5G NR波束管理和波束调度

在5G NR中，大规模MIMO已成为默认的关键技术，本文将讨论MIMO给系统带来的波束管理/波束调度的差异。

首先，最重要的是5G NR不再使用传统的基于宽波束的小区扇区覆盖，小区中心，小区中间和小区边缘区域等概念在某种程度上已经消失了。前几代蜂窝系统通常使用三个扇区（α，β和γ）120度宽的波束扇区覆盖。在下图中，红色六边形是基站扇区的覆盖区域。

120度的宽波束的缺点是，如果它想在特定方向上将信号发送到移动终端，则会将信号发送到整个小区扇区，这会影响链路预算并引入干扰。

在5G NR中，使用基于波束的小区扇区覆盖，这增加了链路预算并克服了毫米波信道的缺点。换句话说，所有数据传输和关键信令传输都是波束赋形的（定向的）。

下图说明了20束大规模MIMO系统。为了更好地理解，我们可以说大规模MIMO系统将发射20个不同的波束以覆盖120度的小区扇区。例如，诺基亚的系统具有128个天线，所有天线一起工作以形成32波束，因此诺基亚系统是32波束的大规模MIMO系统。

在5G NR中，这些波束是通过模拟波束赋形技术形成的，但是对于数据传输，5G系统动态地使用模拟或数字或模拟和数字波束形成的组合，称为混合波束赋形技术。

由于小区覆盖范围是基于波束的，因此5G小区中的移动终端将根据波束与网络同步，并从波束进行扫描和上报。移动终端将仅连接到单波束，在3GPP Release 15中不支持多波束连接。

波束管理

波束管理一般具有如下过程：

（a）波束扫描

（b）波束测量

（c）波束确定

（d）波束上报

（e）波束故障恢复

（a）波束扫描：

波束扫描是一种以固定间隔在突发中沿所有预定义方向传输波束的技术。例如，移动终端附着过程的第一步是初始接入，该初始接入将与系统同步并接收最少的系统信息广播。因此，“ SS块”承载PSS，SSS和PBCH，它将在5ms窗口的时域中在预定义的方向（波束）上重复发送，这称为SS突发脉冲，并且此SS突发脉冲将在20ms内重复，通常具有周期性。下图说明了该概念。

可以理解，以上基于20个波束的小区扇区覆盖图，没有固定波束（始终打开）以及参考信号和同步信号，仅用于可视化。

因此，现在很明显，诺基亚gNB的32束光束将以规则固定的间隔在不同的预定义方向（波束）上传输32个SS块，SS块所覆盖的方向集可能覆盖，也可能不会覆盖整个可用的预定义方向。SS突发集中最大预定义方向（波束/ SS块）的数量取决于频率，例如最高3 GHz的“ 4”，从3 GHz到6 GHz的“ 8”以及从6 GHz到52.6 GHz的频率“ 64”。

（b）波束测量/（c）波束确定：

在空闲模式下，测量基于SS（同步信号），而在连接模式下，测量基于DL中的CSI-RS和UL中的SRS。诸如周期性和时间/频率偏移之类的CSI-RS测量窗口配置相对于关联的SS突发。需要通过使用SS和CSI-RS测量结果来定期搜索最佳波束。像SS块一样，CSI-RS也将使用波束扫描技术进行覆盖，考虑到覆盖所有预定义方向的开销，CSI-RS将仅基于这些预定义方向（波束）的子集进行传输。

上行UL中的SRS与LTE规范相似，移动终端将基于gNB方向发送SRS，而gNB将测量SRS以确定最佳的UL波束。

下行DL波束由移动终端确定，标准是应以高于预定义阈值的最大信号强度接收该波束。

（d）波束上报：

在空闲模式下，移动终端选择了一个SS块（波束）后，对于该SS块，存在一个预定义的一个或多个RACH机会，具有一定的时间和频率偏移量和方向（仅此SS块专用）。因此，移动台终端知道在哪个发送（UL）波束中发送RACH前同步码。这是移动终端通知gNB哪个是最佳波束的一种方式。

基站gNB（发送/接收点，TRP）将在系统信息中指示给移动终端，在波束扫描（SS块）块之间存在一对一的映射。UE将在与其中检测到最佳信号强度的DL SS块相对应的UL SS块中发送PRACH前同步码。

下图说明了在5G NR中的初始访问期间Rx波束到Tx波束的映射。

在连接模式下，移动终端将使用控制信道提供反馈，如果出现链路故障并且无法使用CSI-RS恢复任何方向，则移动终端将尝试使用SS突发来恢复链路。

（e）波束故障恢复：

当存在不良信道状况时，移动终端将以来自较低层的波束失败指示，通过指示新的SS块或CSI-RS来请求恢复，这个过程通过初始接入RACH来完成。gNB将在PDCCH上发送DL分配或UL许可，以结束波束故障恢复。

波束调度

基于波束的小区扇区覆盖（意味着仅波束成形的传输）启用了新的调度方式，可以在TTI内同时在多个波束中复用和调度相同的时间/频率资源。大规模MIMO系统可以将数据传输调度为3D波束赋形和MU-MIMO传输。

移动终端UE的数据分布将被合并在单个波束中或在不同波束中。因此，gNB的MAC调度程序应在TTI中调度多个波束。而由于天线设计所致，调度TTI中的波束数量受到限制，基本上是由于AAS（有源天线系统）中的移相器和TXRU（收发器单元）的数量所致。另一个复杂的原因是，基站gNB应该为32个波束中的每个TTI调度N组波束，而N组波束将有30,000+种不同的组合可以选择，这种复杂性在有关文章中进行了介绍。

对于下行DL，我们知道移动终端将报告基于CSI-RS的波束质量报告，有趣的一点是，单个波束中的不同移动终端很有可能会根据其信道质量报告不同的CSI报告。还有一点是，数据也使用混合波束成形技术进行传输，这意味着不必仅在预定义的模拟波束中发送数据，它可以使用比模拟波束更窄的波束在新方向上进行传输。

在LTE中，通常将使用比例公平（PF）调度，而PF调度程序将考虑信道质量，到目前为止的达到速率以及移动终端进行调度的最大可达到速率。如果我们将PF调度程序应用于基于CSI-RS的波束质量报告的5G NR系统中，这将无法解决问题，例如，调度的移动终端将处于十个不同的帧中，这在5G NR系统中是不可能进行调度的。

因此，基站gNB的波束调度应该考虑要调度的波束数量（基于波束质量）以及对移动终端的比例公平性，并且在选定的移动终端中，至少两个或三个移动终端对于MU-MIMO是一个很好的组合，以达到最佳的传输速率。