張 琪，白曉宇

（網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實驗室，江蘇 南京 211111）

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)在傳輸帶寬、數(shù)據(jù)吞吐量等方面的需求快速增加。與傳統(tǒng)6 GHz 以下頻段相比，毫米波頻段擁有大量的空閑帶寬資源，可以有效提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是毫米波頻段的自由空間路徑損耗大，大氣吸收和降雨造成的衰減嚴重，必須依賴于大規(guī)模天線陣列的波束賦形技術(shù)才能有效抵抗信號衰減[1]。為了達到較高的發(fā)射增益，毫米波大規(guī)模天線陣列的波束寬度通常較窄，基站與用戶之間必須通過波束跟蹤來保證波束相互對齊，從而建立穩(wěn)定的通信鏈路。

近年來，各國專家學者針對波束跟蹤問題提出了許多算法，例如:文獻[2]-[3]提出了基于Kalman 濾波的波束跟蹤算法；文獻[4]通過Gauss 過程回歸來分析信道的時變特性，進而給出波束的變化規(guī)律；文獻[5]給出了基于強化學習的波束跟蹤方法；文獻[6]則進一步研究了協(xié)作傳輸中基于強化學習的波束跟蹤問題。但是現(xiàn)有文獻主要集中于研究波束跟蹤算法理論問題，對于在實際應用中如何將3GPP(3rd Generation Partnership Project)協(xié)議與波束跟蹤算法有機結(jié)合起來，目前的研究成果較少。文獻[7]-[8]對3GPP 協(xié)議中波束管理有關(guān)的流程進行了詳細介紹和展望；在此基礎(chǔ)之上，文獻[9]討論了基于信道狀態(tài)信息參考信號 (Channel State Information Reference Signal,CSI-RS) 和探測參考信號 (Sounding Reference Signal,SRS) 的波束跟蹤方案；文獻[10]進一步研究了波束失敗的檢測與恢復方法。

本文在上述研究的基礎(chǔ)之上，對3GPP 協(xié)議規(guī)范下毫米波通信系統(tǒng)的波束跟蹤問題進行了詳細研究。本文首先介紹了3GPP 協(xié)議中的上行波束管理流程P1、P2、P3 和下行波束管理流程U1、U2、U3，并基于上述流程給出了4 種不同的波束跟蹤算法實現(xiàn)方案，然后對各方案的資源占用率和波束失敗概率進行了分析和對比，給出如下結(jié)論：

(1)從上下行資源占用率聯(lián)合最優(yōu)的角度來看，P2+P3、U2+P3 以及U2+U3 方案為Pareto 最優(yōu)方案，考慮到一般通信系統(tǒng)中下行時隙資源占比普遍高于上行，因此P2+P3 方案的平均資源占用率更低；

(2)從波束失敗概率的角度來看，U2+P3 方案由于無需反饋測量信息，因此流程最簡單，在高動態(tài)通信環(huán)境中，引發(fā)波束失敗的概率最低；

(3)在不同的通信系統(tǒng)中，應當根據(jù)系統(tǒng)的實際需求選用不同的波束跟蹤方案。在終端移動速度較低且下行時隙資源豐富的通信系統(tǒng)中，可選用P2+P3 方案，在高動態(tài)且對數(shù)據(jù)傳輸延遲要求較嚴格的通信環(huán)境中，可選用U2+P3 方案。

1 波束跟蹤的基本過程

假設(shè)一毫米波基站服務(wù)于M個用戶，其中第m個用戶的傳輸帶寬為BmMHz，全部用戶占用的總帶寬為BtotalMHz，子載波間隔ΔSCS=120 kHz，則上述BtotalMHz的帶寬在頻域上可容納個子載波，也即個資源單元 (Resource Element,RE)。基站與用戶通信的一個無線幀長度為10 ms，每個無線幀包含10個子幀，每個子幀長度為1 ms，系統(tǒng)采用正常循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)，每個子幀包含個=8 個 時隙，每個時隙包含14 個正交頻分復用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM) 符號。

為了能夠在用戶移動過程中始終保持基站與用戶的波束對齊，3GPP 協(xié)議分別規(guī)定了用于下行波束管理的P1、P2 和P3 過程和用于上行波束管理的U1、U2 和U3 過程[11]，如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 3GPP 協(xié)議規(guī)定的波束管理過程

