5G 系列文章：NR 波束管理

在5G NR中，massive MIMO已经成为一个大家熟知的关键技术，也已经应用到实体5G设备中，相信目前国内的5G工程师都已经“领教”过了，可是，你知道相较于LTE它给NR系统带来哪些差异吗？

首先也是最重要的是，传统的宽波束的小区覆盖基本上是不会使用的，小区中心、小区中间和小区边缘区域等概念在一定程度上已经消失，前几代蜂窝系统通常使用三个扇区120度宽的水平波束扇区覆盖，在下面的图中，红色的六边形是3个小区扇区覆盖范围。

宽波束的缺点是，如果想将信号以特定的方向传输到终端，没有办法直接朝向该终端进行传输，只能是整个小区波束内发射信号，就会将信号传输到小区所有范围内，这会影响链路预算并带来干扰，国内运营商所谓的重叠覆盖以及mod3干扰就是佐证。

在5G NR中，采用了基于波束的小区覆盖，增加了链路预算，克服了毫米波信道的缺点。换句话说，所有的数据传输和有用信号传输都是波束形成的(定向的)。下图展示了20束多MIMO系统。为了更好地理解，我们可以说多MIMO系统将发射20束不同的光束（20个强光手电）覆盖120度的小区扇区。例如，某运营商的AAU系统，它的128个天线阵子一起工作，形成32束，它的AAU系统是一个32的多MIMO系统。

在5G NR中，这些波束是通过模拟波束形成技术形成的，但对于数据传输，5G系统动态地使用模拟或数字或模拟与数字波束形成的组合称为混合波束形成技术。

由于小区覆盖是基于波束的，5G小区中的移动终端将基于波束实现同步、连接和报告。移动终端将只连接到一个单波束，在3GPP Release 15中不支持多波束连接。

5G NR 波束管理

波束管理其实就是一个包含一系列阶段的过程，比如：

(a)波束扫描

(b)波束测量

(c)波束的选择

(d)波束报告

(e)波束的失败恢复

下面分别进行介绍：

(a)波束扫描

波束扫描是一种在一定的间隔内将波束按预定的方向发射的技术。例如，移动终端附加过程的第一步是初始访问，即与系统同步并接收最小的系统信息广播。因此，一个“SS块”携带着PSS、SSS和PBCH，它将在5ms窗口内以预定的方向(波束)在时域内重复，这被称为SS突发，这个SS突发通常以20ms的周期重复。下图说明了这个概念。

可以理解的是，上述20束基于小区扇区覆盖图的示意图将不会有固定的带有参考信号和同步信号的波束，上图只是为了可视化。所以很明显，现在有些设备商的gNB将传输32个SSB定期扫描不同的预定义方向(波束)，SSB覆盖的方向在某一个SS突发间隔内只能是朝向一个预定义方向，下一个SS突发间隔内朝向另外一个预定义方向。SS突发集中预定义方向(波束/ SSB)的最大个数与频率有关，如3ghz的“4波束”，从3ghz到6ghz的“8波束”，以及从6ghz到52.6 GHz的“64波束”

(b)波束测量/(c)波束的选择

在空闲模式下，测量基于同步信号SS，在连接模式下，测量基于DL中的CSI-RS和UL中的SRS。CSI-RS测量窗口的配置，比如周期性、时间/频率偏移量是相对于相关的SS突发来进行配置的。利用SS和CSI-RS测量结果，需要周期性地寻找最佳波束。与SSB一样，CSI-RS也将使用波束扫描技术，考虑到覆盖所有预定义方向的开销，CSI-RS将基于活动移动终端的位置仅在那些预定义方向(波束)的内进行传输，。

UL中的SRS类似于LTE规范，移动终端根据gNB方向传输SRS, gNB通过测量SRS来确定最佳的UL波束。

DL波束是由移动终端决定的，其标准是接收到的波束的最大信号强度应超过预定义的阈值。

(d)波束报告

在空闲模式下，在移动终端选择一个SSB(波束)后，会有预先定义的相对于SSB块的一个或多个（包含时间和频率偏移、方向的）PRACH预定义方向集，这样移动终端就知道在哪个方向传输PRACH的preamble。这是一种移动终端通知gNB哪个是最好的波束的方法，意思就是你基站听好了，我要选择我接收到信号最强的5号波束进行传播，你注意在5号波束进行接收我的信息。这些PRACH相对于SSB的信息，gNB通过系统消息下发给移动终端，和波SSB之间存在一一映射。UE将在UL SSB中发送PRACH序言，对应于检测到最佳信号强度的DL SS块。

下图说明了在5G NR中初始访问期间Rx波束到Tx波束的映射。

在连接模式下，移动终端将使用控制信道提供反馈，当链路失效，无法使用CSI-RS恢复方向时，移动终端将尝试使用SS突发恢复链路。

(e)波束的失败恢复

当移动终端信道条件较差时，底层将其作为波束失效指示。移动终端将通过指示一个新的SS块或CSI-RS请求恢复，这将通过启动RACH过程来完成。gNB将在PDCCH上传输DL分配或UL授予，以结束波束故障恢复。