5G NR的波束管理和多天线

donnar

在发射端和接收端支撑数量众多的、方向可控的天线单元，是5G NR的关键特性。在高频段，大数量的天线单元能被用于波束赋形，以扩大覆盖范围；而在中低频段，大数量的天线单元能用于massive MIMO，并通过空间分隔实现干扰回避。

       5G虽然可以使用低于6GHz的低频频段，但是由于低频频段的资源有限，而5G对带宽的需求量又很大，因此大部分5G网络会部署在高频频段，即毫米波频段（mmWave）。

       根据不同的频段，5G NR 将使用不同的天线解决方案。在低频段和中频段，可以使用较少或者中等数量的天线阵列（一般最多32个单元的天线阵列），同时通常使用FDD制式。在这种情况下，要获取信道状态信息（CSI），需要在下行链路发送CSI-RS，并且在上行链路发送CSI报告。由于低频段和中频段的带宽有限，因此需要通过MU-MIMO和高阶空间复用技术来提高频谱效率；与LTE相比，这需要分辨率更高的CSI报告。

       在高频段，同样的天线口径中可以使用更多数量的天线单元，因此增加了波束赋形和MU-MIMO的容量。高频段通常使用TDD制式。在TDD制式中，由于上下行链路的对称性，通过上行链路的SRS，可以获取高分辨率的CSI，从而完成对信道的清晰评估。这样的高分辨率CSI能够让基站有条件使用复杂的预编码算法，从而有可能减少用户之间的干扰，但如果上下行链路达不到较完美的对称性，也会需要UE过多地反馈有关小区间干扰的信息。

       对于更高的频段，比如毫米波频段，还可以使用模拟式的波束赋形技术，从而可以减少单位时间内向某个波束方向的信号发射次数。从无线电波的物理特征来看，如果大家使用低频频段或者中频频段，大家可以实现天线的全向收发，至少也可以在一个很宽的扇面上收发。但是，当使用高频频段（如毫米波频段）时，大家别无选择，只能使用包括了很多天线单元的天线阵列。使用多天线阵列的结果是，波束变得非常窄。为什么在毫米波频段，大家只能使用多天线阵列呢？

       在理想传播模型中，当发射端的发射功率固定时，接收端的接收功率与波长的平方、发射天线增益和接收天线增益成正比，与发射天线和接收天线之间的距离的平方成反比。在毫米波段，无线电波的波长是毫米数量级的，所以又被称作毫米波。而2G/3G/4G使用的无线电波是分米波或厘米波。由于接收功率与波长的平方成正比，因此与厘米波或者分米波相比，毫米波的信号衰减非常严重，导致接收天线接收到的信号功率显著减少。怎么办呢？大家不可能随意增加发射功率，因为国家对天线功率有上限限制；大家不可能改变发射天线和接收天线之间的距离，因为移动用户随时可能改变位置；大家也不可能无限提高发射天线和接收天线的增益，因为这受制于材料和物理规律。唯一可行的解决方案是：增加发射天线和接收天线的数量，即设计一个多天线阵列。

       3GPP R1-136362对5G引入Massive MIMO的动机做了很好的总结：随着移动通信使用的无线电波频率的提高，路径损耗也随之加大。但是，假设大家使用的天线尺寸相对无线波长是固定的，比如1/2波长或者1/4波长，那么载波频率提高意味着天线变得越来越小。这就是说，在同样的空间里，大家可以塞入越来越多的高频段天线。基于这个事实，大家就可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗，而又不会增加天线阵列的尺寸。使用高频率载波的移动通信系统将面临改善覆盖和减少干扰的严峻挑战。一旦频率超过10GHz，衍射不再是主要的信号传播方式；对于非视距传播链路来说，反射和散射才是主要的信号传播方式。同时，在高频场景下，穿过建筑物的穿透损耗也会增加。这些因素都会增加信号覆盖的难度。特别是对于室内覆盖来说，用室外宏站覆盖室内用户变得越来越不可行。而使用massive MIMO（即天线阵列中的许多天线），大家能够生成高增益、可调节的赋形波束，从而明显改善信号覆盖，并且由于其波束非常窄，可以减少对周边的干扰。

       多天线阵列无疑是把双刃剑。很明显，多天线阵列的大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域。这意味着，使用的天线越多，波束宽度越窄。多天线阵列的好处在于，不同的波束之间，不同的用户之间的干扰比较少，因为不同的波束都有各自的聚焦区域，这些区域都非常小，彼此之间不大有交集。多天线阵列的不利之处在于，系统必须用非常复杂的算法来找到用户的准确位置，否则就不能精准地将波束对准这个用户。因此，大家不难理解，波束管理和波束控制对massive MIMO的重要性。