P1 和U1 過程分別通過下行和上行參考信號進行粗掃描，確定基站或用戶的寬波束，一般而言，用戶在初始接入階段通過同步信號塊 (Synchronization Signal Block,SSB) 與物理隨機接入信道 (Physical Random Access Channel) 之間的交互可實現(xiàn)P1 過程。

P2 過程通過下行參考信號進行基站波束細化，基站采用不同的窄波束發(fā)射若干下行參考信號，用戶采用相同的接收波束對參考信號進行測量后，將測量結(jié)果反饋給基站，基站據(jù)此選擇最優(yōu)窄波束，完成P2 過程；與之相對應的U2 過程則通過上行參考信號進行基站波束細化，用戶通過同樣的波束發(fā)射若干上行參考信號，基站采用不同的窄接收波束對參考信號測量進行后，選擇最優(yōu)窄波束，完成U2 過程。

P3 過程通過下行參考信號進行用戶波束細化，基站采用同一波束發(fā)射若干下行參考信號，用戶采用不同的窄接收波束對參考信號進行測量并選擇最優(yōu)窄波束，完成P3 過程；與之相對應的U3 過程則通過上行參考信號進行用戶波束細化，用戶通過不同的窄波束發(fā)射若干上行參考信號，基站采用相同的接收波束對參考信號進行接收和測量后，將測量結(jié)果反饋給用戶，用戶據(jù)此選擇最優(yōu)窄波束，完成U3 過程。

由于毫米波頻段的通信采用時分雙工模式[12]，一般而言，可以認為上下行信道具有互易性[13]。據(jù)此可以合理做如下假設(shè)：

上下行波束一致性假設(shè)[14]：基站可以通過下行信道的測量結(jié)果決定上行接收波束，也可以通過上行信道的測量結(jié)果決定下行發(fā)射波束；類似地，用戶可以通過下行信道的測量結(jié)果決定上行發(fā)射波束，也可以通過上行信道的測量結(jié)果決定下行接收波束。

基于上述假設(shè)，通過P2 與U2 過程得到的波束是等價的，通過P3 與U3 過程得到的波束是也是等價的，因此可以給出如圖2 所示的波束跟蹤基本流程。

圖2 波束跟蹤的基本流程

在圖2 中，基站與用戶進行一段時間的數(shù)據(jù)傳輸后，由于兩者的相對位置可能已經(jīng)發(fā)生變化，因此需要對波束進行更新。首先，基站側(cè)根據(jù)文獻[2]-[6]給出的算法確定需進行波束掃描的范圍，然后采用P2 或U2 過程對上述范圍內(nèi)的波束進行掃描測量，并根據(jù)測量結(jié)果更新波束；基站側(cè)確定新的波束后，用戶側(cè)采用同樣的過程通過P3 或U3 進行波束掃描和更新。通過上述分析，波束跟蹤算法可以有4 種不同的實現(xiàn)方式，分別為P2+P3、P2+U3、U2+P3 以及U2+U3。下文將重點分析上述4 種不同類型的跟蹤方案在資源占用率和波束失敗概率方面的區(qū)別。

2 波束跟蹤過程的資源占用分析

本節(jié)將對P2、P3、U2 和U3 過程占用的資源進行分析，并在此基礎(chǔ)上對不同實現(xiàn)方式進行比較。

2.1 P2 過程

P2 過程是基于下行參考信號CSI-RS 進行基站發(fā)射波束掃描的過程，為了降低信令開銷，本文只考慮周期性CSI-RS 的情況，與周期性CSI-RS 相對應，用戶此時僅可通過物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH) 上報CSI 報告[12]。

首先，基站在NK個OFDM 符號上發(fā)送N個非零功率CSI-RS (Non-Zero Power CSI-RS,NZP-CSI-RS) 信號，分別對應于N個需要掃描的波束，每個NZP-CSI-RS信號占用K個OFDM 符號時長。由于基站在進行波束掃描時有些波束并未對準用戶，因此為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在進行波束掃描的時間范圍內(nèi)，一般而言不應當發(fā)送有效數(shù)據(jù)，據(jù)此，可以認為在基站進行波束掃描的時間范圍內(nèi)，全部帶寬內(nèi)的資源均為波束掃描所占用，也即占用個RE。

