5G大规模波束赋形技术综述

孙韶辉，高秋彬，苏 昕，李 辉

(电信科学技术研究院(大唐电信)无线移动通信国家重点实验室，北京100083)

0 引言

空间维度是无线通信系统提升系统性能的源泉。理论研究和实际应用都沿着扩展空间维度的方向进行。大规模波束赋形技术为进一步实现空间维度的拓展打下了基础，其可行性已经被实测和原理验证所确认。

ITU确定了5G的3个应用场景[1-2]：海量机器间通信场景(massive Machine Type Communications，mMTC)；增强型移动宽带场景(enhanced Mobile Broadband,eMBB)，包括高容量局域覆盖和连续大范围覆盖2个子场景；超高可靠低时延场景(Ultra Reliable and Low Latency Communications,URLLC)。ITU针对这3个场景共提出了8个关键性能指标，其中mMTC的重点在于网络连接密度和网络能量效率等指标，eMBB的重点在于频谱效率、用户体验速率和峰值速率等指标，传输时延指标则对 URLLC场景最为重要。先进的空口传输技术是满足8个关键性能指标的前提条件，主要包括了先进编码技术、大规模波束赋形、毫米波高频段通信和超密集组网等。其中大规模波束赋形通过大规模的天线阵列支持大量用户的空间复用，可实现频谱效率5～10倍的提升，是5G新空口(New Radio，NR)的核心技术。

5G NR的标准化分为2个阶段完成，Rel-15主要满足eMBB的指标要求，同时满足URLLC的基本指标要求，2017年12月完成非独立组网版本，2018年6月完成独立组网版本[3-7]。本文将结合最新的标准化进展对大规模波束赋形技术发展历史、关键技术和标准化方案进行介绍和分析。

1 大规模波束赋形技术发展历史

Bell实验室Marzetta教授在2010年发表的论文中提出，基站使用大规模天线阵列构成的大规模多天线系统可以大幅提高系统的频谱效率[8]，开创了大规模波束赋形技术理论。采用大规模天线阵列的多天线技术称为大规模多天线或大规模波束赋形。大规模波束赋形使信号的分布趋于空间白噪声，随着基站天线规模的增大，不同终端的信道之间相关性降低，逐渐接近于正交，热噪声以及小区间干扰将可以忽略，因此系统内可以同时服务的终端数量剧增，每个终端占用的发射功率可以任意小。研究结果证明，在20 MHz带宽的同频复用TDD系统中，若基站使用400根天线，每小区42个用户配对进行多用户MIMO(MU-MIMO)传输时，即使发送/接收只采用MRT/MRC，并且小区间无协作，单个小区的吞吐量也可达到1 800 Mbits/s[8]。大规模波束赋形获得巨大的增益可以从波束角度进行解释：在天线规模趋于无限大时，天线阵列形成的波束将变得非常窄，具有极高的赋形增益和方向选择性。这时，多个终端之间的多用户干扰将趋于无限小。

大规模波束赋形技术提出后，立刻受到产业界与学术界的密切关注。Bell实验室等研究机构和高校等引领学术界对大规模波束赋形的频谱效率、能量效率、传输和检测技术、信道状态信息(Channel State Information，CSI)获取等基本理论与技术问题进行了广泛探索。国内高校也较早开展了相关领域的研究工作，并在学术界获得了相当的影响力。

大规模波束赋形技术的验证工作受到学术界的重视。2011年Lund大学公开了一组分析结果[9]，该结果是基于信道实测数据完成的。该系统基站的天线阵列为128天线，终端为单天线。实测数据表明，当基站天线数目达到终端数目10倍以上时，即使采用线性预编码算法，也可达到98%的最优容量。该结果验证了当天线数量满足一定条件后，多用户的信道之间接近正交，在使用线性预编码算法时就可逼近最优容量;也证明了大规模波束赋形技术的可实现性。Rice大学、Yale大学与Bell实验室于2012年联合构建了64天线单元的验证系统(Argos)[10]，可以实现15个终端的多用户MIMO传输。分析实测数据得到的结果表明，该验证系统的总频谱效率达到了85 bps/Hz，并且在发射功率为SISO系统的1/64时就可以达到SISO系统6.7倍的频谱效率。

