如何使用波束赋形，波束赋形接入框架及参考信号

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• 1、如何使用波束赋形：波束赋形接入框架及参考信号
• 2、如何使用波束赋形，什么是波束赋形

1、如何使用波束赋形：波束赋形接入框架及参考信号

对于具有Massive MIMO的模拟和混合波束赋形，针对NR覆盖方面，在时域中的使用多个传输，以及使用窄覆盖波束来覆盖不同的服务区域。无线信道在高频下的特性与LTE当前部署的sub 6GHz信道有显著不同，更高的频率将受到比低于6GHz更高的路径损耗的影响。在表1中，提供了一个示例，显示了在2.8GHz和28GHz的自由空间中，由Friis方程导出的路径损耗。

如表1所示，为高频设计NR的关键挑战在于克服这种更大的路径损耗。除了较大的路径损耗外，由于衍射不良造成的阻塞，高频也会受到不利的散射环境的影响。因此，MIMO/波束赋形对于保证接收端足够的信号电平是必不可少的。

从表1可以看出，高频的MIMIO/波束赋形需要设计为补偿20~30dB的额外路径损耗。如果仅依靠数字预编码来补偿该路径损耗，则gNB/UE处所需的TXRU的数量将远远超过100并且可以高达1000。为了实现与低频类似的MIMO/波束赋形性能（例如，Rel-13 FD-MIMO中的16 TXRU），用于高频的MIMO/波束赋形将需要支持更多TXRU。不用说，从实现的角度来看，仅仅依靠处理大量TXRU的数字预编码成本太高。

为了在保持合理的实现复杂度的同时补偿较大的路径损耗，MIMO/波束赋形的设计需要偏离目前LTE中使用的全数字预编码。自适应模拟波束赋形需要与数字预编码结合使用，而不是全数字预编码。模拟波束赋形将补偿路径损耗，而数字预编码将提供类似于MIMO的额外性能增强，用于6GHz以下。注意，支持自适应模拟波束赋形所涉及的实现复杂度显著小于数字预编码，因为它主要依赖于简单的移相器。这种自适应模拟波束赋形和数字预编码的组合将被称为混合波束赋形，如图1所示。

足够窄的波束应该由许多天线单元形成，这可能与LTE评估中假设的波束有很大不同。对于较大的波束赋形增益，波束宽度相应地趋于减小，因此具有较大定向天线增益的覆盖波束在3扇区配置中不能覆盖整个水平扇区区域。所以，需要在时域中使用窄覆盖波束进行多个传输，以覆盖不同的服务区域。本质上，子阵列的模拟波束可以在每个OFDM符号上朝向单个方向，因此子阵列的数目决定波束方向的数目和每个OFDM符号上的相应覆盖。然而，覆盖整个服务区域的波束数量通常大于子阵列的数量，特别是当单个波束宽度较窄时。如图2所示，在实现大方向天线增益的同时，应支持具有时域不同方向的窄波束的多个传输，以便波束赋形接入覆盖整个服务区域。在一些文献中，为此目的提供多个窄覆盖波束被称为“波束扫描”。对于模拟和混合波束形成，波束扫描对于提供NR的基本覆盖是必不可少的。为此，可以分配和周期性地发送多个OFDM符号，其中不同方向的波束可以通过子阵列传输。波束扫描操作可能导致额外的开销，并且需要开销有效的波束扫描设计。

NR中的波束扫描适合于公共控制信号、物理广播信道和RRM测量的传输。这里，公共控制信令包括同步信号、下行系统信息和上行链路的随机接入信道。至少应考虑基于波束扫描的初始信道设计。

与LTE系统类似，NR中的UE在数据传输和接收之前必须执行某些步骤。这些过程包括小区搜索和下行链路同步、系统信息的采集和随机接入。基本上，物理同步信号被传输用于小区识别和时间同步，PBCH将系统信息传送给所有UE。同样，随机接入信道用于获取上行时间同步和系统信息。因此，应确保在服务小区内可靠地接收这些信号和所有UE的信息，应采用用于初始接入的波束扫描传输，如图3所示。

