什么是5G中的波束管理
射频学堂 2023-06-09

波束管理是指gNBUE采用L1/L2过程来捕获并保持一组gNB/UE波束,用于上下行传送。

 

无论UE处于空闲模式下的初始接入阶段,还是处于连接模式下的数据传送阶段,都需要进行波束管理操作。比如:


  • 空闲状态下,UEgNB的扫描波束进行测量,实现初始接入;
  • 连接状态下,UE也可以对gNB的发送波束进行测量,实现波束的精细调整(refinement)

 

此外,UE也可以对同一个gNB的发送波束进行测量,以便在UE使用波束赋形的条件下进行UE发送波束的改变。值得注意的是,空闲状态和连接状态下波束测量所使用的参考信号不同。

 

波束管理具体包括波束扫描、波束测量、波束识别、波束上报和波束故障恢复等方面。


1.   波束扫描


波束扫描是指在特定周期或者时间段内,波束采用预先设定的方式进行发送和/或接收,以覆盖特定空间区域。


为了扩大波束赋形增益,通常采用高增益的方向性天线来形成较窄的波束宽度,而波束宽度窄容易产生覆盖不足的问题,尤其在3扇区配置的情况下。为了避免这个问题,可以在时域采用多个窄波束在覆盖区域内进行扫描,从而满足区域内的覆盖要求。



采用波束扫描技术,波束在预定义的方向上以固定的周期进行传送。例如,初始接入过程中,UE需要与系统进行同步并接收最小系统信息。因此,采用多个承载PSSSSSPBCHSSB块以固定周期进行扫描和发送。CSI-RS也可以采用波束扫描技术,但是如果要对所有预定义的波束方向进行覆盖的话,其开销太大,因此CSI-RS仅根据所服务的移动终端的位置,在预定义波束方向的特定子集中进行传送。



2.   波束测量


波束测量是指gNB或者UE对所接收到的赋形信号的质量和特性进行测量的过程。波束管理过程中,UE或者gNB通过相关测量识别最好波束。


空闲模式和连接模式下,上下行方向上相关的测量参考信号如表所示。



下行方向上,3GPP定义了基于L1-RSRP的波束测量上报过程,以支持波束选择和重选,该测量可以基于SSB或者分配给UECSI-RS。采用L1-RSRP的考虑是,为了进行快速的波束信息测量和上报,测量将基于L1进行,而不需要L3的滤波过程。传统的L3 RSRP由高层上报,而5G中的L1 RSRP直接在物理层报告,因此其可靠性和信道容量都比较重要。

 

空闲模式下,L1-RSRP测量基于SSB(即由PSS/SSS/PBCH组成的SS)进行。在5G NR下行帧中,SSB采用固定周期向UE进行发送,周期可以为5ms10 ms20ms40ms80ms或者160 msSSB采用波束扫描方式进行发送,UE可以对PBCH相关的DMRS进行测量,获取SSB相关的RSRPSINR等信息。


连接模式下,下行测量基于CSI-RSCSI-RS可以用作连接模式下移动管理相关的RRM测量。每个SS突发可以配置多个CSI-RS,由此UE可以先通过SS突发获取同步,然后采用SSB作参考来搜索CSI-RS资源。因此,CSI-RS测量窗口配置中应当包含至少与它相关的周期性和时间/频率偏移量。


上行方向上,测量则基于SRS进行。探测参考信号(SRS) 用于监测上行信道质量,由UE发送,gNB接收。UE可配置多个SRS用于进行波束管理,它们包含14OFDM符号,占用分配给UE的部分带宽进行传送。


3.   波束确定


gNB或者UE选择其所使用的Tx/Rx波束。


下行波束由UE来确定,其判决准则是波束的最大接收信号强度应大于特定的门限。


上行方向上,移动终端根据gNB的方向传送SRSgNBSRS进行测量以确定最好的上行波束。


如果gNB侧能够根据UE的下行波束测量结果来确定上行接收波束,或者gNB侧能够根据上行接收波束的测量结果来确定下行发送波束,则gNB侧可以认为Tx/Rx波束是一致的。


同样,如果UE侧能够根据UE的下行波束测量结果来确定上行发送波束,或者UE能够根据UE的上行波束测量结果来确定UE的下行接收波束,且gNB支持UE的波束一致性相关的特性指示信息,则UE侧可以认为Tx/Rx波束是一致的。


4.   波束报告


确定最好波束后,UE或者gNB将所选择的波束信息通知给对端。


另外,gNBUE侧还需要进行波束错误恢复等相关工作。




使用多波束操作时,由于波束宽度比较窄,波束故障很容易导致网络和终端之间的链路中断。当UE的信道质量较差时,底层将发送波束失败通知。UE将指示新的SS块或者CSI-RS,并通过新的RACH过程来进行波束恢复。gNB将在PDCCH上传送下行设定或者UL许可信息,来结束波束恢复过程。

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