用戶收到上述N個NZP-CSI-RS 信號后，測量每個NZP-CSI-RS 信號的層1 參考信號接收功率 (Layer 1 Reference Signal Receiver Power,L1-RSRP)，然后，根據(jù)3GPP 協(xié)議的規(guī)定，用戶將選擇其中功率值最大的4 個NZP-CSI-RS 信號，組成CSI 報告進行上報，CSI 報告中包含下列項：4 個NZP-CSI-RS 信號的編號，共占用；具有最大功率NZP-CSI-RS 信號的絕對功率值，占用7 bit；其他3 個NZP-CSI-RS 信號相對于最大功率的功率差值，共占用12 bit[15]。因此，用戶上報的CSI報告共占用+19 bit，假設(shè)調(diào)制階數(shù)為Q，那么CSI 報告共占用個RE。

其中，M表示用戶數(shù)量，ηdown和ηup分別表示用戶下行傳輸時長和上行傳輸時長占總時長的比例。

2.2 U2 過程

U2 過程是基于上行參考信號SRS 進行基站接收波束掃描的過程，首先，用戶在相同波束上發(fā)送N個SRS 信號，同時基站在不同的接收波束上接收SRS 信號并測量信號功率，然后直接根據(jù)功率測量結(jié)果選擇波束。為了降低信令開銷，本文只考慮周期性SRS 的情況。

顯然，U2 過程不占用下行信道資源，僅需計算N個SRS 信號所占用的上行信道資源。與P2 過程中的NZPCSI-RS 信號類似，N個SRS 信號需占用NK個OFDM 符號時長，每個SRS 信號占用K個OFDM 符號時長，也即占用個RE，那么U2 過程對上行信道資源的占用率可以表示為：

2.3 P3 過程

P3 過程是通過下行參考信號NZP-CSI-RS 進行用戶側(cè)波束選擇的過程，其具體過程與U2 完全對稱，此處不再贅述，直接給出結(jié)論。

P3 過程不占用上行信道資源，對下行信道資源的占用率為：

2.4 U3 過程

U3 過程是基于上行參考信號SRS 進行基站側(cè)波束掃描的過程，其具體過程與P2 類似，可分為2 個子過程：首先，用戶在N個波束上發(fā)送N個SRS 信號，同時基站在相同的接收波束上接收SRS 信號并測量信號功率；然后，基站通過物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH) 給用戶發(fā)送SRS 資源指示(SRS Resource Indicator,SRI)，通知用戶應選擇的波束。

2.5 不同波束跟蹤過程的資源占用率對比

基于上述各小結(jié)的分析，可以給出不同波束跟蹤實現(xiàn)方案的資源占用情況，為了表示方便，令：

各波束跟蹤方案的資源占用率如表1 所示。

表1 不同波束跟蹤方案的資源占用率

一般而言，在通信系統(tǒng)中，波束掃描數(shù)量N和調(diào)制階數(shù)Q具有相同或者相近的數(shù)量級，而通信帶寬Btotal一定遠大于子載波間隔ΔSCS，因此有：

也即η0?Δ1＞Δ2。另外，下行時隙占比一般會大于上行時隙占比[12]，也即ηdown＞ηup。

由此可知，P2+P3 方案主要占用下行時隙資源，U2+U3 方案主要占用上行時隙資源，且P2+P3 方案的下行資源占用率低于U2+U3 方案的上行資源占用率；P2+U3 方案和U2+P3 方案需同時占用上下行資源，且P2+U3 方案對上下行資源的占用率均高于U2+P3方案。

圖3 直觀地給出了上述4 種方案在資源占用率上的對比，從中可見，當通信系統(tǒng)的各項參數(shù)以及需掃描的波束數(shù)量均固定時，從上行和下行資源占用率聯(lián)合最優(yōu)的角度而言，P2+P3、U2+P3 以及U2+U3 方案均為Pareto最優(yōu)，而P2+U3 方案還存在進一步優(yōu)化的空間。另外，從上下行平均資源占用率最低的角度來看，U2+U3 方案的平均資源占用率較高，P2+P3 和U2+P3 方案的平均資源占用率相對較低。

