5G Massive MIMO波束管理

为什么5G需要波束管理？

▲波束赋形

5G频段更高，尤其是毫米波频段，覆盖范围更小，为了增强5G覆盖，波束赋形应运而生。

波束赋形（Beamforming）技术，即通过调整多天线的幅度和相位，赋予天线辐射图特定的形状和方向，使无线信号能量集中于更窄的波束上，来增强覆盖范围和减少干扰。

波束赋形方向可控，可跟随移动的终端调整波束方向。在非视距（NLOS）场景下，波束赋形还可利用波束的反射或折射让信号抵达终端。

但是，由于终端经常处于移动状态，高频信号（尤其是毫米波）又易受无线环境影响，比如被建筑物、雨水等阻挡，很容易导致波束信号无法抵达终端。

因此，为了确保连续的无缝覆盖，需要基站侧尽可能在不同的方向上发送多个波束。要管理多个波束，就需要波束管理技术。

波束管理主要包括四个步骤：

1）波束扫描（Beam sweeping）

在波束覆盖范围内，根据预定义的时间间隔和方向发送和接收一组波束。

2）波束测量（Beam measurement）

评估接收信号的质量，评估指标包括RSRP（参考信号接收功率）、RSRQ（参考信号接收质量）、SINR（信号与干扰加噪声比）等。

3）波束决策（Beam determination）

根据波束测量选择最优波束（或波束组）。

4）波束上报（Beam reporting）

UE向基站上报波束质量和波束决策信息，以建立基站与终端之间的波束定向通信。

波束扫描

波束扫描是波束管理的第一步。gNB（5G基站）在不同的空间方向上发送m个波束，UE（终端）在n个不同的接收空间方向上监听/扫描来自gNB的波束传输（因此总共有m*n次波束扫描）。

基于波束扫描，UE确定波束的信道质量，并将信道质量信息上报给gNB。周边建筑物，天气情况，UE移动速度和方向，甚至手持UE的方式等都会影响波束信道质量。

gNB收到波束质量信息后，会基于上报的波束质量状况调整各种配置参数，比如调整波束扫描周期、切换门限判决等。

整个波束扫描过程采用穷尽搜索法，所谓穷尽搜索法，也叫暴力搜索，顾名思义，就是将所有可能性列出来，将所有的可能性都遍历一遍。穷尽搜索法用在波束扫描上，就是指先为UE和gNB在整个覆盖角度空间预定义方向码本，然后按顺序遍历发送/接收同步和参考信号。

如下图所示，一个波束组可以包括8个不同空间方向的波束，UE基于接收到的波束参考信号（Beam Reference Signal）来确定波束索引（波束1-8）。

波束测量

UE通过测量每一个波束的接收功率或质量来选择波束。波束接收功率参数为BRSRP，即波束参考信号的接收功率。

波束决策

UE选择最佳波束，比如测量的BRSRP值最高的波束。如下图所示，本例中UE选择了波束6。

波束上报

当UE选择完最佳波束后，通过执行随即接入过程将波束质量和波束决策信息上报给基站，以实现UE与gNB之间波束对齐建立定向通信。

在波束上报过程中，UE必须等待gNB将RACH（随机接入信道）机会调度到其选择的最佳波束方向上执行随机接入。因此，若在SA（独立组网）模式下，gNB可能需要再进行一次完整的波束扫描。若在NSA（非独立组网）模式下，则可以通过LTE连接直接通知gNB。