由于大规模波束赋形技术在发射功率利用效率、系统容量和频谱效率方面的显著优势，受到产业界的高度重视。随着研究的深入以及有源天线系统(Active Antenna System，AAS)与C-RAN结构的日渐成熟，产业界也着手推动多天线技术进一步向更高的维度扩展。

随着AAS技术的商业成熟，基带控制垂直域内天线端口与大规模阵列的实现成为可能。3GPP在Rel-12完成了三维空间信道建模的标准化，随后完成了对全维度MIMO(Full Dimension MIMO，FD-MIMO)技术的研究和标准化[11]。随着5G的来临，大规模波束赋形技术被认为是5G系统满足关键性能指标最重要的使能技术。因此，5G NR以增强型FD-MIMO技术为蓝本，于2017年完成了5G第一个版本中大规模波束赋形技术的标准化，开启了大规模波束赋形技术的大规模商用化进程。

2 大规模波束赋形关键技术

大规模波束赋形的关键技术研究主要包括以下几个方向。

2.1 信道建模

MIMO系统的性能非常依赖于系统天线阵列的形式以及传播环境的特性，对于大规模波束赋形也是如此。大规模波束赋形无线通信环境下，特别是基站侧配置大规模阵列天线的情况下，MIMO信道的空间分辨率显著增强，信道是否存在新的特性，需要探讨。理想化模型中不考虑互耦和相关性。在此前提下，系统中增加的天线单元将为系统带来额外的自由度[8]。而实际系统中，天线单元很难做到理想，它们通常间距较小，传播环境中可能也缺乏足够多的散射体，上述因素都将影响大规模波束赋形的自由度。

文献[12]提出了一种户外大规模波束赋形信道测量模型，该模型通过对Ricean K-factor、相关天线的接收功率以及信道增益的分析，认为接收信号的统计特性对大规模阵列有巨大作用。文献[13]提出了一种基于112根天线的户外信道测量模型，通过对真实信道模拟的独立和可分辨的信道向量性能预测以及信道向量在不同位置下的相关因子的分析研究，得到了在测量信道下与理论分析性能相近的结果。

大规模波束赋形信道建模还应考虑信道的三维特性以及应用场景和用户分布的三维特性，3GPP已经在WINNER等组织的研究结果基础上完成了信道建模的标准化工作。此外，由于大规模波束赋形应用的频段较高，针对目标应用频段的传播、天线阵列、应用场景模型以及器件与天线阵列设计和相应的传输、接收、协作、反馈机制有待进一步研究。

2.2 传输/接收方案

大规模波束赋形的复杂度对系统实现提出了更为苛刻的要求。天线阵列的规模对大规模波束赋形系统的性能影响非常大，而且传输方案不同对天线阵列规模的要求也不同。例如，在阵列规模相同的条件下，ZF/MMSE收发技术的性能要优于低复杂度的MRC/MRT技术。但是，由于并发支持的用户数多，ZF/MMSE会给系统带来很高的实现复杂度。

2.3 反馈方案

考虑到阵列的尺寸，大规模波束赋形技术更适合在高频段使用。高频段内较难找到FDD系统所需的成对频谱，因此大规模波束赋形技术的引入，更有利于TDD技术在无线通信系统中的应用。学术界的研究普遍基于理想化的互易性信道，实际上这其中信道状态信息的测量精度、天线校准、终端发射/接收射频单元数量不对等问题都需要更进一步研究。

2.4 广播/控制信道设计

采用大规模波束赋形技术后，业务信道的传输得益于天线规模的增加，而对于广播/控制等公共信道而言，大规模阵列不便于在保持理想功放功率利用率的前提下形成具有较宽波瓣的扇区覆盖，因此需要研究大规模波束赋形条件下的公共信号/信道设计问题。

