邵詩佳 楊 立 高 波

1 中興通訊股份有限公司 廣東 深圳 518057

2 移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室 廣東 深圳 518057

引言

第三代合作伙伴項目(3GPP)于2018年9月正式凍結(jié)第一版5G國際標(biāo)準(zhǔn)(Rel-15 版本)[1]。之后在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了全面增強，完成了Rel-16版本并在2020年6月正式凍結(jié)。5G NR系統(tǒng)與4G LTE的一個關(guān)鍵區(qū)別是高頻毫米波在不同網(wǎng)絡(luò)部署場景的應(yīng)用[2-3]。所謂毫米波其實指的是5G系統(tǒng)工作的頻段，3GPP在5G無線規(guī)范中定義了5G NR的工作頻率，分別是FR1和FR2。FR1定義的是450MHz～6000MHz，也就是我們常說的Sub-6GHz。FR2定義的是24250MHz～52600MHz，由于FR2覆蓋波段之中多數(shù)小于10毫米波長，這部分頻段也因此被稱為“毫米波”。

毫米波通信具有更高的傳播損耗，更復(fù)雜的反射和衍射性能等[3]，可以通過部署大規(guī)模天線陣列實現(xiàn)高波束賦形增益，從而補償損耗，保證系統(tǒng)服務(wù)覆蓋。對于全數(shù)字波束賦形的天線陣列，每根天線都要有獨立的數(shù)字鏈路通道，考慮到硬件成本、功耗和標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)雜性等方面，完全利用全數(shù)字波束賦形技術(shù)是不現(xiàn)實的[4]。因此，5G NR中支持模擬—數(shù)字混合波束賦形方式。

5G NR通過大規(guī)模天線實現(xiàn)窄波束指向用戶，可有效地利用多用戶MU-MIMO實現(xiàn)空間復(fù)用。此外，利用二維天線陣列還可在方位角和俯仰角域進(jìn)行波束賦形，實現(xiàn)更多用戶的空間分離。文獻(xiàn)[5-7]對5G毫米波的波束管理技術(shù)進(jìn)行了概述。其中，文獻(xiàn)[6-7]重點比較了5G NR獨立模式和非獨立模式的波束管理與4G LTE運營商在初始接入方面的差異，但缺少對初始接入后UE連接模式下波束管理過程的細(xì)節(jié)描述。文獻(xiàn)[5]提供了關(guān)于5G NR版本15中CSI獲取和波束管理的概述。對于版本Rel-16和Rel-17目前還沒有關(guān)于波束管理方案的系統(tǒng)性介紹[8]，因此本文將重點在這方面進(jìn)行描述。

1 波束管理流程

本節(jié)將系統(tǒng)介紹5G NR MIMO標(biāo)準(zhǔn)化框架下的波束管理過程。波束管理過程包括波束掃描、波束測量、波束上報、波束指示、波束(組)維護(hù)和波束恢復(fù)，如圖1所示。

1.1 波束掃描

5G NR支持以下三種波束掃描過程，示例如圖2所示。1)聯(lián)合收發(fā)波束掃描(P1)：基站和UE都進(jìn)行波束掃描；2)發(fā)送波束掃描(P2)：僅基站進(jìn)行波束掃描；3)接收波束掃描(P3)：僅UE進(jìn)行波束掃描。

對于下行波束管理，假設(shè)TRP(基站)側(cè)有N個發(fā)射波束，UE側(cè)有M個接收波束。對于P1，每個發(fā)射波束從TRP側(cè)發(fā)送M次，從而讓UE能夠測量M個不同的接收波束。因此，該過程需要N×M次CSI-RS信號傳輸。對于P2，由于UE使用相同的波束接收TRP側(cè)的N個發(fā)射波束，因此只需要N個CSI-RS信號傳輸。對于P3，只需要M個CSI-RS信號傳輸就可以完成接收波束的掃描。對于上行鏈路，和下行波束掃描類似，只需將TRP和UE進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.2 波束測量

