基于波束的接入技術(shù)是解決NR無線接入覆蓋問題的一種有效機(jī)制，本文是根據(jù)華為提出的，對(duì)基于波束的接入過程和相應(yīng)的信道設(shè)計(jì)的看法。

多波束和單波束傳輸方案概述

在NR中，接入方案的設(shè)計(jì)應(yīng)涵蓋TRP和UE的不同場(chǎng)景和不同的假設(shè)能力。在NR的低頻網(wǎng)絡(luò)中，TRP/UE的下行覆蓋區(qū)域或上行覆蓋距離可以由單個(gè)波束覆蓋。然而，在高頻的情況下，由于較大的路徑損耗，信道/信號(hào)傳輸嚴(yán)重依賴于高度定向鏈路。在這種情況下，需要多個(gè)波束覆蓋下行區(qū)域并進(jìn)行初始接入，這稱為基于多波束的方法。無論如何，從UE的角度來看，對(duì)于基于多波束或單波束的方法，初始接入過程應(yīng)該盡可能統(tǒng)一。

就同步信號(hào)（SS：synchronization signal）設(shè)計(jì)而言，TRP的波束賦形能力最終決定了如何將hypercell 中的這些TRP特定信號(hào)傳輸?shù)礁采w區(qū)域中的所有UE。然而，設(shè)計(jì)和由此產(chǎn)生的最壞情況時(shí)延還需要考慮UE的波束賦形能力。一些UE可能只有有限數(shù)量的接收機(jī)，并且可能需要監(jiān)聽具有不同接收機(jī)波束的連續(xù)同步周期以完全獲取最佳空間、頻率和時(shí)間點(diǎn)。其他UE可以具有多個(gè)接收機(jī)（因此能夠同時(shí)在不同波束方向上接收），并且因此能夠更快地獲得同步。

取決于TRP的波束賦形能力，它可以在一個(gè)方向、多個(gè)方向或者實(shí)際上在所有可能的方向上同時(shí)發(fā)送同步信號(hào)。很明顯，從理論上講，在同一時(shí)間向盡可能多的不同方向傳輸將導(dǎo)致較短的同步時(shí)間。然而，這取決于調(diào)節(jié)器如何設(shè)置TRP的最大發(fā)射功率（EIRP：effective isotropic radiated power）的最終規(guī)定，因?yàn)?/span>同時(shí)在所有方向上發(fā)射可能導(dǎo)致每個(gè)波束的發(fā)射功率降低。

對(duì)于基于波束的初始接入信道/信號(hào)，NR系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮以下問題：

1.?基于多波束方法的開銷

2.?基于波束傳輸?shù)目煽啃?/span>

3.?TRP/UE復(fù)雜性

順序波束掃描

在NR中，一次只能形成一個(gè)波束的TRP需要在一組定向波束圖中循環(huán)，一次一個(gè)，稱為具有時(shí)分復(fù)用（TDM:time division multiplexing ）方式的波束掃描，如圖1所示。這些多波束可以設(shè)計(jì)成覆蓋不同的角度子范圍，同時(shí)共同跨越整個(gè)角度空間或感興趣的角度范圍。這樣的方案是波束掃描的最簡(jiǎn)單方式，并且不一定需要在每個(gè)波束方向上發(fā)送不同的序列來表示該方向（即：不需要波束ID），因?yàn)楫?dāng)幀在同一方向上傳輸?shù)牟ㄊg具有唯一的時(shí)差時(shí)，UE可以識(shí)別波束ID（或波束方向）。

TDM方案適用于任何波束賦形類型，包括模擬波束賦形、混合波束賦形和數(shù)字波束賦形。如圖1所示。其中，每個(gè)波束的信道/信號(hào)的傳輸時(shí)間粒度可以是符號(hào)級(jí)（一個(gè)或多個(gè)符號(hào)）或子幀級(jí)。隨著掃描波束數(shù)量的增加，這些初始接入信道/信號(hào)的波束掃描時(shí)間也變大。