2.5 参考信号设计

导频资源是大规模波束赋形系统中一个重要且有限的资源。在资源受限的多小区场景中，小区之间往往需要复用导频传输的资源。复用资源带来的导频污染是大规模波束赋形系统中影响性能的瓶颈，因此需要研究导频资源分配方法以及灵活导频信号的传输机制。存在导频污染时，准确的信道估计显得非常重要。为了有效对抗干扰，需要研究更有效的信道与干扰估计方法以及网络侧辅助机制，以保证系统性能。

2.6 天线阵列设计

由于天线阵元的大幅度增加，考虑到天线尺寸、安装和工程实施的难度，传统的线性阵列不再适用，需要将之扩展到平面/曲面上。在目前典型的工作频段(1.8/2.5 GHz),以0.5倍波长天线间隔为例，100个天线仍然需要大约0.5 m2的尺寸。所以只有在较高频段(>5 GHz)上使用该技术才更有可能承载较多天线数目，从而充分挖掘大规模波束赋形系统的增益。

对于基于互易性的反馈方式而言，校准问题显得尤为重要。在大规模波束赋形阵列中，部分通道或阵子可能会发生故障。因此大规模波束赋形系统应当具有相应的检测与容错设计机制以保证大规模传输的可靠性。阵列的校准、监测及容错方案设计可以借鉴有源相控阵雷达系统中的一些成熟方案。

天线阵列的模块化设计方案十分有利于大规模波束赋形系统的维护以及功能扩展，因此高度模块化将成为大规模波束赋形阵列发展的一个重要方向。随着阵列规模的增加，天线系统与地面设备之间的功能划分与接口定义将需要进一步的研究。如果沿用目前的接口方式将主要的基带处理功能放置在天线系统之外(又称Thin天线)，则天线系统与负责基带处理的基站或网络中的集中式处理中心之间将存在巨大的数据汇聚与交互负担，其数据量需求将远远超过现有的CPRI等接口所能支持的范围。如果将包括赋形向量计算等主要的基带处理功能都集成在天线系统之内(即Fat天线)，则上述接口的负担将大大减轻。

3 大规模波束赋形技术的标准化方案

NR的大规模波束赋形技术是基于Rel-14的增强型FD-MIMO技术进一步演化升级而成。本节对大规模波束赋形技术的传输机制、信道状态信息获取机制、协作机制、参考信号设计以及波束管理的标准设计进行介绍。

3.1 多天线传输方案

大规模波束赋形技术的原理在于[8,14]，阵列规模的扩展将增强多用户信道之间正交性，并逐渐压制多用户干扰到可以忽略的程度，从而实现高阶MU-MIMO传输，大幅度提升频谱效率。5G NR最多支持12个解调导频(Demodulation Reference Signal，DMRS)端口，从而可以支持12层的MU-MIMO传输。实际上，NR可以通过准正交的方式支持更多并行数据流。

按照DMRS的预编码方式，可以将传输方案分成2类：

① 非透明方案：DMRS和数据的预编码之间没有约束，终端需知道预编码矩阵才能解调。此类方案不能使用与空间信道最优匹配的预编码矩阵，预编码矩阵的选择受限，不能获得最大波束赋形增益。LTE的发射分集即属于此类方案。

② 透明方案：用相同的预编码矩阵对DMRS和数据进行预编码，DMRS所经历的等效信道与数据相同，因此终端不需要获知基站所使用的预编码矩阵。此类方案可以更加灵活地选择DMRS和数据所使用的预编码矩阵，不受码本限制，可以获得最佳的波束赋形效果。

按照预编码矩阵与信道信息之间关系可以将传输方案分成2类：

① 闭环方案：基站选择与空间信道最匹配的预编码矩阵(波束)向终端发送数据。最佳预编码矩阵由终端反馈或者基站根据信道互易性测量得到。但在高速移动场景中，终端的测量反馈不能跟踪上快速变化的信道，导致传输性能下降。

② 开环/半开环方案：基站不限于仅仅使用与空间信道最匹配的预编码矩阵。如图1所示，为降低移动速度的影响，基站在多个不同资源上交替使用多个波束(波束集合)为终端传输数据，避免了单个波束方向不准确所可能带来的系统性能严重下降。