RRM测量还需要考虑波束扫描，获取同步和广播信息的UE需要获取每个相邻小区不同波束的信道强度信息来进行小区选择和RSRP报告。为此，需要引入基于波束扫描的附加参考信号。

定向波束信号质量测量是NR波束/小区选择和RRM测量的基础，是保证NR基本覆盖的关键。由于基于波束赋形的高度定向性，gNB和UE需要在正确的方向上对准以获得最大增益。用于NR的gNB可以使用结合模拟波束赋形和数字预编码的混合波束赋形，其中gNB发送具有特定波束的参考信号，所述特定波束是根据通过改变波束赋形权重而创建的天线图案而预定义的。UE测量来自每个方向的参考信号的质量。UE可以通过测量的质量来选择最佳的波束并反馈给gNB。

因此，NR中的波束赋形接入需要引入特定于波束的参考信号，称这些参考信号为波束测量参考信号。

NR中的波束测量参考信号的主要目的是在UE与其服务NR gNB之间选择最佳波束对，其可用于控制信令和数据通信。波束测量参考信号具有如下特征：

1. 波束测量参考信号的作用类似于小区特定的参考信号。即：用于波束赋形接入的波束测量参考信号被周期性地发送，例如PSS/SSS/BCH。

2. 波束测量参考信号占据不同波束上的多个符号，覆盖整个区域。即，从gNB发送单个Tx波束上的波束测量参考信号，直到发送所有Tx波束。

图4展示了帧结构中与波束测量参考信号相关的传输。用于波束选择的波束测量参考信号应定期从gNB传输，如同步信号/广播信道。与波束特定参考信号相关的程序的一个示例如下：

① gNB在子帧/帧中发送多个波束测量参考信号，以支持gNB的波束数。一个具有不同N个波束的UE在波束测量期间保持其UE Rx波束，并在每一束测量参考信号周期切换。

② UE通过比较当前帧和前一帧估计的信号质量来选择最佳波束对。

③ UE通过PUCCH/PUSCH将最佳gNB Tx波束索引发送到gNB，并存储与估计的gNB Tx波束索引相对应的UE Rx波束索引。

蜂窝系统中混合波束赋形的波束选择需要较长的时间来选择波束，因为服务的gNB需要在所有可能的波束组合中选择最佳波束对。为了减少波束选择的时长，它可以应用于子帧/帧中分配的符号束，但它可能会给蜂窝系统带来很大的负担。事实上，gNB和UE波束之间的微小失调可能会导致接收功率的显著损失，特别是对于具有窄波束的系统。因此，在设计波束选择框架时，需要考虑到波束测量参考信号的开销与波束测量周期之间的最佳权衡。此外，利用波束测量参考信号，可以进一步有效的改善波束选择机制。例如，还可以考虑用于波束细化的附加UE特定参考信号。

波束赋形NR中的CSI采集

MIMO和波束赋形技术是数字信号采集的关键技术之一，CSI信息的获取是多天线技术的关键因素之一。在FDD模式下，UE测量下行CSI，然后将测量反馈给gNB。在TDD系统中，一般方法是gNB通过上下行互易性来测量上行传输（例如SRS）的下行CSI。在FDD模式下，NR没有上下行互易和部分上下行互易的情况。在TDD模式下NR工作时，可以得到完全上下行互易和部分上下行互易的情况。

TDD模式

具有高频（>6GHz）的NR可以具有用于BS Tx和Rx天线的各种配置选项。一个配置选项是Tx和Rx使用单独的天线面板。一个例子如图5所示。这种配置的一个优点是没有开关损耗。由于Tx和Rx不共享相同的天线，不能假设完全的上下行互易。Tx和Rx天线面板的放置以及Tx和Rx面板之间的距离可能产生不同水平的上下行互易性。如果面板足够近，仍然可以假设最佳覆盖模拟波束存在上下行互易，因为到达角与离去角相同，并且可以假设长期CSI存在上下行互易。

BS天线的另一个配置选项是Tx和Rx共用相同的天线。这里可以假设上下行互易性是最佳覆盖波束和信道CSI。但是，这种配置有开关损耗。开关损耗不影响最佳覆盖波束的上下行互易性，但会影响信道CSI的上下行互易性。影响上下行互易性的另一个因素是UE天线配置。UE天线配置可以有各种选项，包括：