對于上行傳輸而言，基站側(cè)通過測量上行參考信號(例如SRS)，得到相應(yīng)的上行波束質(zhì)量。對于下行傳輸而言，UE通過測量每個下行參考信號(例如 CSI-RS、SSB)得到相應(yīng)的下行波束質(zhì)量。由于UE側(cè)配置的天線數(shù)量遠(yuǎn)小于基站側(cè)，UE側(cè)的波束寬度通常會更寬。因此，UE側(cè)同一個接收波束，可同時接收多個基站側(cè)的發(fā)送波束。當(dāng)UE支持多個天線面板或者多個射頻通路的情況下，同時接收多個發(fā)送波束的能力可用于支持高秩數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 波束上報

經(jīng)過波束掃描和測量后，UE通過上行資源進(jìn)行波束相關(guān)信息的上報，上報內(nèi)容包括下行波束的索引信息和相應(yīng)的信道質(zhì)量。如果UE被指示為波束分組上報，UE將以波束組為單位進(jìn)行上報。

基于分組的報告方案主要服務(wù)于下行多波束同時傳輸數(shù)據(jù)的場景。例如,在multi-TRP場景下，single-DCI方案下PDSCH被配置多傳輸配置指示(Transmission Configuration Indication，TCI)狀態(tài)的傳輸，和multi-DCI方案下觸發(fā)多個PDSCH傳輸?shù)那闆r。

在3GPP Rel-16版本中，基于分組的波束報告支持M=2，即UE最多可報告同時接收的兩個下行波束。為了支持UE多面板接收和上報更多候選波束，在3GPP Rel-17版本中對波束上報進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化。UE可以報告N≥1組波束，每組內(nèi)包含M＞1個波束，每組內(nèi)的不同波束可以被UE同時接收。

1.4 波束指示

通過波束掃描、波束測量和波束報告，基站端可掌握具有良好性能的傳輸波束信息。對于基站而言，最直接的方案是使用UE推薦的下行發(fā)送波束。然而，考慮到多用戶傳輸、干擾協(xié)調(diào)和信道互易性等多方面的影響，基站需要利用波束指示來通知UE哪些波束用于數(shù)據(jù)傳輸。

為了提升波束指示的靈活性，Rel-15中通過RRC、MAC-CE和DCI信令進(jìn)行聯(lián)合波束指示，以PDSCH波束指示為例，如圖3所示。

PDSCH波束多層聯(lián)合指示流程分為3步，具體流程如下：

1)RRC高層參數(shù)配置一組TCI狀態(tài)索引值，該組最多包含128個TCI狀態(tài)；

2)MAC-CE在上述TCI狀態(tài)中，激活8個TCI碼點(codepoint)，每個碼點可以包含1個或2個TCI狀態(tài)索引值；

3)DCI中TCI域用于指示MAC-CE激活的8個TCI碼點中的1個。

對于上行波束管理，與下行波束管理的主要區(qū)別在于：基站完成上行發(fā)送波束、上行接收波束或者收發(fā)波束對的測量后，無需將測量結(jié)果通知給UE。在后續(xù)的上行傳輸過程中，基站直接為UE配置上行發(fā)送波束。

對于非周期SRS，NR Rel-15僅支持基于RRC的上行波束指示，在Rel-16為了增強指示靈活度，又引入了RRC+MAC-CE的上行波束指示方法。此外在Rel-17，為了統(tǒng)一上下行波束的指示方法，實現(xiàn)更低信令開銷和低時延的波束更新，引入了Unified TCI框架的概念。通過DCI指示的Unified TCI可對上行和下行發(fā)送波束分別指示，或通過一次指示同時更新上行和下行發(fā)送波束。

1.5 波束維護(hù)

波束維護(hù)(包括波束跟蹤和細(xì)化)用于解決UE移動而引起的波束失準(zhǔn)問題，并支持從寬波束到窄波束的波束細(xì)化過程。波束跟蹤的常用策略就是利用上述P-2和P-3過程對相鄰波束組合進(jìn)行掃描搜索和測量。通過探測相鄰波束，波束跟蹤可有效地跟蹤和補償最優(yōu)傳輸波束的變化。此外，波束細(xì)化可基于從P-1選擇的寬波束，在選定的寬波束角度范圍內(nèi)進(jìn)一步配置多個信號資源，以進(jìn)行更精細(xì)的波束搜索掃描。