图1 闭环传输方案以及半开环传输方案

非透明传输方案本身受到标准的限制比较多，不利于设备厂商对传输方案的优化设计，并且性能相对于透明方案没有明显优势，因此NR仅支持透明下行传输方案。闭环方案是NR设计的主要目标，同时NR还以非标准化的方式支持半开环方案。

3.2 信道状态信息(CSI)反馈机制

3.2.1 反馈框架设计

NR的CSI反馈框架设计汲取了LTE设计的经验和教训，主要体现在测量和CSI反馈的解耦，传输方案和CSI反馈的解耦。在反馈框架之内，测量和反馈所需要的参数由信令分别配置，并且可以灵活配置测量与反馈之间的连接关系。传输方案与CSI反馈解耦是指终端所反馈的CSI内容由单独的信令配置，不受传输方案的影响。同时为了支持毫米波频段，波束测量和反馈也被纳入到CSI反馈框架中统一考虑。

3.2.2 高精度CSI反馈

大规模波束赋形的MU-MIMO传输除了要形成指向目标用户的精准波束外，还要在其他用户所在位置形成“零陷”，因此对于CSI的精度有很高要求。获取精确的CSI是标准化设计的一个关键问题。面向不同的需求，NR设计了2种分辨率的码本，即普通空间分辨率的Type I码本与高空间分辨率的Type II码本。Type I码本主要为SU-MIMO设计，且可以在复杂度与开销受限时支持MU-MIMO。Type II码本则以复杂度和开销为代价，支持高频谱效率的MU-MIMO传输。Type I 码本为多颗粒度码本结构，即预编码矩阵可以写成2个矩阵的乘积：

W=W1W2，

式中，W1为分块对角矩阵，对角线上的矩阵由DFT向量构成，代表信道的长时宽带特性；W2由列选择向量组成，作用是从W1中选择对应的列向量，并对2组极化方向的天线做整体的相位调整。

Type II码本针对MU-MIMO场景进行设计，同样采用两极码本结构，并基于波束线性合并的原理构造预编码矩阵，预编码矩阵同样分解为2个矩阵的乘积：

W=W1W2，

式中，W1表示第一级码本，包括由多个正交DFT向量构成的波束；W2表示第二级码本，用于对W1中的多个波束进行线性合并。图2给出了波束线性合并的工作原理。从8个候选DFT向量构成的波束集合中，选择4个波束构成W1，表示为：

式中，W1为块对角阵，2个对角块分别对应天线阵列的2个极化方向，且2个极化方向使用完全相同的波束。W2中的线性合并系数包括幅度系数和相位系数，用于对每个波束进行幅度调整和相位调整，对于秩为1的码本，W2可表示为：

W2=[1,a0,1ejφ0,1,a0,2ejφ0,2,a0,3ejφ0,3,a1,0ejφ1,0,a1,1ejφ1,1,a1,2ejφ1,2,a1,3ejφ1,3]T，

式中，包含一个常数系数1，无需反馈。这是为了降低反馈开销，而将线性合并系数相对于最大幅度系数进行了幅度和相位的归一。

图2 高精度码本的波束线性合并原理

根据以上的码本结构，需要反馈的码本参数主要包括W1中的波束指示、量化的幅度系数和相位系数。NR Rel-15系统中，Type II码本仅支持子带反馈方式，即每个子带反馈一组码本参数。当子带个数较多时，反馈开销巨大。为了降低子带反馈的开销，码本中的部分参数可以采用宽带反馈的方式。因此，在Rel-15中，将幅度系数拆分为宽带幅度系数与子带幅度系数的差分方式。其中，宽带幅度系数在所有子带上相同，而子带幅度系数作为宽带幅度系数的差分系数，在每个子带独立计算，且使用更少的比特数进行量化。基站可以根据反馈开销，选择配置仅反馈宽带幅度系数，或者同时反馈宽带幅度系数和子带幅度系数。

