5G NR系統(tǒng)初始波束選擇技術(shù)研究

王小艷

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，第五代移動(dòng)通信(5th Generation Mobile Communication，5G)技術(shù)已經(jīng)商用3年多。5G已成為實(shí)現(xiàn)高速度、超高可靠性、低時(shí)延和海量機(jī)器類通信的最佳方案。目前，5G商用的是6 GHz以下的中低頻段，高頻段的毫米波NR系統(tǒng)還在進(jìn)一步的研究中，暫未實(shí)現(xiàn)商用。毫米波作為5G中的一個(gè)核心技術(shù)，可以使用高頻段大量的空閑帶寬來提供更多的通信資源，提高系統(tǒng)吞吐量及傳輸速率。毫米波雖然有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但是也面臨著若干挑戰(zhàn)：衰減嚴(yán)重，繞射能力差。毫米波面臨的首要問題是覆蓋問題。波束賦形就是為了解決這一問題而誕生的。5G NR中的波束管理包括波束的掃描、測(cè)量、確認(rèn)、上報(bào)以及失敗恢復(fù)5個(gè)部分。其中，第一階段波束掃描是搜索尋找最優(yōu)波束的過程。優(yōu)秀的波束搜索算法要達(dá)到時(shí)間復(fù)雜度和準(zhǔn)確度兩者之間的平衡，在保證準(zhǔn)確度的前提下盡量降低時(shí)間復(fù)雜度[1]。本文將對(duì)毫米波段的NR系統(tǒng)中的初始接入過程進(jìn)行闡述，并對(duì)影響接入過程的關(guān)鍵技術(shù)——波束搜索方法進(jìn)行研究。

1 毫米波初始波束搜索方法研究現(xiàn)狀

最基礎(chǔ)的波束搜索算法是窮舉掃描法，它對(duì)收發(fā)端所有波束進(jìn)行依次配對(duì)掃描，從中選出最優(yōu)的一對(duì)波束，其時(shí)間復(fù)雜度為O(n2)[1]。窮舉掃描法是最穩(wěn)定的波束搜索算法，但也存在致命的問題——波束掃描時(shí)延較大。窮舉掃描算法如圖1所示[2]。IEEE802.11ad和 802.15.3c中提出了類似的分級(jí)掃描方法。分級(jí)掃描方法的基本思路如下：第一步收發(fā)端都使用少量天線形成較寬波束，進(jìn)而在該波束集上進(jìn)行窮舉掃描來完成配對(duì)；第二步在第一步的掃描結(jié)果區(qū)域內(nèi)再細(xì)化波束，由此反復(fù)，最終找到最優(yōu)波束對(duì)，降低了搜索準(zhǔn)確率[3]。單邊搜索法和窮舉搜索法的唯一區(qū)別是基站使用全向波束發(fā)送同步信號(hào)，不需要基站在UE波束搜索過程中的遍歷[4]，單邊搜索法和分級(jí)掃描方法一樣，雖然降低了時(shí)延，但犧牲了小區(qū)覆蓋。單邊搜索算法如圖2所示。近年來，有學(xué)者和研究人員將人工智能用于波束的掃描，這是非常前沿的嘗試，也是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 窮舉掃描算法

圖2 單邊搜索算法

2 5G NR初始接入過程概述

當(dāng)UE開機(jī)或者從IDLE態(tài)嘗試進(jìn)入Connection態(tài)時(shí)，需要UE接入NR網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)過程叫做初始接入過程。初始接入過程是完成UE和gNB上行同步的過程。初始接入有兩個(gè)目的：(1)UE與基站實(shí)現(xiàn)無線接入系統(tǒng)的上行同步；(2)分配發(fā)送message3的信道資源。有兩種情況會(huì)觸發(fā)UE從IDLE態(tài)到connection態(tài)，其中一種是UE有上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送給基站，另外一種是周期性尋呼，如果判斷后需要進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸，則進(jìn)入connection態(tài)。UE有上行數(shù)據(jù)需要發(fā)送的場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 初始接入過程(需要發(fā)送上行數(shù)據(jù))

UE進(jìn)行小區(qū)選擇。小區(qū)選擇有兩種情況：一種是UE保存有駐留過的小區(qū)信息，這種情況下只需要掃描已存在的列表頻點(diǎn)，掃頻耗時(shí)較短；另外一種是沒有之前的駐留信息，這種情況下需要全頻段掃描；最壞的情況是掃描已有列表失敗，UE需要再進(jìn)行全頻段掃描。在完成小區(qū)選擇之后，UE要進(jìn)行初始波束搜索。初始波束搜索又包括UE波束搜索和基站波束搜索兩個(gè)階段，目的是確定UE和基站之間上下行數(shù)據(jù)通信的波束方向。

