第12章　波束管理

第 11 章一般性地讨论了多天线传输，然后重点介绍了多天线预编码。 讨论多天线预编码的一般假设是可以对不同的天线元件进行详细控制，包括相位调整和幅度缩放。 实际上，这需要在数模转换之前在数字域中执行发射机侧的多天线处理。 同样，接收机多天线处理必须在模数转换之后进行。 然而，在具有大量密集天线元件的较高频率操作的情况下，天线处理将宁愿在模拟域中进行，重点放在波束形成上。 由于模拟天线处理将以载波为基础进行，这也意味着波束成形传输一次只能在一个方向上进行。 因此，到相对于基站位于不同方向的不同设备的下行链路传输必须在时间上分开。 同样，在基于模拟的接收器侧波束形成的情况下，接收波束一次只能聚焦在一个方向上。 在这些条件下，波束管理的最终任务是建立并保持合适的波束对，即发射端波束方向和相应的接收端波束方向，共同提供良好的连通性。

如图 12.1 所示，最佳波束对可能不一定对应于物理上直接指向彼此的发射器和接收器波束。 由于周围环境中的障碍物，发射器和接收器之间的这种“直接”路径可能会被阻塞，而反射路径可能会提供更好的连接性，如图 12.1 的右侧部分所示。 对于在具有较少“拐角处”色散的较高频段中运行尤其如此。 光束管理功能必须能够处理这种情况，并且在这种情况下也能建立和保持合适的光束对。 图 12.1 说明了下行链路方向波束成形的情况，网络侧基于波束的传输和设备侧的基于波束的接收。 然而，波束成形至少与设备侧的基于波束的传输和网络侧的相应的基于波束的接收的上行链路传输方向相关。 在许多情况下，适合下行链路传输方向的发射器/接收器波束对也将是适合上行链路传输方向的波束对，反之亦然。 在 3GPP 中，这称为（下行链路/上行链路）波束对应。 在波束对应的情况下，在传输方向之一上明确地确定合适的波束对就足够了。 然后也可以在相反的传输方向上使用同一对。 由于波束管理不是为了跟踪快速和频率选择性的信道变化，波束对应不要求下行链路和上行链路传输发生在相同的载波频率上。 因此，波束对应的概念也适用于成对频谱中的 FDD 操作。 一般来说，波束管理可以分为不同的部分：

• 初始波束建立；
• 波束调整，主要补偿移动设备的移动和旋转，但也补偿环境的逐渐变化；
• 波束恢复以处理环境快速变化扰乱当前光束对的情况。

12.1　初始波束建立

初始波束建立包括在下行链路和上行链路传输方向上初始建立波束对的过程和功能，例如，当建立连接时。 正如将在第 16 章中更详细地描述的那样，在初始小区搜索期间，设备将获取从小区传输的所谓的 SS 块，并且有可能在不同的下行链路波束中依次传输多个 SS 块。 通过将每个这样的 SS 块（实际上是不同的下行链路波束）与相应的随机接入时机和前导码（见第 16.2.1.5 节）相关联，网络可以使用后续的上行链路随机接入传输来识别获取的下行链路波束 通过该设备，从而建立一个初始波束对。 当连接建立后通信继续时，设备可以假设到设备的网络传输将使用相同的空间滤波器完成，实际上是相同的发射器波束，如用于获取的 SS 块。 因此，该设备可以假定用于获取 SS 块的接收器波束将是也适用于接收后续下行链路传输的波束。 同样，后续的上行链路传输应该使用与随机接入传输相同的空间滤波器（相同的波束）来完成，这意味着网络可以假设在初始接入时建立的上行链路接收器波束将保持有效。

12.2　波束调整

一旦建立了初始波束对，由于移动设备的移动和旋转，需要定期重新评估发射器侧和接收器侧波束方向的选择。 此外，即使对于固定设备，环境中其他物体的移动也可能会阻挡或解除阻挡不同的光束对，这意味着可能需要重新评估所选的光束方向。 该波束调整还可以包括细化波束形状，例如与用于初始波束建立的相对较宽的波束相比使波束更窄。 在一般情况下，波束形成是关于由发送端波束形成和接收端波束形成组成的波束对。 因此，波束调整可以分为两个独立的过程：