圖3 不同波束跟蹤方案上下行資源占用率的關(guān)系

3 波束跟蹤過程的失敗概率分析

本節(jié)介紹3GPP 協(xié)議中對波束失敗探測的相關(guān)規(guī)定，并對P2、P3、U2 和U3 過程可能引發(fā)的波束失敗概率進行詳細的分析。

根據(jù)3GPP 協(xié)議規(guī)定，用戶對特定參考信號 (CSI-RS或SSB) 的塊差錯率 (Block Error Rate,BLER) 進行監(jiān)測，當該BLER 高于特定閾值時，產(chǎn)生1 次波束失敗指示 (Beam Failure Instance,BFI)。在規(guī)定時間beamFailureDetectionTimer 內(nèi)，產(chǎn)生 1 次 BFI，則計數(shù)器BFI_COUNTER+1；在規(guī)定時間beamFailureDetection-Timer 內(nèi)，沒有產(chǎn)生BFI，則計數(shù)器BFI_COUNTER 清零。當BFI_COUNTER 達到預設(shè)值beamFailureInstanceMax-Count 時，確認波束失敗[16]。

顯然，波束失敗的判定需要持續(xù)一段時間的高BLER 方可成立，單一時刻的BLER 升高并不會被立即判定為波束失敗?；谏鲜銮疤?，下文將首先比較P2過程與U2 過程在BLER 升高時的差異。

如圖4 所示，假設(shè)t0時刻開始進行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過程中，由于用戶的移動，導致原相互對齊波束不再準確對齊，通信質(zhì)量逐漸降低，但未低于預設(shè)閾值，通信仍能正常進行。在t1時刻，由于波束不對齊引起的BLER升高超過閾值，通信無法正常進行，但此時由于BLER超過閾值的時間較短，終端并未確認波束失敗。接下來在t2時刻，啟動P2 過程，將首先進行NZP-CSI-RS 發(fā)射波束掃描，用戶對NZP-CSI-RS 進行測量，在t3時刻得到測量值，并生成CSI 報告。此時，如果用戶能夠?qū)SI 報告通過PUCCH 上報給基站，基站即可切換至通信質(zhì)量較好的波束，恢復通信。但是基站在收到PUCCH 上的CSI報告之前，無法知曉哪個波束具有較好的通信質(zhì)量，因此，基站只能在原波束上等待接收CSI 報告。但原波束從t1時刻起，已無法正常通信，因此，基站無法正常接收CSI 報告，也無法切換波束，直到t4時刻，計數(shù)器BFI_COUNTER 達到預設(shè)值beamFailureInstanceMax-Count，用戶確認波束失敗，數(shù)據(jù)傳輸完全中斷，轉(zhuǎn)入波束恢復流程。

圖4 當BLER 超過閾值時P2 過程示意圖

對于上述情況，如果采用U2 過程，則如圖5 所示。在t1時刻，波束不對齊引起的BLER 升高超過閾值，但還并未確認波束失敗。接下來在t2時刻，啟動U2 過程，用戶在相同的波束上發(fā)射若干SRS 信號，基站進行接收波束掃描并在t3時刻完成SRS 信號功率測量。此時，基站已知曉不同波束的通信質(zhì)量，可直接選擇功率較高的波束進行后續(xù)通信，BLER 從t3時刻起降低至閾值以下，計數(shù)器BFI_COUNTER 清零，不會引發(fā)波束失敗。

圖5 當BLER 超過閾值時U2 過程示意圖

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，由于P2 過程需要反饋CSI 報告，因此其引發(fā)波束失敗的概率大于U2 過程。類似地，U3 過程需要反饋SRI，其引發(fā)波束失敗的概率同樣大于P3 過程。因此，從波束失敗概率的角度來看，U2+P3 方案無需反饋信息，具有最優(yōu)性能。

綜合上述分析可知，選用何種方案進行跟蹤應當根據(jù)系統(tǒng)的指標要求決定。例如，對于終端移動速度較慢且下行時隙資源比較豐富的場景，發(fā)生波束失敗的概率較低，此時可采用P2+P3 方案，從而有效降低對上行資源的占用；而對于高動態(tài)、低延時的通信環(huán)境，為了降低通信中斷概率，保證通信數(shù)據(jù)的及時送達，可采用U2+P3 方案。

