對(duì)于具有Massive MIMO的模擬和混合波束賦形，針對(duì)NR覆蓋方面，在時(shí)域中的使用多個(gè)傳輸，以及使用窄覆蓋波束來(lái)覆蓋不同的服務(wù)區(qū)域。無(wú)線信道在高頻下的特性與LTE當(dāng)前部署的sub 6GHz信道有顯著不同，更高的頻率將受到比低于6GHz更高的路徑損耗的影響。在表1中，提供了一個(gè)示例，顯示了在2.8GHz和28GHz的自由空間中，由Friis方程導(dǎo)出的路徑損耗。

如表1所示，為高頻設(shè)計(jì)NR的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于克服這種更大的路徑損耗。除了較大的路徑損耗外，由于衍射不良造成的阻塞，高頻也會(huì)受到不利的散射環(huán)境的影響。因此，MIMO/波束賦形對(duì)于保證接收端足夠的信號(hào)電平是必不可少的。

從表1可以看出，高頻的MIMIO/波束賦形需要設(shè)計(jì)為補(bǔ)償20~30dB的額外路徑損耗。如果僅依靠數(shù)字預(yù)編碼來(lái)補(bǔ)償該路徑損耗，則gNB/UE處所需的TXRU的數(shù)量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100并且可以高達(dá)1000。為了實(shí)現(xiàn)與低頻類似的MIMO/波束賦形性能（例如，Rel-13 FD-MIMO中的16 TXRU），用于高頻的MIMO/波束賦形將需要支持更多TXRU。不用說(shuō)，從實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，僅僅依靠處理大量TXRU的數(shù)字預(yù)編碼成本太高。

為了在保持合理的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的同時(shí)補(bǔ)償較大的路徑損耗，MIMO/波束賦形的設(shè)計(jì)需要偏離目前LTE中使用的全數(shù)字預(yù)編碼。自適應(yīng)模擬波束賦形需要與數(shù)字預(yù)編碼結(jié)合使用，而不是全數(shù)字預(yù)編碼。模擬波束賦形將補(bǔ)償路徑損耗，而數(shù)字預(yù)編碼將提供類似于MIMO的額外性能增強(qiáng)，用于6GHz以下。注意，支持自適應(yīng)模擬波束賦形所涉及的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度顯著小于數(shù)字預(yù)編碼，因?yàn)樗饕蕾囉诤?jiǎn)單的移相器。這種自適應(yīng)模擬波束賦形和數(shù)字預(yù)編碼的組合將被稱為混合波束賦形，如圖1所示。

足夠窄的波束應(yīng)該由許多天線單元形成，這可能與LTE評(píng)估中假設(shè)的波束有很大不同。對(duì)于較大的波束賦形增益，波束寬度相應(yīng)地趨于減小，因此具有較大定向天線增益的覆蓋波束在3扇區(qū)配置中不能覆蓋整個(gè)水平扇區(qū)區(qū)域。所以，需要在時(shí)域中使用窄覆蓋波束進(jìn)行多個(gè)傳輸，以覆蓋不同的服務(wù)區(qū)域。本質(zhì)上，子陣列的模擬波束可以在每個(gè)OFDM符號(hào)上朝向單個(gè)方向，因此子陣列的數(shù)目決定波束方向的數(shù)目和每個(gè)OFDM符號(hào)上的相應(yīng)覆蓋。然而，覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)域的波束數(shù)量通常大于子陣列的數(shù)量，特別是當(dāng)單個(gè)波束寬度較窄時(shí)。如圖2所示，在實(shí)現(xiàn)大方向天線增益的同時(shí)，應(yīng)支持具有時(shí)域不同方向的窄波束的多個(gè)傳輸，以便波束賦形接入覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)域。在一些文獻(xiàn)中，為此目的提供多個(gè)窄覆蓋波束被稱為“波束掃描”。對(duì)于模擬和混合波束形成，波束掃描對(duì)于提供NR的基本覆蓋是必不可少的。為此，可以分配和周期性地發(fā)送多個(gè)OFDM符號(hào)，其中不同方向的波束可以通過子陣列傳輸。波束掃描操作可能導(dǎo)致額外的開銷，并且需要開銷有效的波束掃描設(shè)計(jì)。

NR中的波束掃描適合于公共控制信號(hào)、物理廣播信道和RRM測(cè)量的傳輸。這里，公共控制信令包括同步信號(hào)、下行系統(tǒng)信息和上行鏈路的隨機(jī)接入信道。至少應(yīng)考慮基于波束掃描的初始信道設(shè)計(jì)。

與LTE系統(tǒng)類似，NR中的UE在數(shù)據(jù)傳輸和接收之前必須執(zhí)行某些步驟。這些過程包括小區(qū)搜索和下行鏈路同步、系統(tǒng)信息的采集和隨機(jī)接入?；旧?，物理同步信號(hào)被傳輸用于小區(qū)識(shí)別和時(shí)間同步，PBCH將系統(tǒng)信息傳送給所有UE。同樣，隨機(jī)接入信道用于獲取上行時(shí)間同步和系統(tǒng)信息。因此，應(yīng)確保在服務(wù)小區(qū)內(nèi)可靠地接收這些信號(hào)和所有UE的信息，應(yīng)采用用于初始接入的波束掃描傳輸，如圖3所示。