1.6 波束恢復(fù)

由于波束賦型帶來的定向通信限制了多個物理路徑的分集，導(dǎo)致傳輸鏈路對信道抖動十分敏感。如果波束受到遮擋，將很容易造成通信中斷[9]。UE的移動和旋轉(zhuǎn)，也將導(dǎo)致收發(fā)端的波束不對齊，如果波束不能及時調(diào)整，就會產(chǎn)生波束失效的問題。

面向主服務(wù)小區(qū)PCell的波束失效問題，Rel-15引入了UE端主動進(jìn)行波束失敗上報的流程。通過檢測PCell所關(guān)聯(lián)的參考信號的BLER/RSRP性能，當(dāng)它比預(yù)設(shè)波束失效門限更差，UE將認(rèn)定該波束失效。如果發(fā)現(xiàn)了新的可選波束性能優(yōu)于門限時，將會觸發(fā)波束失敗恢復(fù)流程。為了加速波束失敗恢復(fù)流程和確保波束恢復(fù)信息傳輸?shù)聂敯粜?，非競爭物理隨機接入信道(PRACH)被用于承載波束失敗恢復(fù)請求消息。當(dāng)基站接收到UE上報的波束失敗指示以及新的候選波束后，基站將使用新的候選波束發(fā)送下行控制信令，作為基站的響應(yīng)。

Rel-16還對輔服務(wù)小區(qū)SCell下的波束恢復(fù)方案進(jìn)行了增強。其流程與上文描述的PCell波束失敗恢復(fù)流程區(qū)別在于，波束恢復(fù)請求消息通過PUCCH-BFR和MAC-CE信令承載，而非PRACH。因為SCell波束失敗恢復(fù)場景下，PCell很可能還存在有效的上下行鏈路，因此可通過MAC-CE信令來承載波束恢復(fù)請求消息，具有更好的上行資源利用率和實效性。另外，SCell波束失敗恢復(fù)允許UE端在未發(fā)現(xiàn)新的可選波束的情況下，執(zhí)行SCell波束恢復(fù)請求上報，此時UE可上報一個未發(fā)現(xiàn)任何可用波束的標(biāo)識。

2 5G-Advanced波束管理未來發(fā)展趨勢

5G-Advanced波束管理增強需面向灰度擴展的更多應(yīng)用場景和用例，例如：大帶寬且同時超高可靠低延遲通信[10]、毫米波MU-MIMO增強、提升用戶小微數(shù)據(jù)包無損傳輸且省電節(jié)能的通信體驗[11]，以及面向垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)端到端切片化增強[12]、面向空天地一體化衛(wèi)星覆蓋增強[13]等。為了支持上述應(yīng)用場景，波束管理增強變得更加重要。本章節(jié)將闡述波束管理增強的若干關(guān)鍵技術(shù)，具體包括：上行和下行多面板同時傳輸和MUMIMO場景下的干擾感知的波束管理，基于人工智能(AI)的波束管理以及基于MTRP的波束管理。

2.1 UL多面板同時發(fā)送(STxMP)

天線面板是標(biāo)準(zhǔn)中描述天線子陣列或天線波束成形模塊的通用術(shù)語。Rel-15主要是面向單個激活天線面板場景的，這意味著，在給定時刻，僅有一個上行或下行波束可被傳輸。在這種情況下，傳輸?shù)撵`活性被大幅度限制，然而在多傳輸節(jié)點(Multiple Transmission and Reception Point，multi-TRP)場景下的同時傳輸是重要應(yīng)用要求。因此，在UE支持多天線面板的情況下，上行和下行多面板同時傳輸仍然是5G-Advanced波束管理增強的重要方向。為了實現(xiàn)面向下行多面板的多波束同時傳輸?shù)脑鰪?，Rel-16引入了基于分組的波束上報。這樣即使在高頻通信下存在波束遮擋，基站也可利用不同TRP或者相同TRP的多個天線面板發(fā)送不同波束以承載PDSCH，從而提高PDSCH的傳輸可靠性。為了充分利用UE多面板的配置，后續(xù)還會對PDCCH、PUSCH以及PUCCH的多波束同時傳輸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化增強。