尽管Rel-15的Type II码本进行了降低开销的设计，但反馈开销仍十分巨大，且随着秩取值的增加而近线性增加。以秩为2的码本为例，配置4个合并波束及10个子带CSI反馈时，其开销已超过500 bit。所以，Rel-15版本仅支持最大秩为2的Type II码本。Type II码本的反馈开销主要由多个子带的线性合并系数引入。考虑到各个子带信道之间具有一定的相关性，其线性合并系数之间也存在一定的相关性。通过对多个子带系数进行频域压缩去除相关性的方式，既显著减少反馈系数，也可以保证码本的性能。基于此原理设计的频域压缩的Type II码本，一个层全部子带的码本结构表示为：

式中，W1包含L个正交波束，L由基站配置。Wf包含M个频域基向量，此M个基向量从频域基向量集合中选择用于子带系数压缩，M也由基站配置。频域基向量集合采用正交DFT向量构成，其中每个基向量的长度等于系统配置的子带个数。因此，Wf可以表示为：

Wf=[f0,f1,…,fM-1]，

3.2.3 基于信道互易性的反馈方案

信道互易性与大规模波束赋形技术结合将赋予TDD系统更大的技术优势。信道互易性只对信道部分成立，干扰相关的信息仍然需要终端测量和反馈。为此，NR设计了No-PMI反馈机制，使基站能获得包括干扰在内的完整信道信息。图3给出了No-PMI反馈的工作过程。终端首先发送探测参考信号(Sounding Reference Signal，SRS)，基站根据信道互易性计算出下行信道状态信息参考信号(Channel State Information Reference Signal,CSI-RS)的赋形向量W，例如通过对信道矩阵进行奇异值分解得到该赋形向量。基站用得到的赋形向量对CSI-RS进行波束赋形传输。CSI-RS的每个端口对应一个数据流。CSI-RS端口所经历的等效信道实际上代表了数据传输时每个数据流所经过的等效信道。终端只需要对配置的参考信号进行测量，计算最优的流数和信道质量信息(Channel Quality Information，CQI)，并反馈给基站。获得流数和CQI之后，基站使用相对应的CSI-RS端口波束发送数据。

图3 No-PMI反馈机制及应用

3.3 参考信号设计

NR的设计尽量避免了持续发送的参考信号，目的是降低功耗和保证前向兼容性。NR几乎所有参考信号的资源位置、具体功能和传输带宽等都可以由网络灵活配置。

3.3.1 CSI-RS

NR支持2类CSI-RS：Beamformed CSI-RS (BF-CSI-RS)和Non-precoded CSI-RS (NP-CSI-RS)，如图4所示。基站用宽波束赋形传输NP-CSI-RS，覆盖整个小区的角度范围。NP-CSI-RS由于是宽波束传输，可以在用户之间共享。NP-CSI-RS可以设置较大的天线端口数。Type II码本结合NP-CSI-RS可以支持MU-MIMO的高性能传输。BF-CSI-RS的波束为窄波束，终端之间较难共享相同参考信号，其开销和用户数呈正比。波束测量反馈和non-PMI反馈等基于BF-CSI-RS来实现。实际中，BF-CSI-RS和NP-CSI-RS可以结合使用。例如，NP-CSI-RS配置为周期性传输，用于提供粗略的信道状态信息，结合按需触发的非周期BF-CSI-RS提供准确及时的信道信息，可以达到系统开销和性能之间的折中。

图4 CSI-RS传输方式

3.3.2 解调参考信号

NR系统上行和下行采用相同的DMRS设计。为适应不同的场景，NR DMRS设计了2个类型，即类型I和II。类型I的DMRS为梳状结构，通过码分复用和频分复用在一个DMRS符号内映射4个端口。类型II的DMRS为连续结构，一个DMRS符号的子载波分为3组，一组内的2个子载波相邻，作为基本单位，一组映射2个端口，通过码分复用和频分复用在一个DMRS符号内映射6个端口。

DMRS的设计主要遵循以下原则：

① DMRS导频前置：NR的DMRS采用前置设计以降低时延。所谓前置设计是指DMRS的位置在时间上尽可能靠前。前置DMRS使得接收端的解码开始时间可以尽量提前，有利于接收端尽早完成解码。