RRM測(cè)量還需要考慮波束掃描，獲取同步和廣播信息的UE需要獲取每個(gè)相鄰小區(qū)不同波束的信道強(qiáng)度信息來(lái)進(jìn)行小區(qū)選擇和RSRP報(bào)告。為此，需要引入基于波束掃描的附加參考信號(hào)。

定向波束信號(hào)質(zhì)量測(cè)量是NR波束/小區(qū)選擇和RRM測(cè)量的基礎(chǔ)，是保證NR基本覆蓋的關(guān)鍵。由于基于波束賦形的高度定向性，gNB和UE需要在正確的方向上對(duì)準(zhǔn)以獲得最大增益。用于NR的gNB可以使用結(jié)合模擬波束賦形和數(shù)字預(yù)編碼的混合波束賦形，其中gNB發(fā)送具有特定波束的參考信號(hào)，所述特定波束是根據(jù)通過改變波束賦形權(quán)重而創(chuàng)建的天線圖案而預(yù)定義的。UE測(cè)量來(lái)自每個(gè)方向的參考信號(hào)的質(zhì)量。UE可以通過測(cè)量的質(zhì)量來(lái)選擇最佳的波束并反饋給gNB。

因此，NR中的波束賦形接入需要引入特定于波束的參考信號(hào)，稱這些參考信號(hào)為波束測(cè)量參考信號(hào)。

NR中的波束測(cè)量參考信號(hào)的主要目的是在UE與其服務(wù)NR gNB之間選擇最佳波束對(duì)，其可用于控制信令和數(shù)據(jù)通信。波束測(cè)量參考信號(hào)具有如下特征：

1.?波束測(cè)量參考信號(hào)的作用類似于小區(qū)特定的參考信號(hào)。即：用于波束賦形接入的波束測(cè)量參考信號(hào)被周期性地發(fā)送，例如PSS/SSS/BCH。

2.?波束測(cè)量參考信號(hào)占據(jù)不同波束上的多個(gè)符號(hào)，覆蓋整個(gè)區(qū)域。即，從gNB發(fā)送單個(gè)Tx波束上的波束測(cè)量參考信號(hào)，直到發(fā)送所有Tx波束。

圖4展示了幀結(jié)構(gòu)中與波束測(cè)量參考信號(hào)相關(guān)的傳輸。用于波束選擇的波束測(cè)量參考信號(hào)應(yīng)定期從gNB傳輸，如同步信號(hào)/廣播信道。與波束特定參考信號(hào)相關(guān)的程序的一個(gè)示例如下：

① gNB在子幀/幀中發(fā)送多個(gè)波束測(cè)量參考信號(hào)，以支持gNB的波束數(shù)。一個(gè)具有不同N個(gè)波束的UE在波束測(cè)量期間保持其UE?Rx波束，并在每一束測(cè)量參考信號(hào)周期切換。

② UE通過比較當(dāng)前幀和前一幀估計(jì)的信號(hào)質(zhì)量來(lái)選擇最佳波束對(duì)。

③ UE通過PUCCH/PUSCH將最佳gNB Tx波束索引發(fā)送到gNB，并存儲(chǔ)與估計(jì)的gNB Tx波束索引相對(duì)應(yīng)的UE Rx波束索引。

蜂窩系統(tǒng)中混合波束賦形的波束選擇需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)選擇波束，因?yàn)榉?wù)的gNB需要在所有可能的波束組合中選擇最佳波束對(duì)。為了減少波束選擇的時(shí)長(zhǎng)，它可以應(yīng)用于子幀/幀中分配的符號(hào)束，但它可能會(huì)給蜂窩系統(tǒng)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。事實(shí)上，gNB和UE波束之間的微小失調(diào)可能會(huì)導(dǎo)致接收功率的顯著損失，特別是對(duì)于具有窄波束的系統(tǒng)。因此，在設(shè)計(jì)波束選擇框架時(shí)，需要考慮到波束測(cè)量參考信號(hào)的開銷與波束測(cè)量周期之間的最佳權(quán)衡。此外，利用波束測(cè)量參考信號(hào)，可以進(jìn)一步有效的改善波束選擇機(jī)制。例如，還可以考慮用于波束細(xì)化的附加UE特定參考信號(hào)。

波束賦形NR中的CSI采集

MIMO和波束賦形技術(shù)是數(shù)字信號(hào)采集的關(guān)鍵技術(shù)之一，CSI信息的獲取是多天線技術(shù)的關(guān)鍵因素之一。在FDD模式下，UE測(cè)量下行CSI，然后將測(cè)量反饋給gNB。在TDD系統(tǒng)中，一般方法是gNB通過上下行互易性來(lái)測(cè)量上行傳輸（例如SRS）的下行CSI。在FDD模式下，NR沒有上下行互易和部分上下行互易的情況。在TDD模式下NR工作時(shí)，可以得到完全上下行互易和部分上下行互易的情況。

