毫米波通信中的波束管理標準化現狀和發展趨勢

邵詩佳 楊 立 高 波

1 中興通訊股份有限公司 廣東 深圳 518057

2 移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室 廣東 深圳 518057

引言

第三代合作伙伴項目(3GPP)于2018年9月正式凍結第一版5G國際標準(Rel-15 版本)[1]。之后在此基礎上又進行了全面增強，完成了Rel-16版本并在2020年6月正式凍結。5G NR系統與4G LTE的一個關鍵區別是高頻毫米波在不同網絡部署場景的應用[2-3]。所謂毫米波其實指的是5G系統工作的頻段，3GPP在5G無線規范中定義了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，更復雜的反射和衍射性能等[3]，可以通過部署大規模天線陣列實現高波束賦形增益，從而補償損耗，保證系統服務覆蓋。對于全數字波束賦形的天線陣列，每根天線都要有獨立的數字鏈路通道，考慮到硬件成本、功耗和標準化復雜性等方面，完全利用全數字波束賦形技術是不現實的[4]。因此，5G NR中支持模擬—數字混合波束賦形方式。

5G NR通過大規模天線實現窄波束指向用戶，可有效地利用多用戶MU-MIMO實現空間復用。此外，利用二維天線陣列還可在方位角和俯仰角域進行波束賦形，實現更多用戶的空間分離。文獻[5-7]對5G毫米波的波束管理技術進行了概述。其中，文獻[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節描述。文獻[5]提供了關于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目前還沒有關于波束管理方案的系統性介紹[8]，因此本文將重點在這方面進行描述。

1 波束管理流程

本節將系統介紹5G NR MIMO標準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)維護和波束恢復，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)聯合收發波束掃描(P1)：基站和UE都進行波束掃描；2)發送波束掃描(P2)：僅基站進行波束掃描；3)接收波束掃描(P3)：僅UE進行波束掃描。

對于下行波束管理，假設TRP(基站)側有N個發射波束，UE側有M個接收波束。對于P1，每個發射波束從TRP側發送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側的N個發射波束，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進行轉換。

1.2 波束測量

對于上行傳輸而言，基站側通過測量上行參考信號(例如SRS)，得到相應的上行波束質量。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)得到相應的下行波束質量。由于UE側配置的天線數量遠小于基站側，UE側的波束寬度通常會更寬。因此，UE側同一個接收波束，可同時接收多個基站側的發送波束。當UE支持多個天線面板或者多個射頻通路的情況下，同時接收多個發送波束的能力可用于支持高秩數據傳輸。

1.3 波束上報

經過波束掃描和測量后，UE通過上行資源進行波束相關信息的上報，上報內容包括下行波束的索引信息和相應的信道質量。如果UE被指示為波束分組上報，UE將以波束組為單位進行上報。

基于分組的報告方案主要服務于下行多波束同時傳輸數據的場景。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)狀態的傳輸，和multi-DCI方案下觸發多個PDSCH傳輸的情況。

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一步標準化。UE可以報告N≥1組波束，每組內包含M＞1個波束，每組內的不同波束可以被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推薦的下行發送波束。然而，考慮到多用戶傳輸、干擾協調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哪些波束用于數據傳輸。

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

PDSCH波束多層聯合指示流程分為3步，具體流程如下：

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

2)MAC-CE在上述TCI狀態中，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別在于：基站完成上行發送波束、上行接收波束或者收發波束對的測量后，無需將測量結果通知給UE。在后續的上行傳輸過程中，基站直接為UE配置上行發送波束。

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，為了統一上下行波束的指示方法，實現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可對上行和下行發送波束分別指示，或通過一次指示同時更新上行和下行發送波束。

1.5 波束維護

波束維護(包括波束跟蹤和細化)用于解決UE移動而引起的波束失準問題，并支持從寬波束到窄波束的波束細化過程。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傳輸波束的變化。此外，波束細化可基于從P-1選擇的寬波束，在選定的寬波束角度范圍內進一步配置多個信號資源，以進行更精細的波束搜索掃描。