② 附加DMRS： NR需要支持最高达500 km/h的高速移动场景。单一的一套DMRS设计无法高效地满足不同移动速度场景的解调要求。因此NR在前置DMRS之外，根据移动速度，还可以额外配置1～3个附加DMRS符号，以满足对不同速度时信道估计要求。

③ 上下行对称：因为NR双工配置的灵活性，NR系统内不同小区的上下行传输可能发生在相同的频率和时间，从而会产生明显的交叉链路干扰。这种情况下，上下行对称设计的DMRS将利于估计并抑制交叉链路干扰。同时，在上行链路中应用OFDM波形也为对称设计创造了条件。

3.4 协作方案

为了改善小区边缘的覆盖，在服务区内提供更为均衡的服务质量，多点协作在NR系统中仍然是一种重要的技术手段。考虑到NR系统的部署条件、频段及天线形态，多点协作传输技术在NR系统中的应用具有更显著的现实意义。

从网络形态角度考虑，以大量分布式接入点+基带集中处理的方式进行网络部署将更加有利于提供均衡的用户体验速率，并且显著降低越区切换带来的时延和信令开销。随着频段的升高，从保证网络覆盖的角度出发，也需要相对密集的接入点部署。而在高频段，随着有源天线设备集成度的提高，将更加倾向于采用模块化的有源天线阵列。每个传输接收点(Transmission Reception Point ，TRP)的天线阵可以被分为若干相对独立的天线子阵或面板panel，因此整个阵面的形态和端口数都可以随部署场景与业务需求进行灵活调整。而TRP/panel之间也可以由光纤连接，进行更为灵活的分布式部署。在毫米波波段，随着波长的减小，人体或车辆等障碍物所产生的阻挡效应将更为显著。这种情况下，从保障链路连接鲁棒性的角度出发，利用多个TRP或panel之间的协作，从多个角度的多个波束进行传输/接收，从而降低阻挡效应带来的不利影响。

根据发送信号流到多个TRP/panel上的映射关系，多点协作传输技术大致分为相干和非相干传输。相干传输时，每个数据层会通过加权向量映射到参与协作的多个TRP/panel之上。如果各个TRP/panel的信道大尺度参数相同，而且使用了相同的频率源，那么相干传输等效于将多个子阵拼接成为更高维度的虚拟大规模阵列，从而获得更高的赋形/预编码/复用增益。但是，在实际部署环境中，这种方式对于传输点之间的同步以及回程链路的传输能力有更高的要求，对很多非理想因素都较为敏感。

参与协作的多个传输点之间经常会存在频偏和定时偏差。终端接收时无论从哪个传输点获取大尺度信道参数，也无法同时匹配来自其他传输点的信道。而且随着载频的升高，该问题会变得更加严重。

从调度和资源分配的角度考虑，来自多个传输点的信道条件相对独立，如果单独从2个传输点确定调度资源，其选择可能会有很大的差别。而相干传输时，如果多个传输点使用相同的资源，会降低系统的频率选择性调度增益。

使用相干传输时，为了保证赋形的精度，要求各通道的幅度相位特性一致。但是这一要求对于天线拉远的分布式部署方式而言，存在很多现实的困难。

使用多个传输点的阵列进行联合赋形时，数据的发送与接收都需要经过回程链路的汇集并集中处理，因而对回程链路的传输能力要求较高。

相对而言，非相干联合传输(Non-coherent Joint Transmission，NC-JT)受上述因素影响较小，因此是NR多点传输技术的重点考虑方案。所谓非相干传输，是指每个数据流只映射到一个TRP/panel所对应的天线上传输，不同的数据流可以被映射到TRP/panel传输，而不需要将所有的协作点统一作为一个虚拟阵列并对每个层都进行联合赋形。

非相干传输包括单个物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel ，PDCCH)调度单个物理下行共享信道(Physical Downlink Shared Channel，PDSCH)和多个PDCCH各调度一个PDSCH两种实现形式。