• 给定当前接收器侧波束方向，重新评估和可能调整发射器侧波束方向。
• 给定当前发射机侧波束方向，重新评估和可能调整接收机侧波束方向。

如上所述，在一般情况下，需要针对下行链路和上行链路传输方向执行包括波束调整的波束形成。 然而，同样如所讨论的，如果可以假设下行链路/上行链路波束对应，则仅需要在其中一个方向上执行显式波束调整，例如，在下行链路方向上。 然后可以假设调整后的下行链路波束对也适用于相反的传输方向。

12.2.1　下行发送端波束调整

考虑到当前在设备端使用的接收器波束，下行链路发射器侧波束调整旨在改进网络发射波束。 为此，设备可以测量一组参考信号，对应于不同的下行链路波束（见图 12.2）。

假设模拟波束成形，不同下行链路波束内的传输必须按顺序进行，即通过波束扫描。 然后将测量结果报告给网络，网络可以根据报告决定调整当前波束。 请注意，此调整不一定意味着选择设备已测量的光束之一。 例如，网络可以决定使用两个报告波束之间的波束方向进行传输。 另请注意，在为发射器侧波束调整进行测量期间，设备接收器波束应保持固定，以便测量在给定当前接收波束的情况下捕获不同发射器波束的质量。 为了实现如图 12.2 中概述的一组波束的测量和报告，可以使用基于报告配置的报告框架（参见第 8.2 节）。 更具体地，测量/报告应该由具有L1-RSRP作为要报告的量的报告配置来描述。 对应于波束集的要测量的参考信号集应包含在与报告配置相关联的 NZP-CSI-RS 资源集中。 如第 8.1.6 节所述，这样的资源集可以包括一组配置的 CSI-RS 或一组 SS 块。 因此，可以在 CSI-RS 或 SS 块上执行波束管理测量。 在基于 CSI-RS 的 L1-RSRP 测量的情况下，CSI-RS 应限于单端口或双端口 CSI-RS。 在后一种情况下，报告的 L1-RSRP 应该是在每个端口上测量的 L1-RSRP 的线性平均值。 该设备可以在单个报告实例中报告与最多四个参考信号（CSI-RS 或 SS 块）对应的测量结果，实际上最多四个波束。

每个这样的报告将包括：

• 最多四个参考信号的指示，实际上波束，与该特定报告相关；
• 测得的最强波束的L1-RSRP；
• 对于剩余的最多三个波束：测得的L1-RSRP 与测得的最佳波束的L1-RSRP 之差。

12.2.2　下行接收端波束调整

接收器侧波束调整的目的是在给定当前发射波束的情况下找到最佳接收波束。 为实现这一点，设备应再次配置一组下行链路参考信号，在这种情况下，这些参考信号在同一网络侧波束（当前服务波束）内传输。

如图 12.3 所示，设备然后可以进行接收器侧波束扫描，以在一组接收器波束上按顺序测量配置的参考信号。 基于这些测量，设备可以调整其当前的接收器波束。 下行链路接收器侧波束调整可以基于与发射器侧波束调整类似的报告配置。 然而，由于接收器侧波束调整是在设备内部完成的，因此没有与接收器侧波束调整相关联的报告量。 根据第 8.2 节，报告数量应因此设置为“无”。 为了允许在接收器端进行模拟波束成形，资源集中的不同参考信号应该以不同的符号传输，从而允许接收器端的波束扫过参考信号集。 同时，应该允许设备假设资源集中的不同参考信号是使用相同的空间滤波器传输的，实际上是相同的传输波束。 通常，配置的资源集包括“重复”标志，该标志指示设备是否可以假定资源集中的所有参考信号都使用相同的空间滤波器进行传输。 对于用于下行链路接收机侧波束调整的资源集，应该设置重复标志。