小區(qū)搜索是UE獲取與小區(qū)的時(shí)間和頻率同步并檢測(cè)該小區(qū)CellID的過程。NR小區(qū)搜索基于位于同步柵格上的主要和輔助同步信號(hào)以及PBCH DMRS。小區(qū)搜索的過程中，UE需要根據(jù)已選定的波束選擇方案執(zhí)行波束掃描，UE需要重復(fù)小區(qū)搜索的過程直到小區(qū)搜索成功。小區(qū)搜索成功后，UE會(huì)繼續(xù)獲取其他的系統(tǒng)信息。這里提到最小系統(tǒng)信息(Remaining Minimum System Information， RMSI)的概念，RMSI中包含隨機(jī)接入所需要的資源配置信息。

隨機(jī)接入過程完成UE與基站之間的上行同步，使UE能被NR系統(tǒng)識(shí)別，并分配用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲匈Y源。在NR中，出發(fā)UE發(fā)起隨機(jī)接入的事件類型和LTE中是相似的，而且也支持和LTE中類似的兩種隨機(jī)接入類型，分別是CBRA(Contention-based Random Access)和CFRA(Contention-free Random Access)。在開始隨機(jī)接入的流程之前，UE已經(jīng)通過小區(qū)搜索及系統(tǒng)信息讀取確定了需要接入的基站的基本信息，其中包括波束方向、SSB索引以及PRACH資源位置等。UE在指定的波束上發(fā)送preamble并完成后續(xù)的隨機(jī)接入流程。隨機(jī)接入過程成功可以判斷出其中的基站波束搜索也成功。此時(shí)，UE和基站完成了上行和下行鏈路的雙向同步，初始接入的過程已經(jīng)成功完成，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)镹R的PRACH信道是基于LTE設(shè)計(jì)的，所以會(huì)發(fā)現(xiàn)NR和LTE在隨機(jī)接入流程匯總差別不大，最大的區(qū)別就是NR中的隨機(jī)接入是基于波束的接入，下行波束基于SSB索引，上行波束基于PRACH Occasion。

周期性尋呼的下行數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。當(dāng)UE尋呼定時(shí)器到期后，UE需要判斷是否被基站尋呼。接下來的流程和需要發(fā)送上行數(shù)據(jù)的流程類似，只是在完成小區(qū)搜索和系統(tǒng)信息讀取后，需要獲取基站發(fā)起尋呼信令所使用的資源位置，之后UE在該位置上接收基站發(fā)送的尋呼列表信息，進(jìn)而判斷是否被尋呼。如果被尋呼那么進(jìn)入隨機(jī)接入流程，否則UE繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

圖4 初始接入過程(周期性尋呼)

從以上兩種初始接入過程的流程介紹中可以看到，初始波束搜索是整個(gè)流程的關(guān)鍵，也是和LTE網(wǎng)絡(luò)完全不同的全新概念。波束選擇方法直接決定了波束搜索的時(shí)延，進(jìn)而也決定了整個(gè)初始接入過程的時(shí)延，研究波束選擇方案是非常必要的，優(yōu)秀的波束選擇方案可以大大降低初始接入時(shí)延，提升用戶感知。

3 5G NR初始波束搜索方法研究

5G相關(guān)的3GPP標(biāo)準(zhǔn)中給出了同步信號(hào)(Synchronization Signal Block， SSB)的相關(guān)定義。一個(gè)波束對(duì)應(yīng)一個(gè)SSB。SSB包含3個(gè)組件，分別是主同步信號(hào)PSS、輔同步信號(hào)SSS以及物理廣播信道PBCH。SSB的時(shí)頻結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SSB時(shí)頻結(jié)構(gòu)

SSB是周期性傳輸?shù)?，這樣可以確保小區(qū)的覆蓋。SSB在不同波束中的重復(fù)傳輸被稱為一個(gè)SSB burst集合。在毫米波頻率下，在一個(gè)SSB發(fā)送的半幀(5 ms)中，SSB塊的發(fā)送個(gè)數(shù)最大為64個(gè)。初始小區(qū)選擇中SSB burst集的默認(rèn)周期為20 ms。根據(jù)協(xié)議中的描述，按照不同頻段和SSB子載波間隔，一個(gè)半幀內(nèi)的SSB位置會(huì)有5種不同的情況，毫米波頻率根據(jù)SSB子載波間隔的不同有兩種情況：第一種情況子載波間隔為120 kHz，候選SS/PBCH塊的第一個(gè)符號(hào)索引為Index={4,8,16,20} + 28 ×n，其中n= 0～3,5～8,10～13,15～18.；第二種情況子載波間隔為240 kHz，候選SS/PBCH塊的第一個(gè)符號(hào)索引Index={8,12,16,20,32,36,40,44} + 56 ×n，其中n= 0～3,5～8。

對(duì)SSB時(shí)頻結(jié)構(gòu)和資源分配簡(jiǎn)單闡述后，本節(jié)主要對(duì)波束搜索的幾種常見方法進(jìn)行研究，并對(duì)其在小區(qū)搜索階段的性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 窮舉搜索法