当多个传输点的信道大尺度参数存在差异时，从提升频率选择性调度增益的角度考虑，应当为来自不同TRP/panel的链路分配不同的时频资源。依照单点传输的PDSCH结构及相关控制信令，还无法支持不同层/码字使用不同资源的调度方式。针对此问题，NR将引入可以通过多个独立的PDSCH向同一个用户发送数据的NC-JT方式。上述问题与控制信道的设计也有密切的关联。如果由一个PDCCH调度多个PDSCH，需要考虑额外的控制信令设计。如果由多个PDCCH分别调度不同的PDSCH，则需要终端同时检测多个PDCCH，从而增加了终端的实现复杂度。此外，基于多个TRP/panel发送PDCCH的方式，以及相应的上报机制也是需要考虑的。

对于单PDSCH的NC-JT传输，需要考虑如何从信道大尺度参数有明显差异的多个传输点发送DMRS的方式问题。

除了eMBB业务之外，多点协作传输技术也有利于URLLC业务传输可靠性与传输效能的提升。在高频段部署中，多点协作传输对于克服阻挡效应有着显著的效果。针对进一步增强URLLC传输技术的需求，研究了利用多个协作点在空间、频率及时间资源上，通过数据的冗余传输提高可靠性的方案。对于某些对时延较为敏感的业务，可以通过空域重复传输或微时隙级别的时域重复传输等手段，在确保时延需求的前提下，改善传输可靠性。

3.5 波束管理与波束失效恢复

3.5.1 波束管理

毫米波频段是5G工作的目标频段之一，但是无线信号的传播特性导致毫米波频段的传输损耗要远高于传统的移动通信频段(6 GHz以下)，大规模波束赋形技术是补偿毫米波频段传输损耗的必要技术。

数字波束赋形对天线的相位和幅度的调整都在基带完成，波束赋形的灵活度最高，赋形增益最大。但是对于毫米波频段，过高的功耗和成本都阻碍了数字波束赋形技术的实际应用。模拟波束赋形技术通过在射频或者中频调整天线的相位和幅度，减少了模数和数模转换等器件的数量，从而有效降低了成本和功耗，在毫米波频段更具有实用性。模拟波束赋形的问题在于波束的调整不够灵活，在全带宽内只能形成一个波束，限制了用户间的资源复用，同时也难以支持空分复用传输。混合波束赋形结合数字和模拟波束赋形各自的优势，可以在灵活度与成本功耗之间自由取舍，是5G毫米波频段波束赋形技术的主要实现形式。NR设计了一套统一的机制，同时支持这3种波束赋形技术，这一套机制即为波束管理过程。

如图5所示，对于基站用一个特定波束发送的信号，终端需用与之匹配的波束接收才能达到满意的接收质量。接收波束和发送波束之间需要建立一定的匹配关系。

下行波束管理过程分为3类：

① P-1过程：通过该过程，基站获得合适的发送波束的同时，终端也获得匹配的接收波束。该过程一般要在基站和终端同时进行波束扫描完成。P-1过程可用于基站和终端在连接建立过程中获得初始的发送和接收波束。

② P-2过程：该过程中终端固定接收波束，基站以波束扫描的方式发送参考信号，终端通过对参考信号的测量选择合适的发送波束。P-2过程用于对发送波束的精细调整。

③ P-3过程：该过程中基站的发送波束固定，以固定的波束发送重复的参考信号，终端通过测量选择更优的接收波束。P-3过程为接收波束的精细调整过程。

下行波束管理过程包括波束测量、波束上报和波束指示过程。波束测量是指终端对基站以波束扫描方式发送的参考信号进行测量的过程。一方面，通过比较不同的参考信号(代表不同的波束)的接收质量，终端得到基站的最佳发送波束。另一方面，终端在该过程中也会找到与最佳发送波束匹配的接收波束，用于将来的数据接收。波束上报过程是指终端将选择出的最佳发送波束的标识信息上报给基站。NR允许终端上报多个最佳发送波束，以便给予网络一定的调度灵活度。波束指示过程是指在数据传输过程中，基站将发送波束相关的信息指示给终端，令终端可以设置合适的接收波束。终端采用模拟赋形接收的话，波束指示需要在终端接收数据之间完成，也就是说终端要在数据采样接收开始之前设置好接收波束。这是和数字波束赋形的一个重要区别，数字波束赋形接收的终端先将数据采样缓存下来，再优化搜索最优的接收波束，而无需波束指示过程。