頻率復(fù)用多波束傳輸

在NR中，具有數(shù)字或混合（數(shù)字和射頻）波束賦形能力的TRP將能夠在不同的頻率子帶上同時(shí)在不同方向上發(fā)射多個(gè)同步波束（稱為FDM方案）。這樣，可以在一次傳輸時(shí)間內(nèi)完成多波束掃描。

然而，F(xiàn)DM方案減少的掃描時(shí)間是以要在UE處檢測(cè)的同步信號(hào)的增加數(shù)量為代價(jià)的，這分別導(dǎo)致檢測(cè)復(fù)雜度的倍增加。另外，如前所述，取決于調(diào)節(jié)器如何設(shè)置最終TRP發(fā)射功率，如果需要降低每個(gè)發(fā)射波束的發(fā)射功率，則將由TRP發(fā)射的頻率復(fù)用同步波束的數(shù)目增加到超過某個(gè)限制可能不會(huì)導(dǎo)致性能增益。另一方面，可用于該方案的子帶的最大數(shù)目應(yīng)受到UE的最小帶寬的限制。

碼分復(fù)用多波束傳輸

在NR中，在同步期間具有多個(gè)可用RF鏈的TRP也能夠在相同的時(shí)間和頻率發(fā)射用于同步的不同波束方向（稱為CDM方案）。為了能夠區(qū)分這些不同的波束方向，TRP將需要發(fā)送每個(gè)波束方向的序列。

這種同步多波束同步信號(hào)傳輸與順序波束掃描相比具有較低的開銷、較高的時(shí)間效率，并且與頻率復(fù)用多波束傳輸相比具有較高的定時(shí)精度。通過給每個(gè)定向波束分配不同的同步信號(hào)，可以在同步信號(hào)和角度子范圍之間建立一對(duì)一的映射。具有多波束接收能力的UE還可以采用多個(gè)適當(dāng)設(shè)計(jì)的波束來同時(shí)采集接收到的信號(hào)，并對(duì)所有多波束同步信號(hào)執(zhí)行并行相關(guān)檢測(cè)。因此，UE可以在成功地檢測(cè)到這些同步信號(hào)中的任何一個(gè)時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間/頻率同步。此外，UE可以比較所有成功檢測(cè)到的同步信號(hào)的接收功率電平，并且通過它們的索引來獲取信道的角度信息。這種同時(shí)的多波束同步信號(hào)傳輸在下面的圖3中示出。

與FDM類似，CDM方案也帶來了更高的檢測(cè)復(fù)雜度，并且需要在波束之間共享發(fā)射功率，從而導(dǎo)致每個(gè)波束的功率降低。此外，隨著同時(shí)波束的數(shù)目增加，隨著UE可以同時(shí)接收多個(gè)波束（及其各自的序列），波束的序列設(shè)計(jì)（尤其是互相關(guān)特性）變得更加關(guān)鍵。

總結(jié)

上述方案可以采用不同的方式組合。兩個(gè)具體例子如下：

1） 同步多波束傳輸，帶時(shí)間順序波束掃描（2.2+2.4）

如果TRP可以執(zhí)行數(shù)字或混合波束賦形，但是沒有足夠的RF鏈來同時(shí)支持在所有可能的波束方向上的同時(shí)傳輸，則TRP可以按順序方式旋轉(zhuǎn)所傳輸波束的子集以覆蓋所有可能的方向，如圖4所示。

TRP一次可以發(fā)射K個(gè)波束，而UE一次可以接收J(rèn)個(gè)波束。K個(gè)同時(shí)TRP波束的訓(xùn)練時(shí)間可以是一個(gè)或多個(gè)OFDM符號(hào)。在一個(gè)波束訓(xùn)練周期內(nèi)，TRP嘗試NK波束，而UE嘗試J個(gè)波束。假設(shè)TRP只需要嘗試NK波束，UE需要嘗試MJ波束，則TRP和UE的波束對(duì)準(zhǔn)最差訓(xùn)練時(shí)間為M個(gè)波束訓(xùn)練周期。