針對PDCCH可靠性的增強，為了獲得波束分集增益，Rel-17考慮使用多個具有不同TCI states 的PDCCH調(diào)度相同的PDSCH或者PUSCH，如圖4所示。即使其中某個PDCCH沒被UE正確接收，UE仍然可以順利解調(diào)出DCI以進(jìn)行PDSCH接收或者PUSCH發(fā)送。為了UE能夠識別出兩個DCI是重復(fù)發(fā)送的，對相應(yīng)的PDCCH建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

為了獲得波束分集增益，還會考慮支持PUSCH重復(fù)傳輸和波束分集。如圖5(a)圖所示，基于S-DCI的結(jié)構(gòu)，多個PUSCH面向不同TRP重復(fù)發(fā)送。為了解決UE到兩個TRP的信道條件不同的問題，Rel-17對PUSCH傳輸預(yù)編碼矩陣指示(Transmit Precoding Matrix Indicator，TPMI)的指示進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，同意使用兩個TPMI域分別指示PDSCH的傳輸層數(shù)以及與編碼信息，值得注意的是，第二個TRMI域的大小要取決于第一個TPMI域的指示情況。如圖5(b)所示，基于M-DCI的結(jié)構(gòu)，2個DCI分別調(diào)度同一個TB的不同PUSCH資源，因此可以直接配置不同的TPMI，從而解決了TPMI不匹配的問題。如果UE具有多面板同時傳輸?shù)哪芰?，PUSCH0和PUSCH1頻分復(fù)用傳輸也將作為Rel-18后續(xù)的增強點。

與PUSCH重復(fù)傳輸類似，關(guān)于PUCCH的增強同樣可考慮重復(fù)傳輸和波束分集。但與PUSCH不同的是，PUCCH的波束是由DCI指示的PUCCH資源間接指示的。這就出現(xiàn)了兩種為PUCCH配置多波束的方法：1)基站通過DCI指示多個PUCCH資源，每個資源包含一個波束；2)基站通過DCI指示1個PUCCH資源，每個資源包含多個波束。對于方法2，只需要修改MAC-CE為PUCCH資源配置波束的限制，即一個PUCCH資源一個時刻可以激活多個波束。而對于方法1來說，如何利用一個DCI指示多個PUCCH資源還有很多問題需要考慮，例如DCI中PRI域的設(shè)計，PUCCH資源的配置問題。因此，目前Rel-17暫時只同意了方法2。

2.2 基于干擾感知的波束管理

在5G NR系統(tǒng)中，UE端可以報告N個發(fā)送波束(或者M(jìn)組發(fā)送波束)相應(yīng)的L1-RSRP測量結(jié)果。根據(jù)波束測量報告，基站端將從可選的波束集合中選擇一個或多個波束用于之后的數(shù)據(jù)傳輸。但從數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕嵌瓤?，因為RSRP只能表示對應(yīng)的接收功率，而不考慮干擾和噪聲的影響，所以這種基于RSRP的選擇準(zhǔn)則可能并不能真實反映選擇波束的實際信道質(zhì)量。尤其是在支持分組上報的場景中，UE僅根據(jù)RSRP值選擇最優(yōu)的一組進(jìn)行上報，并沒有考慮到多波束同時傳輸?shù)膱鼍跋?，波束間的干擾問題，這可能會導(dǎo)致上報的波束組由于波束間的相互干擾導(dǎo)致傳輸性能大打折扣。因此在后續(xù)版本中會進(jìn)一步考慮波束間干擾的問題。