TDD模式

具有高頻（>6GHz）的NR可以具有用于BS?Tx和Rx天線的各種配置選項(xiàng)。一個(gè)配置選項(xiàng)是Tx和Rx使用單獨(dú)的天線面板。一個(gè)例子如圖5所示。這種配置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是沒有開關(guān)損耗。由于Tx和Rx不共享相同的天線，不能假設(shè)完全的上下行互易。Tx和Rx天線面板的放置以及Tx和Rx面板之間的距離可能產(chǎn)生不同水平的上下行互易性。如果面板足夠近，仍然可以假設(shè)最佳覆蓋模擬波束存在上下行互易，因?yàn)榈竭_(dá)角與離去角相同，并且可以假設(shè)長(zhǎng)期CSI存在上下行互易。

BS天線的另一個(gè)配置選項(xiàng)是Tx和Rx共用相同的天線。這里可以假設(shè)上下行互易性是最佳覆蓋波束和信道CSI。但是，這種配置有開關(guān)損耗。開關(guān)損耗不影響最佳覆蓋波束的上下行互易性，但會(huì)影響信道CSI的上下行互易性。影響上下行互易性的另一個(gè)因素是UE天線配置。UE天線配置可以有各種選項(xiàng)，包括：

1.?·Tx和Rx共用天線。

2.?·Tx和Rx使用單獨(dú)的天線

3.?·UE對(duì)Tx的波束賦形能力有限或沒有

4.?·UE對(duì)Tx具有完整的波束賦形能力

5.?·UE對(duì)Rx的波束賦形能力有限或沒有

6.?·UE具有完整的接收波束賦形能力。

如果UE Tx和Rx共用天線并且Tx和Rx具有相同的波束賦形能力，則可以假設(shè)最佳覆蓋波束和信道CSI的完全上下行互易性。但在所有其他情況下，目前不能假定上下行完全對(duì)等。在Tx和Rx具有不同波束形成能力的情況下，可能不會(huì)假設(shè)最佳覆蓋波束和CSI的上下行互易性。在Tx和Rx具有相同的波束賦形能力但使用不同的天線的情況下，仍然可以假設(shè)部分上下行互易。

上行SRS傳輸是TDD模式下通過上下行互易性測(cè)量CSI最常用的方法。在波束賦形系統(tǒng)中，下行鏈路傳輸由一些Tx波束形成，上行傳輸由一些Rx波束接收。為了利用完整的上下行互易性，BS應(yīng)該對(duì)一個(gè)UE的Tx和Rx使用相同的波束。BS應(yīng)該使用相同的波束來(lái)接收來(lái)自一個(gè)UE的SRS傳輸。該波束為模擬波束，用于時(shí)域信號(hào)。因此BS只能對(duì)一個(gè)SRS OFDM符號(hào)應(yīng)用一個(gè)波束。這可能對(duì)上行SRS的設(shè)計(jì)和調(diào)度帶來(lái)一些挑戰(zhàn)。BS需要確保在相同SRS ?OFDM符號(hào)上調(diào)度的ue具有相同的Rx覆蓋波束。如果UE具有Tx和Rx波束賦形能力，應(yīng)該確保UE將相同的波束應(yīng)用到SRS傳輸中，作為用于下行接收的波束。

如上所述，對(duì)于TDD模式下的波束賦形NR系統(tǒng)，不能總是假設(shè)完全上下行互易。對(duì)于只有部分上下行互易性的情況，可能需要一些來(lái)自UE的DL測(cè)量反饋來(lái)幫助CSI捕獲。

FDD模式

在FDD系統(tǒng)中，通常沒有完全的上下行互易性。當(dāng)下行和上行之間的保護(hù)帶寬較大時(shí)，F(xiàn)DD沒有上下行互易性。當(dāng)下行和上行之間的保護(hù)帶寬不大時(shí)，可以有部分的上下行互易性，這使得我們能夠從上行傳輸中獲得用于下行的長(zhǎng)期CSI信息。在波束賦形NR中，由于載波頻率的不同，可以得到不同的Tx波束和Rx波束，從而降低了上下行互易性。窄波束使用波束賦形NR可以減少信道延遲擴(kuò)展，并且可以增加最小保護(hù)帶寬的值，從而獲得部分上下行互易性。

基站天線配置對(duì)CSI捕獲有影響。一個(gè)BS天線配置選項(xiàng)是雙極化配置和不同面板上的不同極化。此配置選項(xiàng)的一個(gè)示例如圖6所示，每個(gè)面板由具有相同極化的天線組成。不同面板上使用的Tx波束可以相同也可以不同。從一個(gè)面板測(cè)得的CSI不能應(yīng)用于其他面板。如果基站發(fā)送CSI-RS來(lái)測(cè)量所有的天線面板，開銷可能會(huì)過大。