通過這種方式，可以覆蓋整個(gè)角度空間，并且同步的時(shí)間開銷可以比一次激活一個(gè)波束并依次掃描的情況低得多。

2）連續(xù)波束掃描（2.2+2.3+2.4）時(shí)頻同步多波束傳輸

除了上述（1）中的組合之外，還可以在頻域中復(fù)用不同的波束方向，以進(jìn)一步減輕關(guān)鍵序列設(shè)計(jì)。下面在圖5中示出了這一示例。

接入流程

接入流程取決于網(wǎng)絡(luò)部署場(chǎng)景：

1） NR在低頻（例如，sub-6ghz）和高頻下工作，NR低頻的TRP可以協(xié)助高頻的TRP完成NR的接入過程。這種部署被稱為“LF-assisted HF”。在這種情況下，假設(shè)UE已經(jīng)實(shí)現(xiàn)到LF-TRP的粗略同步并且已經(jīng)連接到低頻網(wǎng)絡(luò)?？梢詧?zhí)行以下步驟：

從圖6可以看出，UE在從LF覆蓋獲得上行接入前導(dǎo)碼后進(jìn)行隨機(jī)接入，它可以利用一些窄波束掃描來提高TRP側(cè)的SNR。換句話說，訓(xùn)練和隨機(jī)接入可以同時(shí)進(jìn)行，其中UE應(yīng)該在每個(gè)窄波束中發(fā)送隨機(jī)接入信息。TRP將對(duì)UE的窄波束有多個(gè)接收，并檢測(cè)哪個(gè)窄波束對(duì)UE最好。因此，在接下來的步驟中，TRP將另外將結(jié)果通知UE。從那時(shí)起，UE應(yīng)該使用窄波束進(jìn)行傳輸和接收。

1）在NR中，高頻網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立運(yùn)行。在這種情況下，流程應(yīng)盡可能采用LF輔助HF的通用設(shè)計(jì)，特別是小區(qū)搜索、同步和MIB/SIB傳送。

為了在不同場(chǎng)景下努力在多個(gè)波束賦形控制面信道/信號(hào)（例如同步信號(hào)和系統(tǒng)信息）的延遲和開銷之間進(jìn)行折衷，可以考慮通過波束打開/關(guān)閉的漸進(jìn)按需傳輸，其被命名為MBC：Multiple Beamforming for Control（用于控制的多波束賦形），如圖7所示。在該方案中，傳輸了兩種不同周期的波束，一種是為處于不同狀態(tài)（例如Idle/Connected/New State）的所有UE攜帶具有長(zhǎng)期周期的同步信號(hào)/MIB/SIB。在這些高亮波束的基礎(chǔ)上，其他短周期波束通過波束開/關(guān)來實(shí)現(xiàn)按需的系統(tǒng)信息傳遞，而波束開/關(guān)可以通過檢測(cè)波束形成的SS得到。

波束開/關(guān)流程的圖示如圖8所示。UE解析優(yōu)選波束索引并將其報(bào)告給gNB。根據(jù)UE的反饋，關(guān)閉未使用的波束1、波束3和波束5。在以下過程中，波束賦形系統(tǒng)信息（例如SIB1/SIB2）僅與所選波束一起發(fā)送。因此，對(duì)于基于多波束的方法，建議基于UE的波束發(fā)現(xiàn)過程的按需系統(tǒng)信息傳遞來減少開銷。同步信號(hào)和廣播信道的占空比可以相應(yīng)地伸縮。

同步信號(hào)

