5G波束管理

一、概述

波束管理是指gNB和UE采用L1/L2过程来捕获并保持一组gNB和/或UE波束，用于上下行传送；波束管理的目的是为各个信道选择合适的静态波束。

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，UE对gNB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、波束上报和波束失败恢复等方面。

（1）波束扫描

波束扫描是指在特定周期或者时间段内，波束（发送参考信号的波束）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PSS、SSS和PBCH的SSB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UE的CSI-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块)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5ms、10 ms、20ms、40ms、80ms

或者160 ms。SSB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RSRP和SINR等信息。

连接模式下，下行测量基于CSI-RS。CSI-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1到4个OFDM符号，占用分配给UE的部分带宽进行传送。

（3）波束报告

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SRS，gNB对SRS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。

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。 (4) 波束指示

gNB通知UE选择特定的波束 (5) 波束恢复

包括波束失败检测、发现新波束和波束恢复过程。

gNB和UE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。 波束管理的参考信号包括：

上行：空闲态初始接入PRACH、连接太SRS

下行：空闲态初始接入SSB、连接太CSI-RS、SSB

二、赋形波束管理与权值

波束管理就是权值管理，权值决定赋形波束宽度与方向，不同信道采用权值不尽相同，如下两类

预设静态权值: 广播信道、公共控制信道 可变动态权值:UE专用信道 下行主要权值 TRx 192阵子天线的波束举例说明 链路 SSB广播SUB6G最大8个波束，2.4G~SUB3G最大8个SUB2.4G最预设静态权值 信道 大4个，由协议定义 PDCCH信预设静态权值 道 CSI-RS信预设静态权值 号 PDSCH信SRS或PMI动道 态权值

小区级波束32个，用户级最优波束2个 小区级波束32个，用户级最优波束2或4或8个 小区级波束32个，用户级基于接收天线数

广播信道波束管理

5G改进了LTE时期基于宽波束的广播机制，采用窄波束轮询扫描覆盖整个小区的机制 初始