波束管理 Beam Management

Beam Management in 5G NR

波束管理，是5G NR中基于信道质量来动态选择每个UE和gNB之间以什么方向和频率的波束beam来进行通信。

背景

5G NR（New Radio）支持非常高的数据速率和更低的延迟。5G NR支持FR1和FR2频段，FR1为亚6 GHz（450至6000 MHz）；FR2为毫米波段（24.25 GHz至52.6 GHz）。

由于毫米波频带使用非常高的频率，因此会导致传播损耗和其他损耗。为了补偿损失，在这种频率下定向通信是必不可少的。5G NR选用波长较小的大量天线单元的天线阵列（MIMO）。大规模天线为射频链路预算提供波束形成增益，有助于补偿传播损耗，并且由于空间复用技术，大型天线阵列有助于实现更高的数据速率。

但是问题在于，大规模天线阵列的辐射范围不再是圆形而是如图中©的梭形，这要求gNB和UE间的传输链路的发射和接收波束必须精确对准。为了实现波束对的对齐，并具有所需的端到端性能和所需的延迟，5G NR中引入了波束管理（beam management）。波束管理在IDLE模式（UE与gNB未连接）和CONNECTED模式（UE与gNB交换数据）下都必不可少。

波束管理程序

5G NR中使用波束管理程序，以获取和维护可用于DL和UL传输/接收的一组TRxP和UE波束。（TRxP即基站，Transmission Reception Point，也称为TRP）

beam sweeping

波束扫描（beam sweeping）是一种以规则间隔在所有预定义方向传输波束以覆盖一个空间区域的技术。因为大规模天线阵列形成的波束非常狭窄，因此动态扫描以覆盖整篇区域显得十分关键。
例如，移动终端连接过程的第一步，初始接入（与系统同步并接收最小的系统信息广播）时就需要波束扫描，基站在特定时间将波束传输到特定方向，然后在下一个时间帧中稍微改变方向，以此类推，直到它可以扫描它应该覆盖的所有区域。

beam measurement

波束测量（beam measurement）指在gNB或UE处对接收信号的质量进行评估。在IDLE模式下，测量基于SS（Synchronization Signal），在CONNECTED模式下，下行测量基于CSI-RS、上行测试基于SRS。

beam determination

波束决策（beam determination）指根据通过波束测量获得的测量结果，在gNB或UE处选择合适的一个或多个波束。

beam reporting

波束汇报（beam reporting）指UE用于向无线接入网络（RAN）汇报波束质量和波束决策结果的过程。

下行链路波束管理过程

在UE刚开启并准备上网时，需要先和基站gNB建立联系（initial attach），即UE和gNB选出彼此最佳波束。基站gNB以beam sweeping的方式对外发送一系列同步信号块（synchronization signal block），UE检测其中的最佳波束，并将PRACH发送到映射到特定SSB波束ID的位置，告诉gNB其检测出的最佳Tx波束。然后基于gNB的最佳Tx波束，选择出UE的最佳Rx波束

第一阶段，gNB向所有方向平均发送，UE测量出信号强度最高的波束并回发给gNB。

然后gNB基于UE回发的最佳波束再发送一批更细分的波束，更加精确地选出信号强度最高的Tx波束

第二阶段，gNB按照之前选出的最佳波束发送同步信号快，UE以不同Rx波束进行接收，并测量出最佳Rx波束。

不同情况下的参考信号

下行链路

在IDLE模式（UE和gNB尚未连接）的下行链路帧中，UE根据gNB基于周期集（即5/10/20/40/80/160 ms）以规则间隔发送的SS Block选择最佳DL波束。SS Block包含PSS（主同步信号）、SSS（次同步信号）和带DMRS的PBCH。

在CONNECTED模式（UE和gNB已连接）的下行链路帧中，UE根据gNB发送的CSI-RS搜索最佳DL波束。

上行链路

UE根据gNB方向发送SRS，gNB测量SRS以确定最佳UL波束。