1.6 波束恢復

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，也將導致收發端的波束不對齊，如果波束不能及時調整，就會產生波束失效的問題。

面向主服務小區PCell的波束失效問題，Rel-15引入了UE端主動進行波束失敗上報的流程。通過檢測PCell所關聯的參考信號的BLER/RSRP性能，當它比預設波束失效門限更差，UE將認定該波束失效。如果發現了新的可選波束性能優于門限時，將會觸發波束失敗恢復流程。為了加速波束失敗恢復流程和確保波束恢復信息傳輸的魯棒性，非競爭物理隨機接入信道(PRACH)被用于承載波束失敗恢復請求消息。當基站接收到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送下行控制信令，作為基站的響應。

Rel-16還對輔服務小區SCell下的波束恢復方案進行了增強。其流程與上文描述的PCell波束失敗恢復流程區別在于，波束恢復請求消息通過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波束失敗恢復允許UE端在未發現新的可選波束的情況下，執行SCell波束恢復請求上報，此時UE可上報一個未發現任何可用波束的標識。

2 5G-Advanced波束管理未來發展趨勢

5G-Advanced波束管理增強需面向灰度擴展的更多應用場景和用例，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、提升用戶小微數據包無損傳輸且省電節能的通信體驗[11]，以及面向垂直行業網絡端到端切片化增強[12]、面向空天地一體化衛星覆蓋增強[13]等。為了支持上述應用場景，波束管理增強變得更加重要。本章節將闡述波束管理增強的若干關鍵技術，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多面板同時發送(STxMP)

天線面板是標準中描述天線子陣列或天線波束成形模塊的通用術語。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，傳輸的靈活性被大幅度限制，然而在多傳輸節點(Multiple Transmission and Reception Point，multi-TRP)場景下的同時傳輸是重要應用要求。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。為了實現面向下行多面板的多波束同時傳輸的增強，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，后續還會對PDCCH、PUSCH以及PUCCH的多波束同時傳輸進行標準化增強。

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仍然可以順利解調出DCI以進行PDSCH接收或者PUSCH發送。為了UE能夠識別出兩個DCI是重復發送的，對相應的PDCCH建立關聯關系。

為了獲得波束分集增益，還會考慮支持PUSCH重復傳輸和波束分集。如圖5(a)圖所示，基于S-DCI的結構，多個PUSCH面向不同TRP重復發送。為了解決UE到兩個TRP的信道條件不同的問題，Rel-17對PUSCH傳輸預編碼矩陣指示(Transmit Precoding Matrix Indicator，TPMI)的指示進行標準化，同意使用兩個TPMI域分別指示PDSCH的傳輸層數以及與編碼信息，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的結構，2個DCI分別調度同一個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的能力，PUSCH0和PUSCH1頻分復用傳輸也將作為Rel-18后續的增強點。

與PUSCH重復傳輸類似，關于PUCCH的增強同樣可考慮重復傳輸和波束分集。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系統中，UE端可以報告N個發送波束(或者M組發送波束)相應的L1-RSRP測量結果。根據波束測量報告，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據傳輸。但從數據傳輸的角度看，因為RSRP只能表示對應的接收功率，而不考慮干擾和噪聲的影響，所以這種基于RSRP的選擇準則可能并不能真實反映選擇波束的實際信道質量。尤其是在支持分組上報的場景中，UE僅根據RSRP值選擇最優的一組進行上報，并沒有考慮到多波束同時傳輸的場景下，波束間的干擾問題，這可能會導致上報的波束組由于波束間的相互干擾導致傳輸性能大打折扣。因此在后續版本中會進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，關于干擾和干擾波束指示信息尚未標準化，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行其他波束的干擾測量。例如在配置了一個資源設置(Resource Setting)的情況下，UE需要知道用于信道質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聯情況。

2.3 基于人工智能(AI)的波束管理增強

基于機器學習的人工智能(AI)算法在整個通信領域已引起了非常廣泛的關注，而且已出現將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算法可以應用到如下兩個領域。