與LTE中的同步信號(hào)類似，NR中的同步信號(hào)的基本功能仍然是執(zhí)行時(shí)間/頻率同步和小區(qū)搜索，即使同步信號(hào)的傳輸是在NR中的不同波束上執(zhí)行的，用于同步信號(hào)的序列應(yīng)具有良好的自相關(guān)特性。然而，從UE側(cè)的角度來看，不優(yōu)選必須在不同時(shí)刻檢測(cè)不同的同步序列，特別是對(duì)于波束之間的TDM方式。這是因?yàn)橥叫盘?hào)的時(shí)間資源映射可以隱式地指示TDM波束的相關(guān)信息。在這種情況下，發(fā)送多個(gè)同步序列將增加UE側(cè)的檢測(cè)復(fù)雜度。因此，應(yīng)當(dāng)努力在一個(gè)子幀的不同符號(hào)處的不同波束上使用相同的同步序列（至少對(duì)于PSS），如圖1所示。此外，可以應(yīng)用具有功率提升的相對(duì)較寬的波束來傳輸SS和廣播信道，以減少用于波束掃描的符號(hào)的數(shù)目。每個(gè)符號(hào)處的實(shí)際波束方向取決于實(shí)現(xiàn)，并且可以由網(wǎng)絡(luò)控制。

此外，對(duì)于波束之間的FDM方式，從TRP的角度來看，在OFDM符號(hào)內(nèi)的不同子帶中的不同波束上使用相同序列更簡(jiǎn)單。與CDM方式相比，這種方式可以簡(jiǎn)化順序設(shè)計(jì)。同時(shí)，在這種情況下，需要注意的是，UE必須利用不同的時(shí)域同步信號(hào)來執(zhí)行定時(shí)檢測(cè)。因此，該方法具有與CDM方法相似的檢測(cè)復(fù)雜度。

另一方面，對(duì)于波束之間的CDM方式，從TRP同時(shí)發(fā)送多個(gè)同步序列。UE需要嘗試從相同的接收時(shí)域信號(hào)中檢測(cè)所有這些同步序列。因此，這些用于同步信號(hào)的多個(gè)序列應(yīng)小心地設(shè)計(jì)為具有良好的互相關(guān)特性，以便保證UE處的高分離概率。否則，UE可以從包含另一同步信號(hào)的接收信號(hào)中以錯(cuò)誤的時(shí)延假設(shè)檢測(cè)一個(gè)同步信號(hào)，這反過來導(dǎo)致假警報(bào)和錯(cuò)誤的離開方向信息。

廣播信道

NR的廣播信道如何波束賦形？由于不同波束上的信息相同，因此可以使用任何形式的發(fā)射分集（即循環(huán)延遲分集（CDD： cyclic delay diversity）或其他形式）?；蛘?，TRP還可以使用發(fā)射分集或不同子帶的組合來發(fā)射不同的廣播波束。

在UE獲得同步和小區(qū)ID之后，它將對(duì)廣播信道（BCH）進(jìn)行解碼以獲得必要的系統(tǒng)信息。為了支持快速接入，在多個(gè)波束上重復(fù)相同的BCH。在同一波束內(nèi)，BCH的時(shí)頻資源應(yīng)與同步信號(hào)相連接，例如BCH和SS可以FDM或TDM方式復(fù)用，如圖9所示。

在TDM方式中，可以最小化用于承載SS和BCH的頻率資源以支持具有窄帶寬的UE。在FDM方式中，該方案可以減少接入時(shí)延，但是對(duì)UE施加了更大的最小帶寬要求。

隨機(jī)接入信道

基于上下行互易性，UE從下行同步過程中獲得優(yōu)選的上下行波束對(duì)。TRP掃描其接收波束以接收前導(dǎo)碼。假設(shè)TRP以與下行波束相同的順序掃描其接收波束以發(fā)送SS，并且每個(gè)波束對(duì)應(yīng)于一個(gè)資源，UE可以僅在對(duì)應(yīng)于TRP的接收波束的資源處發(fā)送其具有優(yōu)選UL波束的前導(dǎo)碼，如圖10所示。

另外，當(dāng)用于下行的Tx波束和用于上行的Rx波束不能在TRP處互易時(shí)，需要通過發(fā)送RACH資源/格式來進(jìn)行額外的上行Rx波束搜索。

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