Rel-16版本引入了支持來自UE的層1 SINR報告功能，該功能為基站提供了一種考慮波束間干擾影響的方法。然而，關(guān)于干擾和干擾波束指示信息尚未標(biāo)準(zhǔn)化，因此利用已有的SINR報告功能幫助基站識別波束間的相互干擾水平是最直接的方法。但是上報SINR信息也面臨著問題，尤其是在分組上報的情況下，UE如何知道利用哪一個參考信號進(jìn)行其他波束的干擾測量。例如在配置了一個資源設(shè)置(Resource Setting)的情況下，UE需要知道用于信道質(zhì)量的參考信號配對情況；在配置了兩個Resource Setting的情況下，UE需要知道用于干擾測量的參考信號和用于信道測量的參考信號的關(guān)聯(lián)情況。

2.3 基于人工智能(AI)的波束管理增強

基于機器學(xué)習(xí)的人工智能(AI)算法在整個通信領(lǐng)域已引起了非常廣泛的關(guān)注，而且已出現(xiàn)將AI算法引入到5G的趨勢，因此基于AI的波束管理也成為了Rel-18的重要議題。對于波束管理而言，AI算法可以應(yīng)用到如下兩個領(lǐng)域。

波束訓(xùn)練[14-15]：考慮到毫米波信道的稀疏特性[14]，可用于傳輸?shù)牟ㄊ鴮?shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于候選波束對的總數(shù)，因此使用機器學(xué)習(xí)完成大規(guī)模波束訓(xùn)練是必然趨勢。此外，當(dāng)在密集毫米波網(wǎng)絡(luò)下執(zhí)行多用戶波束管理時，系統(tǒng)需要有效平衡各種性能指標(biāo)(例如，平均吞吐率、邊緣用戶吞吐率、小區(qū)內(nèi)以及小區(qū)間的干擾消除和協(xié)同)?；谏疃葘W(xué)習(xí)的波束管理可成為降低無線資源管理問題復(fù)雜度的有力工具。

波束跟蹤[16]：波束跟蹤是一種用于解決UE移動性問題的方法。通過探測相鄰的可選波束，波束追蹤可有效追蹤和補償通信波束的改變。但在沒有先驗信息的前提下，UE的移動速度和方向等是不確定的。因此考慮到方向、速度和位置等因素，提前確定波束跟蹤所需要探測波束的數(shù)量和范圍是非常重要的?？梢酝ㄟ^AI算法對實時收集UE的移動行為進(jìn)行訓(xùn)練，獲取相應(yīng)的波束切換。

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中對基于AI的波束管理的標(biāo)準(zhǔn)化支持主要是為了定義信令框架，以便實現(xiàn)基于AI的波束管理。

2.4 基于MTRP的波束管理

Rel-17以及Rel-18增強支持的一個重要場景就是高鐵。高鐵運行速度很快，當(dāng)TRP間回傳不理想時，很難通過TRP間的通信快速完成TRP間的新波束發(fā)現(xiàn)與切換，這個時候可以考慮基于UE上報的TRP切換以及Single-TRP和Multi-TRP之間的切換。

在高鐵場景下，當(dāng)UE駛離當(dāng)前連接的TRP時，路徑損耗和波束變化將影響TRP和UE之間的信道質(zhì)量。本文將RSRP(參考信號接收功率)用作信道質(zhì)量評估指標(biāo)。RSRP的變化如圖6所示。

圖中虛線對應(yīng)UE接收TRP1數(shù)據(jù)的RSRP。當(dāng)UE移動時，TRP 1的RSRP在開始時逐漸增大然后逐漸減小。與此同時TRP2相應(yīng)的RSRP逐漸增加并超過TRP1的RSRP。因此，為了保證通信質(zhì)量，這時應(yīng)由UE進(jìn)行上報建議進(jìn)行TRP切換。

