争的下行传输，也可以调度UE进行上行传输。而UE的上行传输，既可以在gNB为其调度好的COT内进行（此时无需LBT），也可以在gNB未指定的情况下，自己发起基于竞争的LBT来抢占信道（例如，发送SR或小数据包）。

Q4：CAPC（信道接入优先级）和之前提到的QFI（QoS流ID）有什么关系？

A4：它们是QoS保障链条上，核心网层和接入网物理接入层的两个关键参数，通过gNB进行关联。QFI是5GC和NG-RAN之间识别一个QoS流的标识，它与一组完整的QoS参数（如5QI，ARP，GFBR等）绑定。当一个带有特定QFI的数据包到达gNB时，gNB的上层协议（SDAP/RRC）会根据这个QFI（以及映射出的5QI），为承载这个流的DRB配置一个对应的CAPC。当这个DRB的数据包到达MAC/PHY层准备发送时，物理层就会使用这个被配置好的CAPC参数来执行LBT。因此，关系是：QFI -> 5QI -> CAPC -> LBT参数，通过这个链条，核心网定义的QoS最终转化为了物理层信道抢占的概率优势。

Q5：如果在共享频谱上运行对时延要求极高的URLLC业务，LBT带来的不确定性会不会导致时延无法保障？

A5：这是一个巨大的挑战，也是NR-U设计的重点之一。为了在共享频谱上支持URLLC，NR-U引入了多种增强机制：1）最高优先级：为URLLC业务配置最高的CAPC，使其在LBT竞争中拥有最大优势。2）抢占式传输：gNB或UE在抢占到信道后，可以发送抢占指示，中断正在进行的低优先级传输，为URLLC业务“让路”。3）多载波/双连接：可以将URLLC业务同时配置在授权频谱和共享频谱上，利用授权频谱作为可靠的“保险”，当共享频谱因LBT而暂时不可用时，可以通过授权频谱进行传输。4）更短的LBT参数：为URLLC业务设计的LBT参数（如AIFS - Arbitration Inter-Frame Space）比普通业务更短，使其可以更快地接入信道。通过这些机制的组合，NR-U能够在很大程度上缓解LBT带来的不确定性，为URLLC业务提供有时延保障的“尽力而为”服务。