12.2.3　上行波束调整

上行波束调整与下行波束调整的目的相同，即保持合适的波束对，在上行波束调整的情况下，意味着设备侧合适的发射波束和网络侧对应的合适接收波束 . 如上所述，如果可以假设波束对应并且已经建立并保留合适的下行链路波束对，则不需要明确的上行链路波束管理。 相反，可以假设下行链路传输方向的合适波束对也适用于上行链路方向。 请注意，反之亦然，即，如果为上行链路方向建立并保留了合适的波束对，则也可以在下行链路方向使用相同的波束对，而无需明确的下行链路波束管理。 如果需要显式上行链路波束调整，则可以采用与下行链路波束调整基本相同的方式进行，主要区别在于网络基于配置的 SRS 而非 CSI-RS 或 SS 块进行测量。

12.2.4　波束指示和TCI

下行链路波束形成可以对设备透明地完成，也就是说，设备不需要知道发射器使用什么波束。 然而，NR 也支持波束指示。 实际上，这意味着通知设备某个 PDSCH 和/或 PDCCH 传输使用相同的传输波束作为配置的参考信号（CSI-RS 或 SS 块）。 更正式地说，它意味着通知设备某个 PDSCH 和/或 PDCCH 是使用与配置的参考信号相同的空间滤波器来传输的。 更详细地，波束指示基于所谓的传输配置指示（TCI）状态的配置和下行链路信令。 每个 TCI 状态包括有关参考信号（CSI-RS 或 SS 块）的信息等。 通过将某个下行链路传输（PDCCH 或 PDSCH）与某个 TCI 相关联，网络通知设备它可以假设下行链路传输是使用与与该 TCI 关联的参考信号相同的空间滤波器完成的。 一个设备最多可以配置 64 个候选 TCI 状态。 对于 PDCCH 的波束指示，M 个配置的候选状态的子集通过 RRC 信令分配给每个配置的 CORESET。 通过 MAC 信令，网络可以更动态地指示每个 CORESET 配置的子集中的特定 TCI 状态是有效的。 当在某个 CORESET 中监视 PDCCH 时，设备可以假定 PDCCH 传输使用与 MAC 指示的 TCI 相关联的参考信号相同的空间滤波器。 换句话说，如果设备较早地确定了用于接收参考信号的合适的接收机侧波束方向，则设备可以假设相同的波束方向适合于接收PDCCH。 对于PDSCH波束指示，根据调度偏移有两种选择，即根据PDSCH的传输定时相对于对应的承载PDSCH的调度信息的PDCCH。 如果此调度偏移量大于 N 个符号，则调度分配的 DCI 可以明确指示 PDSCH 传输的 TCI 状态。1 为实现这一点，设备首先配置了一组最多八个 TCI 状态（来自最初配置的状态） 一组候选 TCI 状态。 DCI 中的三位指示符然后指示对调度的 PDSCH 传输有效的确切 TCI 状态。 如果调度偏移小于或等于 N 个符号，则设备应该改为假定 PDSCH 传输是具有相应 PDCCH 传输的 QCL。 换言之，对于由MAC信令指示的PDCCH状态的TCI状态应该假设对于对应的调度的PDSCH传输也是有效的。 将基于 DCI 信令的完全动态 TCI 选择限制在调度偏移量大于某个值的情况的原因很简单，对于较短的调度偏移量，设备将没有足够的时间来解码调度偏移量内的 TCI 信息 DCI 并在接收 PDSCH 之前相应地调整接收器波束。

12.3　波束恢复

在某些情况下，环境中的移动或其他事件可能会导致当前建立的光束对在没有足够时间让常规光束调整适应的情况下被快速阻挡。 NR 规范包括处理此类波束故障事件的特定程序，也称为波束（故障）恢复。 在许多方面，波束故障类似于已经为 LTE 等当前无线电接入技术定义的无线电链路故障 (RLF) 的概念，并且原则上可以利用已经建立的 RLF 恢复程序从波束故障中恢复 事件。 然而，有理由引入专门针对光束故障的额外程序。

• 特别是在窄波束的情况下，与 RLF 相比，预计会更频繁地发生波束故障，即由于已建立的波束对快速退化而导致的连接丢失，这通常对应于设备移出覆盖范围 当前服务小区；
• RLF 通常意味着失去对当前服务小区的覆盖，在这种情况下，必须重新建立到新小区的连接，甚至可能在新载波上。 光束失效后，通常可以通过当前小区内的新光束对重新建立连接。 因此，从光束故障中恢复通常可以通过较低层的功能来实现，与用于从 RLF 中恢复的较高层机制相比，可以实现更快的恢复。