       举个例子。有一个基站工作在非常高的频段，并且使用了massive MIMO技术。在这个基站的附近有一个用户正好打开了他的5G UE。开机后，5G UE就开始了同步过程。这时，基站应该把一个叫“同步信号”的特殊信号发给UE。但是，现在碰到一个严重的问题。基站发的携带“同步信号”的波束非常窄，只能打到一个非常小的区域。怎么才能让这个波束照到这个UE呢？有一个简单的方法，让基站360度同时发送许多个波束，就像一朵向日葵。这样，虽然每个波束都非常窄，但总有一个波束能照到这个UE。显然，这个方法不现实。另一个马上想得到的做法是，不是同时360度发送许多个波束，而是一个波束360度快速分时发送。这种做法无疑比第一种做法可行得多。实际部署的5G移动通信系统的波束管理算法肯定比这复杂和聪明得多，还涉及到UE对信道的测量并将测量结果反馈基站的策略。

       一旦UE和网络建立连接之后，波束又是如何管理的？大致上来说有4种情况：1，一对收发端口和一个波束；2，多对收发端口，每对收发端口一对波束；3，一对收发端口，多个波束；4，多对收发端口，每对收发端口有多个波束。在实际的网络部署中，基站会为波束管理提供一个特定的参考信号。UE收到这个参考信号后，实行一些测量，并将测量结果反馈给基站。

       5G NR的信道和信号，包括控制信号和同步信号，都被设计成支撑波束赋形。通过基于下行链路上的CSI-RS而生成的CSI反馈报告，以及由于上下行对称性而获得的上行链路测量，可以获得使用massive MIMO所需要的CSI。为了获得灵活性，5G NR既可以支撑模拟式波束赋形，也可以支撑基于预编码的数字式波束赋形。在高频段，模拟式波束赋形——波束用数模转换进行整形——从实施的角度看是必须的。模拟式波束赋形带来了一种限制，即在某个时间点，一个发射波束或者接收波束只能在一个方向上形成，因此就需要引入波束扫描机制，让相同的信号在多个OFDM符号（位于不同的波束）内重复。有了波束扫描机制，就能保证任何信号都能够借助狭窄而高增益的波束而被送到所需要的覆盖范围。5G NR定义了支撑波束管理进程的信令，比如帮助终端选择一个接收波束——模拟式波束赋形的情况，用作接收用户数据或控制数据——的指示信息。对于大数量的天线单元，波束很狭窄，波束追踪很可能失败，因此必须定义波束恢复进程，以便一个终端可以触发波束恢复进程。而且，一个基站小区很可能有多个传输点，每个传输点都有波束；波束管理进程让终端能实现透明化的移动性，在不同传输点的不同波束之间无缝切换。另外，通过使用上行链路信号，还有可能实现以上行链路为中心、上下行对称的波束管理。

       在中低频段使用大数量天线单元时，无论在上行链路还是下行链路，都增加了在空间分隔用户的可能性，但是需要发射端了解信道情况。对于5G NR，对这种多用户空分复用的支撑，或者是通过使用DFT向量的线性组合而产生的高分辨率CSL信息反馈来实现，或者是通过使用信道对称性的上行链路SRS来实现。为了实现多用户MIMO传输，5G NR定义了12个正交DMRS，使得NR终端在下行链路最多可以接收8层MIMO，在上行链路最多获得4层MIMO。而且，5G NR还使用了相位追踪参考信号（PTRS），因为高频段载波产生的相位噪声功率会影响高阶调制星座，如64AM，的解调性能。

       另外，5G NR还准备支撑分布式MIMO（Release 15还不支撑）。分布式MIMO意味着终端能够在一个时隙上接收到多个彼此独立的PDSCH信号，从而向一个用户同时发送来自不同传输点的不同数据。这就是说，有些MIMO层来自一个基站，另一些MIMO层来自另一个基站。

       5G NR设计了灵活但是统一的CSI框架，降低了CSI测量、CSI报告和实际的DL传输之间的耦合程度（相比LTE）。CSI框架可以被看成一个工具箱，为信道和干扰管理而进行的不同CSI报告设置和不同CSI-RS资源设置可以被混合起来，并进行匹配，从而与实际使用中天线部署和传输机制相对应，而不同波束的CSI报告可以被动态触发。这个CSI框架还支撑更先进的机制，比如多点传输协调（multi-point transmission and coordination）。根据自包含（self-contained）原则，控制信息（用户解码的信息，如DMRS）和用户数据都在一次传输中完成，因此当UE移动时，网络能够无缝地改变传输点或者波束。