1. ·Tx和Rx共用天线。

2. ·Tx和Rx使用单独的天线

3. ·UE对Tx的波束赋形能力有限或没有

4. ·UE对Tx具有完整的波束赋形能力

5. ·UE对Rx的波束赋形能力有限或没有

6. ·UE具有完整的接收波束赋形能力。

如果UE Tx和Rx共用天线并且Tx和Rx具有相同的波束赋形能力，则可以假设最佳覆盖波束和信道CSI的完全上下行互易性。但在所有其他情况下，目前不能假定上下行完全对等。在Tx和Rx具有不同波束形成能力的情况下，可能不会假设最佳覆盖波束和CSI的上下行互易性。在Tx和Rx具有相同的波束赋形能力但使用不同的天线的情况下，仍然可以假设部分上下行互易。

上行SRS传输是TDD模式下通过上下行互易性测量CSI最常用的方法。在波束赋形系统中，下行链路传输由一些Tx波束形成，上行传输由一些Rx波束接收。为了利用完整的上下行互易性，BS应该对一个UE的Tx和Rx使用相同的波束。BS应该使用相同的波束来接收来自一个UE的SRS传输。该波束为模拟波束，用于时域信号。因此BS只能对一个SRS OFDM符号应用一个波束。这可能对上行SRS的设计和调度带来一些挑战。BS需要确保在相同SRS OFDM符号上调度的ue具有相同的Rx覆盖波束。如果UE具有Tx和Rx波束赋形能力，应该确保UE将相同的波束应用到SRS传输中，作为用于下行接收的波束。

如上所述，对于TDD模式下的波束赋形NR系统，不能总是假设完全上下行互易。对于只有部分上下行互易性的情况，可能需要一些来自UE的DL测量反馈来帮助CSI捕获。

FDD模式

在FDD系统中，通常没有完全的上下行互易性。当下行和上行之间的保护带宽较大时，FDD没有上下行互易性。当下行和上行之间的保护带宽不大时，可以有部分的上下行互易性，这使得我们能够从上行传输中获得用于下行的长期CSI信息。在波束赋形NR中，由于载波频率的不同，可以得到不同的Tx波束和Rx波束，从而降低了上下行互易性。窄波束使用波束赋形NR可以减少信道延迟扩展，并且可以增加最小保护带宽的值，从而获得部分上下行互易性。

基站天线配置对CSI捕获有影响。一个BS天线配置选项是双极化配置和不同面板上的不同极化。此配置选项的一个示例如图6所示，每个面板由具有相同极化的天线组成。不同面板上使用的Tx波束可以相同也可以不同。从一个面板测得的CSI不能应用于其他面板。如果基站发送CSI-RS来测量所有的天线面板，开销可能会过大。

2、如何使用波束赋形，什么是波束赋形

人类对高速移动数据的渴求是无止境的。可是，在城市环境中可用RF频谱已经饱和，显然需要提高基站收发数据的频谱利用率。

你可能听到过Massive MIMO被描述为大量天线的波束赋形。随之而来的问题是：何谓波束赋形？

不同的人对于波束赋形这个词有着不同的理解。波束赋形是指根据特定场景自适应的调整天线阵列的辐射图。在蜂窝通信中，许多人认为波束赋形是将天线功率主瓣指向用户，如图1所示。

调整各天线收发单元幅度和相位，使得天线阵列在特定方向上的发射/接收信号相干叠加，而其他方向的信号则相互抵消。一般不考虑阵列和用户所处的空间环境。这是波束赋形，不过只是它的一种特别实现。

Massive MIMO也认为在实际系统中，天线与用户终端—以及相反过程—之间传输的数据经过了周围环境的滤波。信号可能会被建筑物和其他障碍物反射，这些反射会有相关的延迟、衰减和抵达方向，如图2所示。天线与用户终端之间甚至可能没有直接路径。人们发现，这些非直接传输路径同样有利用价值。

为了利用多路径，天线元件和用户终端之间的空间信道需要加以表征。文献中一般将这种响应称为信道状态信息(CSI)。此CSI实质上是各天线与各用户终端之间的空间传递函数的集合。用一个矩阵(H)来收集此空间信息，如图3所示。CSI用于数字化编码和解码天线阵列所收发的数据。