在配置了M T R P 聯(lián)合傳輸場景，即U E 同時和TRP1、TRP2建立波束連接，UE可上報通知基站當(dāng)前聯(lián)合傳輸?shù)男诺罓顟B(tài)以及各個TRP獨立傳輸?shù)男诺罓顟B(tài)，基站根據(jù)上報信息確定是否需要進(jìn)行single-TRP和multi-TRP之間的切換。對于M-TRP聯(lián)合傳輸，如果協(xié)作的TRP歸屬于不同的小區(qū)，兩個TRP傳輸?shù)腜DSCH的QCL源需要分別對應(yīng)來自于不同TRP的TRS或者CSIRS。對于TRP1和TRP2發(fā)送的TRS1和TRS2來說，需要配置SSB作為TRS的QCL源。在NR Rel-15和Rel-16中，一個TCI state包含的QCL源對應(yīng)的SSB默認(rèn)是來自于服務(wù)小區(qū)的。如果需要將鄰小區(qū)的SSB當(dāng)作TRS的QCL源，需要額外通知UE鄰小區(qū)的配置信息，例如物理小區(qū)ID或者其他配置信息。這也將是下一步標(biāo)準(zhǔn)化需要進(jìn)一步考慮的重點。

針對MTRP場景的另一個重要研究方向就是關(guān)于波束失敗恢復(fù)的解決，Rel-15和Rel-16都是針對單TRP進(jìn)行的波束失敗恢復(fù)，盡管在Rel-16中增加了SCell的波束失敗恢復(fù)流程，但還沒對多個TRP下的波束失敗恢復(fù)流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，Rel-17的增強方向如下：

1)波束失效檢測：對于MTRP，為了識別是哪個TRP發(fā)生了波束失效，每個TRP都需要獨立配置用于波束失效檢測的參考信號集，參考信號集中的參考信號可為顯式或隱式；

2)新的可選波束識別：同樣的，每個TRP都需要獨立配置用于新波束發(fā)現(xiàn)的備選波束集合，每個集合與波束失效檢測的參考信號集進(jìn)行關(guān)聯(lián)；

3)波束恢復(fù)請求消息：針對MTRP場景下的請求信息上報，當(dāng)只有一個TRP發(fā)生波束失效或者兩個TRP都在SCell上發(fā)生波束失效，可以借鑒Rel-16中引入的Scell上報方法，波束恢復(fù)請求消息通過PUCCHBFR+MAC-CE信令承載。當(dāng)兩個TRP均在SCell上發(fā)生失效時，基于PRACH的波束恢復(fù)流程才會被觸發(fā)。

3 結(jié)論和展望

本文綜述了5G NR中支持波束管理和CSI獲取的標(biāo)準(zhǔn)化框架，并結(jié)合Rel-15和Rel-16版本演進(jìn)，系統(tǒng)介紹了包括波束掃描、波束測量、波束報告、波束指示、波束維護(hù)和波束失效恢復(fù)的基本波束管理流程。本文還討論了高頻波束管理5G-Advanced演進(jìn)的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢，首先介紹了針對UE多面板配置的增強方向，包括對后續(xù)上下行信道的可靠性增強，鑒于下行數(shù)據(jù)信道的增強已經(jīng)被納入Rel-16協(xié)議中，其他信道的增強也將會在后續(xù)版本進(jìn)行討論；然后本文根據(jù)當(dāng)前已支持的分組上報的波束管理方法，進(jìn)一步考慮UE側(cè)多波束間的相互干擾問題，使上報波束組更加合理也是下一版本的增強方向；其次，隨著大規(guī)模波束訓(xùn)練的需求，考慮到導(dǎo)頻開銷和硬件成本，引入AI的波束管理已經(jīng)成為必然趨勢，針對這一場景本文給出可能的應(yīng)用模式；最后考慮高鐵場景下對TRP快速切換的需求，給出基于UE上報的multi-TRP切換增強方案。

總體來說，對于未來的發(fā)展方向除了對目前技術(shù)的進(jìn)一步補充完善，包括對多傳輸節(jié)點和高鐵場景下傳輸可靠性的增強，最重要的一部分就是人工智能的引入。隨著未來對波束管理技術(shù)的更高要求，在較短的時間內(nèi)完成對未來的預(yù)測或者通過更少的先驗信息獲得估計結(jié)果，這將是未來Rel-18的重要增強方向。