一般而言，光束故障/恢复包括以下步骤：

• 光束故障检测，即检测光束故障已经发生的设备；
• 候选波束识别，即尝试识别新波束或更确切地说新波束对的设备，通过它可以恢复连通性；
• 恢复请求传输，即设备向网络发送波束恢复请求。
• 网络对波束恢复请求的响应。

12.3.1　波束失败检测

从根本上说，当下行链路控制信道 (PDCCH) 的错误概率超过某个值时，假设发生了波束故障。 然而，与无线电链路故障类似，设备不是实际测量 PDCCH 错误概率，而是基于对某些参考信号质量的测量来声明波束故障。 这通常表示为测量假设的错误率。 更具体地说，设备应基于周期性 CSI-RS 或与 PDCCH 在空间上为 QCL 的 SS 块的测量 L1-RSRP 来声明波束故障。 默认情况下，设备应根据对与 PDCCH TCI 状态关联的参考信号（CSI-RS 或 SS 块）的测量来声明波束故障。 然而，也有可能显式配置不同的 CSI-RS，在其上测量波束故障检测。 测量的 L1-RSRP 低于配置值的每个时刻都被定义为波束故障实例。 如果连续波束故障实例的数量超过配置值，则设备声明波束故障并启动波束故障恢复程序。

12.3.2　新备选波束的认定

作为波束恢复过程的第一步，设备会尝试找到可以恢复连接的新波束对。 为了实现这一点，设备配置了一个资源集，该资源集由一组 CSI-RS 或一组 SS 块组成。 实际上，这些参考信号中的每一个都在特定的下行链路波束内传输。 因此，资源集对应于一组候选波束。 与正常波束建立类似，该设备测量与候选波束集对应的参考信号上的 L1-RSRP。 如果 L1-RSRP 超过某个配置的目标，则假定参考信号对应于可以恢复连接的波束。 需要注意的是，在这样做时，设备必须在适用时考虑不同的接收器侧波束方向，即设备确定的实际上是候选波束对。

12.3.3　终端恢复请求和网络响应

如果已宣布波束故障并且已识别出新的候选波束对，则设备会执行波束恢复请求。 恢复请求的目的是通知网络设备检测到波束故障。 恢复请求还可以包括关于由设备识别的候选波束的信息。 波束恢复请求本质上是一个两步无竞争随机接入请求，包括前导传输和随机接入响应。2 对应于不同候选波束的每个参考信号都与特定的前导配置（RACH 时机和前导序列）相关联 ，见第 16 章）。 给定已识别的波束，应使用关联的前导配置执行前导传输。 此外，前导码应在与识别的下行链路波束一致的上行链路波束内传输。 应当注意，每个候选波束不一定与唯一的前同步码配置相关联。

有不同的备选方案：

• 每个候选波束都与唯一的前同步码配置相关联。 在这种情况下，网络可以直接从接收到的前导码中识别出已识别的下行链路波束；
• 候选波束被分成多个组，其中同一组内的所有波束对应于相同的前导码配置，而不同组的波束对应于不同的前导码配置。 在这种情况下，接收到的前导码仅指示所识别的下行链路波束所属的组；
• 所有候选波束都与相同的前同步码配置相关联。 在这种情况下，前导码接收仅表示发生了波束故障并且设备请求波束故障恢复。

在候选波束源自同一站点的假设下，还可以假设随机接入传输在到达接收器时时间对齐良好。 然而，不同候选波束对的总路径损耗可能存在显着差异。 因此，波束恢复请求传输的配置包括功率斜坡参数（见第 16.2 节）。 一旦设备执行了波束恢复请求，它就会监视下行链路以获取网络响应。 这样做时，设备可以假设网络在响应请求时正在发送 PDCCH QCL，其中 RS 与请求中包括的候选波束相关联。 恢复请求响应的监视在恢复请求传输后的四个时隙开始。 如果在可配置大小的窗口内未收到响应，设备将根据配置的功率斜坡参数重新传输恢复响应。