不妨考虑一个有趣的类比：一个气球在某个位置被戳破了，发出“啪”的一声，在另一个位置记录此声音或脉冲，如图4所示。

如果扩大该类比以模拟天线阵列/用户终端场景，那么需要更多气球，如图5所示。注意，为了表征各气球与麦克风之间的信道，我们需要在不同时间戳破各气球，使得麦克风记录的不同气球的反射不会重叠。

另一方向也需要表征，如图6所示。本例中，可以在用户终端位置的气球戳破时同时完成所有录音。这样所花的时间要少得多！

互易性假设意味着只需要在一个方向上表征信道即可，上行链路信道是显而易见的选择，因为只需要将一个导频信号从用户终端发送，并由所有天线元件接收。信道估计的复杂度与用户终端数成比例，而非与阵列中的天线数成正比。这点非常重要，因为用户终端可能在移动，故信道估计需要频繁进行。

现在，收集CSI的概念既已建立，那么如何将此信息应用于数据信号以支持空间复用呢？滤波基于CSI而设计，以对天线阵列传输的数据进行预编码，使得多路径信号会在用户终端位置相干叠加。这种滤波还可以用来线性组合天线阵列RF路径收到的数据，从而检测来自不同用户的数据流。

对于上述三种线性方法，图8和图9分别显示了上行和下行链路中信号处理的工作方式。针对预编码，可能还有某种缩放矩阵，用以归一化阵列上为简单起见而忽略的功率。

迫零预编码试图解决用户间干扰问题，通过设计优化标准来使其最小。检测/预编码矩阵是CSI矩阵的伪逆。伪逆的计算开销高于MR情况中的复共轭。然而，由于太注重降低干扰，用户的接收功率会受影响。

MMSE试图在放大信号与降低干扰之间取得平衡。这种整体观需付出的代价是信号处理复杂度较高。MMSE方法给优化引入了一个正则项—在图8和图9中表示为ß—利用它可以找到噪声协方差与发射功率的平衡点。此方法在文献中有时也被称为正则化迫零(RZF)。

以上并未囊括所有预编码/检测技术，只是简单介绍了主要线性方法。这些方法可提供最优容量，但实现起来非常复杂。上述线性方法对massive MIMO而言一般是足够的，天线数目可以很大。预编码/检测技术的选择取决于计算资源、天线数目、用户数目和系统所处环境的多样性。对于天线数目远大于用户数目的大天线阵列，最大比率方法可能足以满足需要。

上文讨论了利用系统的互易性来大幅削减信道估计和信号处理开销。图10显示了一个实际系统中的下行链路信道。它分为三个部分：空中信道(H)、基站发射RF路径的硬件响应(TBS)和用户接收RF路径的硬件响应(RUE)。上行链路与此相反，RBS表征基站接收硬件RF路径，TUE表征用户发射硬件RF路径。互易性假设虽然对空中接口成立，但对硬件路径不成立。由于迹线不匹配、RF路径间同步不佳和温度相关的相位漂移，RF信号链会给系统带来误差。

对RF路径中的所有LO（本振）PLL使用同一同步参考时钟，并对基带数字JESD204B信号使用同步SYSREF，有助于解决RF路径间的延迟问题。但在系统启动时，RF路径之间仍会有通道间的相位失配，由温度引起的相位漂移会进一步扩大此问题。因此很显然，系统在启动时需要初始化校准，此后运行中需要周期性校准。通过校准可实现互易性优势，使信号处理复杂度维持在基站，并且只需要表征上行链路信道。这样可获得一般意义上的简化，从而仅需要考虑基站RF路径（TBS和RBS）。

有多种方法可校准这些系统：

为了全面校准系统，从一个指定校准发射信道发送一个信号，所有RF接收路径通过无源耦合连接接收该信号。然后，每个发射RF路径依次发送一个信号，该信号在各天线的耦合点被接收，被传回到一个合路器，再被送至指定校准接收路径。温度相关效应的变化一般很慢，故与信道特性不同，无需频繁执行温度相关校准。

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