上行波束管理过程和下行类似，包括U-1,U-2,U-3过程，分别对应于P-1,P-2,P-3过程。

图5 发送波束和接收波束匹配

3.5.2 波束失效恢复

毫米波频段信道的快速动态变化会导致通信的临时中断，例如终端方位角度发生变化，或者遮挡物突然出现等。4G系统通过无线链路监测过程(Radio Link Monitoring，RLM)对链路的质量进行监测，在链路质量恶化达到一定程度之后发起重建过程，恢复连接。这一过程总体耗时较长，对于链路质量对环境非常敏感的毫米波频段，经常性长时间的中断会严重影响通信的质量和体验。毫米波频段通信由于波束定向传输的特点，在链路被遮挡时往往存在其他波束，仍然能够正常通信。为此，NR针对性地设计了波束失效恢复(Beam Failure Recovery)机制，用于在工作波束的质量恶化时快速找到可用的替换波束，并恢复链路的正常通信。波速失效恢复的完整过程包括波束失效检测、新波束检测、请求发送和响应等4个步骤。

① 波束失效检测：目的是判断当前控制信道所用的波束是否能满足通信所需的质量要求，若不能则认为发生波束失效事件。检测控制信道波束的原因在于数据信道波束失效的情况下，通过控制信令即可以为终端配置和更新数据信道的发送波束，不需经过相对耗时更长的波束失效恢复过程。

② 新波束检测：终端测量并获取新的可用波束的过程。在波束失效事件发生后，检测到的新波束将用于替换原来的工作波束。

③ 波束失效恢复请求发送：如果波束失效检测过程中判断发生了波束失效事件，终端将在基站配置的专用资源上发送波束失效恢复请求，报告基站发生了波束失效事件，同时该请求中还将携带新波束的标识信息。

④ 响应：请求发送之后，终端在基站配置的时间窗内检测基站用新波束发送的控制信息。如果能成功检测到一条控制信息，则认为基站成功接收到了终端发出的请求。基站在后续可以配置触发终端进行波束测量和上报，并对控制信道的发送波束进行重新配置。控制信道的波束重新配置完成之后，波束失效恢复过程结束。

4 结束语

大规模波束赋形技术作为5G的核心技术，在3GPP Rel-15完成了基本特性的标准化，Rel-16继续有针对性地进行增强，增强主要体现在以下几个方面：

(1) 多TRP /panel协作传输

NR Rel-15在早期开展了多TRP/Panel协作传输方案的研究，但由于时间原因没有完成标准化，仅完成了基本传输方案的标准化。作为一项提升小区边缘用户体验的有效技术，NR Rel-16将在Rel-15研究的基础上完成NC-JT完整方案的标准化，包括传输方案、CSI反馈和下行控制信令等方面。

(2) CSI反馈增强

CSI反馈是MIMO技术发展中的重要议题。NR Rel-15设计了高精度和低精度两种码本，反馈开销和终端复杂度均不同。高精度反馈以两级CSI反馈为框架，通过多个DFT波束的合并获得高精度的CSI。Rel-16将进一步扩展现有框架，一方面探索将高精度CSI反馈扩展到更高阶的可能性；另一方面研究Type II反馈的开销压缩方案，增强实用性。

(3) 波束管理

NR Rel-15对下行波束管理过程进行了较为完善的设计，对上行数据信道、上行控制信道和上行SRS的支持则相对欠缺。由于终端发射功率的限制，上行链路成为毫米波频段5G网络性能的瓶颈。高效可靠的上行波束管理是提升用户体验的重点，研究内容包括时延和开销更优化的上行波束管理机制以及上行控制信道、PARCH信道和SRS波束指示方案的增强。