對(duì)于搜索算法而言，時(shí)間復(fù)雜度和成功率是非常重要的兩個(gè)指標(biāo)，而且兩者一直是博弈的關(guān)系，在選擇算法的時(shí)候應(yīng)該保持一個(gè)最基本的原則，那就是在保證一定成功率的前提下，盡可能地降低計(jì)算的復(fù)雜度。最簡(jiǎn)單的波束掃描算法——窮舉搜索法在上文已闡述，已知FR2頻段每個(gè)SSB集最多發(fā)送64個(gè)SSB。由于其窮舉的銹點(diǎn)，搜索成功率應(yīng)該是所有算法中最高的，但是其時(shí)間復(fù)雜度高，難以滿足5G大部分低時(shí)延的場(chǎng)景。假設(shè)基站波束數(shù)量為NBS，用戶波束數(shù)量為NUE，SSB集合內(nèi)的最大SSB資源數(shù)為NSSB，每個(gè)SSB的傳輸周期為TSSB，則時(shí)間復(fù)雜度n=NBS×NUE。假設(shè)基站可以在每個(gè) OFDM 符號(hào)發(fā)射Npanel條波束，則完成窮舉搜索需要的OFDM數(shù)為NOFDM=NBS×NUE/Npanel。假設(shè)小區(qū)搜索一次成功，則搜索算法的最大時(shí)延為TE=NUE×TSSB。很容易看出UE的波束越多，算法的時(shí)延越大。

3.2 單邊分層搜索算法

IEEE 802.15.3c和802.11ad都提出了類似的分級(jí)掃描方法。基于分層碼本的波束搜索算法，其核心思路分為兩個(gè)步驟，分別是搜索最優(yōu)扇區(qū)和搜索最優(yōu)波束。搜索最優(yōu)扇區(qū)時(shí)通過設(shè)計(jì)碼本先將波束搜索過程分為精細(xì)度不同的層級(jí)，進(jìn)而通過粗粒度層級(jí)的掃描找到性能最優(yōu)的扇區(qū)，搜索最優(yōu)波束時(shí)需要在細(xì)精粒度層級(jí)進(jìn)行搜索，從而找到該扇區(qū)內(nèi)的最優(yōu)波束。單邊分層掃描算法是一種改進(jìn)的分層波束搜索算法。其核心思想是將SSB集合劃分為盡可能多的資源塊，且每個(gè)資源塊包含的SSB資源數(shù)為基站的波束數(shù)量[4]。假設(shè)基站波束數(shù)量為NBS，用戶波束數(shù)量為NUE，SSB集合內(nèi)的最大SSB資源數(shù)為NSSB，每個(gè)SSB的傳輸周期為TSSB。則每個(gè)SSB集合可以劃分的資源塊數(shù)量為：

(1)

假設(shè)小區(qū)搜索一次成功，則單邊分層搜索算法的最大時(shí)延為：

(2)

當(dāng)NSSB<2×NBS時(shí)，SSB集合只能劃分出一個(gè)資源塊，此時(shí)單邊分層搜索算法在第二階段的時(shí)延將會(huì)大于窮舉搜索法，由此可見該算法不適合基站波束數(shù)量配置較高的場(chǎng)景。當(dāng)NSSB>2×NBS時(shí)，該方法不僅提高了SSB的利用率，而且降低了搜索算法的復(fù)雜度[4]。

3.3 波束分集搜索算法

英特爾公司在文獻(xiàn)提出過采樣波束可以保證用戶和基站的小區(qū)覆蓋，給出了基站波束分集搜索算法。該算法根據(jù)波束的空間相關(guān)性將基站波束分成不同的集合。算法的核心思路是：第一步用戶通過掃描分集后的任意一層基站波束進(jìn)而找到最佳的接入波束；第二步以第一步結(jié)果作為依據(jù)來搜索所有基站波從而改善波束搜索精度。具體方法如下：將基站側(cè)的波束根據(jù)其空間相關(guān)度分成幾個(gè)子集。在接入過程中，子集在空間上是等效的。假設(shè)將基站波束分成了4個(gè)子集，UE只需要掃描所有基站1/4的波束來完成第一步的操作，即可選出最佳接入波束?？偛ㄊ鴴呙璧却龝r(shí)間減少到窮舉搜索法的1/4。由此可見，子集劃分越多，時(shí)間復(fù)雜度越低[5]。受到以上分集思路的啟發(fā)，也可以將分集方法利用到UE側(cè)的波束上，這樣可以在雙向都實(shí)現(xiàn)算法復(fù)雜度的優(yōu)化。與窮舉搜索法相比，該算法的時(shí)間復(fù)雜度明顯優(yōu)于窮舉搜索法和單邊分層搜索算法。

4 結(jié)語

5G低中頻段使用率越來越高，研究和使用5G毫米波頻段勢(shì)在必行。初始波束搜索算法的成功率和時(shí)間復(fù)雜度直接影響5G NR的初始接入成功率和時(shí)延，進(jìn)而影響用戶感知。本文在分析了初始波束搜索算法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)比了窮舉搜索算法、單邊分層搜索算法和波束分集搜索算法的性能，得出波束分集搜索算法是最優(yōu)算法，而且子集劃分越多，該算法復(fù)雜度越低，雖然犧牲了部分成功率，但是權(quán)衡兩者，其仍然是最佳算法。