波束訓練[14-15]：考慮到毫米波信道的稀疏特性[14]，可用于傳輸的波束對數量遠遠少于候選波束對的總數，因此使用機器學習完成大規模波束訓練是必然趨勢。此外，當在密集毫米波網絡下執行多用戶波束管理時，系統需要有效平衡各種性能指標(例如，平均吞吐率、邊緣用戶吞吐率、小區內以及小區間的干擾消除和協同)。基于深度學習的波束管理可成為降低無線資源管理問題復雜度的有力工具。

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量和范圍是非常重要的。可以通過AI算法對實時收集UE的移動行為進行訓練，獲取相應的波束切換。

在3GPP標準中對基于AI的波束管理的標準化支持主要是為了定義信令框架，以便實現基于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間的新波束發現與切換，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UE駛離當前連接的TRP時，路徑損耗和波束變化將影響TRP和UE之間的信道質量。本文將RSRP(參考信號接收功率)用作信道質量評估指標。RSRP的變化如圖6所示。

圖中虛線對應UE接收TRP1數據的RSRP。當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相應的RSRP逐漸增加并超過TRP1的RSRP。因此，為了保證通信質量，這時應由UE進行上報建議進行TRP切換。

在配置了M T R P 聯合傳輸場景，即U E 同時和TRP1、TRP2建立波束連接，UE可上報通知基站當前聯合傳輸的信道狀態以及各個TRP獨立傳輸的信道狀態，基站根據上報信息確定是否需要進行single-TRP和multi-TRP之間的切換。對于M-TRP聯合傳輸，如果協作的TRP歸屬于不同的小區，兩個TRP傳輸的PDSCH的QCL源需要分別對應來自于不同TRP的TRS或者CSIRS。對于TRP1和TRP2發送的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源對應的SSB默認是來自于服務小區的。如果需要將鄰小區的SSB當作TRS的QCL源，需要額外通知UE鄰小區的配置信息，例如物理小區ID或者其他配置信息。這也將是下一步標準化需要進一步考慮的重點。

針對MTRP場景的另一個重要研究方向就是關于波束失敗恢復的解決，Rel-15和Rel-16都是針對單TRP進行的波束失敗恢復，盡管在Rel-16中增加了SCell的波束失敗恢復流程，但還沒對多個TRP下的波束失敗恢復流程進行標準化，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現的備選波束集合，每個集合與波束失效檢測的參考信號集進行關聯；

3)波束恢復請求消息：針對MTRP場景下的請求信息上報，當只有一個TRP發生波束失效或者兩個TRP都在SCell上發生波束失效，可以借鑒Rel-16中引入的Scell上報方法，波束恢復請求消息通過PUCCHBFR+MAC-CE信令承載。當兩個TRP均在SCell上發生失效時，基于PRACH的波束恢復流程才會被觸發。

3 結論和展望

本文綜述了5G NR中支持波束管理和CSI獲取的標準化框架，并結合Rel-15和Rel-16版本演進，系統介紹了包括波束掃描、波束測量、波束報告、波束指示、波束維護和波束失效恢復的基本波束管理流程。本文還討論了高頻波束管理5G-Advanced演進的挑戰和未來發展趨勢，首先介紹了針對UE多面板配置的增強方向，包括對后續上下行信道的可靠性增強，鑒于下行數據信道的增強已經被納入Rel-16協議中，其他信道的增強也將會在后續版本進行討論；然后本文根據當前已支持的分組上報的波束管理方法，進一步考慮UE側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，隨著大規模波束訓練的需求，考慮到導頻開銷和硬件成本，引入AI的波束管理已經成為必然趨勢，針對這一場景本文給出可能的應用模式；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，對于未來的發展方向除了對目前技術的進一步補充完善，包括對多傳輸節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的更高要求，在較短的時間內完成對未來的預測或者通過更少的先驗信息獲得估計結果，這將是未來Rel-18的重要增強方向。