4 仿真實驗

本節(jié)通過仿真實驗進一步詳細分析各波束跟蹤方案的資源占用情況。不失一般性，假設(shè)數(shù)據(jù)傳輸帶寬Btotal=95.04 MHz (信道帶寬100 MHz，兩側(cè)保護帶占用4.96 MHz)，用戶數(shù)量M=16，PUCCH 和PDCCH 采用QPSK 調(diào)制，調(diào)制階數(shù)Q=2。

圖6 表示跟蹤周期對波束跟蹤算法資源占用率的影響，其中上行時隙與下行時隙的占比分別設(shè)置為30%和70%，波束掃描數(shù)量N=8。

圖6 跟蹤周期對波束跟蹤方案資源占用率的影響

從圖6 中可見，U2+U3 方案的上行資源資源占用率非常高，當跟蹤周期小于100 ms 時，上行資源占用率高于20%；當跟蹤周期小于20 ms 時，100%的上行資源依然無法滿足跟蹤需求。P2+U3 方案與U2+P3 方案的資源占用率幾乎相同，說明CSI 報告或者SRI 反饋占用RE 資源的比例極低，從資源占用率的角度而言幾乎可以忽略不計，但是考慮到P2+U3 方案需要兩次反饋過程，而U2+P3 方案無需反饋，從波束失敗概率的角度而言，U2+P3 方案優(yōu)于P2+U3 方案。P2+P3 方案的下行資源占用率與P2+U3 方案、U2+P3 方案的上下行資源占用率相近，而P2+P3 方案的上行資源占用率則遠低于P2+U3 方案與U2+P3 方案，從平均資源占用的角度而言，P2+P3 方案最優(yōu)，因為該方案主要占用下行資源，而在一般通信系統(tǒng)中，下行資源比上行資源更加豐富。

圖7 表示波束掃描數(shù)量對波束跟蹤算法資源占用率的影響，其中上行時隙與下行時隙的占比分別設(shè)置為30%和70%，跟蹤周期T=20 ms。從仿真實驗結(jié)果來看，U2+U3 方案的上行資源占用非常高，當掃描波束數(shù)量多于10 個時，全部的上行資源依然無法滿足波束跟蹤的需求，在掃描波束數(shù)量較少的區(qū)間范圍內(nèi)，U2+U3 方案的上行資源占用率也幾乎保持在20%以上。對于P2+P3、P2+U3、U2+P3 方案，其結(jié)論基本與圖5 一致，此處不再贅述。

圖7 波束掃描數(shù)量對波束跟蹤方案資源占用率的影響

圖8 表示上下行時隙分配比例對波束跟蹤算法資源占用率的影響，其中跟蹤周期為20 ms，波束掃描數(shù)量N=8。從中可見CSI-RS 和SRS 占用的RE 資源隨著上下行時隙分配比例的變化基本上呈對稱分布，而反饋信息CSI 報告和SRI 指示占用的RE 資源并不對稱，其原因在于CSI 報告包含的信息較SRI 多，需要占用的RE 資源多于SRI?？傮w來說，上下行時隙分配比例對波束跟蹤方案具有決定性的影響，在一般情況下，較低的上行時隙占比決定了U2+U3 方案消耗上行資源太多，對上行數(shù)據(jù)傳輸造成的影響較大。

圖8 上下行時隙分配比例對波束跟蹤方案資源占用率的影響

5 結(jié)論

波束跟蹤是毫米波通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)3GPP 協(xié)議規(guī)范，波束跟蹤可通過P2+P3、P2+U3、U2+P3 和U2+U3 4 種方式實現(xiàn)。本文對上述4 種方式的資源占用率和波束失敗概率進行了詳細分析。從分析結(jié)果來看，一般而言，通信系統(tǒng)的上行時隙占比往往較低，因此從資源占用率方面來看，P2+P3 方案具有較好的性能；然而U2+P3 方案由于其無需測量反饋過程，所以具有更低的波束失敗概率，在實際應用中，可根據(jù)通信系統(tǒng)的具體指標要求，選用合理的波束跟蹤方案。