5G TF 波束赋形功能测试的 OTA 设置

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5G TF 波束赋形功能测试的 OTA 设置

白皮书

摘要—本白皮书提出了一种实现多到达角（AoA）波束赋形空

中（OTA）测试的新方法，具体来说，就是使用现有的 6 GHz 以

下网络仿真器、毫米波射频前端和双极化喇叭天线，对多个同时

传输的下行链路波束进行空中测试。

传统的 3GPP 无线接入技术（RAT），例如 WCDMA 和 LTE，在 6 GHz 以下频段中运行，而支持对这些 RAT 进行功能测试的网络仿真器平台则主要关注所执行的设置。然而，Verizon 5G 技术论坛（5G TF）和 3GPP 5G 新空口（NR）等新标准将在更高的毫米波（mmWave）频率下运行，如 28 GHz，并且将采用波束赋形作为支柱性技术之一。本文中提出了一种新方法，利用同时传输的多个下行链路波束的多个到达角（AoA）来执行波束赋形空中（OTA）测试。这种新方法结合 6 GHz 以下频段网络仿真器、毫米波射频前端和双极化喇叭天线，可以很好地解决波束赋形 OTA 测试难题。

采用毫米波无线技术（如 5G TF 和 3GPP 5G NR 所指定的无线技术）的无线通信系统有望成为下一代无线通信系统，因为它们能够解决网络容量增加所导致的带宽不足的问题。然而，信号在高频电磁波中传输时，其传播损耗、衍射、叶簇和结构穿透损耗都显著增加。为了克服这种较高的路径损耗，并为信元边缘用户提供足够的带宽，运营商可以传输经过波束赋形的信号，这种信号在指定的方向上有很高的方向性。

从概念上来说，波束赋形是通过对天线单元阵列发射的波形进行相位和增益调整来实现的，这样做可以在特定的空间方向上提供高增益。数字、模拟或混合波束赋形的实现方法在控制波束形状和方向性、波束数量、成本/复杂性以及可实现的 MIMO 配置等方面提供了不同的灵活度。

图 1. 通过在不同的波束/AoA 上发射信号，实现对不同用户的多路复用

5G TF 和 NR 标准已经采用混合波束赋形作为支持技术，因为其波束赋形非常灵活，实施成本适中，并且能够同时支持 SU-MIMO（单用户）和 MU-MIMO（多用户）。混合波束赋形兼具模拟和数字波束赋形系统的优点，降低了硬件的总体复杂性。在这种混合结构中，基带和射频部分都进行了预编码和组合。混合波束赋形使得射频链和模数转换器（ADC）及数模转换器（DAC）的总数大大减少，在性能上与数字波束赋形相当，但需要的功率更少，复杂程度更低。参见图 2。

波束赋形参考信号

当用户设备（UE）初始接入时，下行链路中由 5G 节点发射的波束参考信号（BRS）用作 5G TF 波束赋形的基础。用户设备使用 BRS 来识别在给定时刻收到的唯一波束索引。BRS 的配置支持最多 8 个天线端口，最大可配置的 BRS 传输周期为 4 个子帧。每个子帧包含 14 个 OFDM 符号，每个符号有不同的逻辑波束组，因此支持最多 8 x 4 x 14 = 448 个逻辑波束。帧结构定义为 10ms 的无线帧，其中包含 50 个子帧，#0 和 #25 子帧是同步子帧，OFDM 符号支持 BRS 传输，最多可同时传输 8 个下行链路波束。

在实际的网络部署中，每个 OFDM 符号的 8 个下行链路波束可以映射到 4 对双极化（水平+垂直）传输，并使用天线阵列实现，以在特定空间方向上提供高度的方向性。通过沿着覆盖区域的方位面和俯仰面扫描窄波束，可以实现整个信元范围的覆盖。

信元搜索和波束采集

在 LTE 中，波束赋形仅适用于 3GPP 传输模式 5/8/9/10 支持的特定用户设备的信号和信道。但是，在 28 GHz 频段上的 5G TF 实施要求对所有物理层信号和信道使用波束赋形。这包括主同步信号（PSS ）、辅同步信号（SSS ）和扩展同步信号（ESS ）等信号，它们都嵌入有物理层信元 ID 和时间信息。诸如 xPBCH 等广播信道传送基本的系统信息，比如 MIB （主信息块）。这些信道也要进行波束赋形。BRS 、PSS 、SSS 、ESS 、xPBCH 均在同步子帧内相同的 OFDM 符号中进行了频域多路复用（FDM ），并通过波束扫描在覆盖区域内传输。

作为信元采集程序的一部分，用户设备使用 PSS 、SSS 、ESS 信号，通过宽或全向接收波束来确定目标信元的大致接收波束方向。然后，用户设备对信元执行时间和频率同步以及物理层信元 ID 检测。从 xPBCH 传输的 MIB 中解调基本系统信息比特，可以提供 BRS 端口数量（通过对 CRC 掩码进行盲解码）、BRS 传输周期和系统帧号（SFN ）时间信息等信息。在独立（SA ）工作模式中，用户设备会另外从系统信息块（xSIB ）获得初始接入参数。该信息块通过扩展的物理广播信道（ePBCH ）传输。获得系统信息后，用户设备会对来自同步子帧的 OFDM 符号进行波束功率测量，找到最强的下行链路波束。通常假设同步信号相关波束的角功率谱与相应 xPBCH 波束的角功率谱高度相关。换言之，波束采集程序同时提供 OFDM 符号的时间信息和空间方向信息。利用 TDD 波束/信道的互易性，可以从用户设备接收机相控阵配置中获得用户设备发射机相控阵和相关方向性的系数，用于接收最强的下行链路波束。

图 3. 波束赋形接入过程

初始接入

TRxP 覆盖范围

具体 UE 的覆盖范围

波束扫描发射波束扫描发射

波束扫描接收

具体 UE 的 选定波束

具体 UE 的 波束成形

同步信号系统信息

所有 UE 的基本信息

随机接入信道

随机接入响应与系统信息

仅需要随机接入后的 UE

数据和控制信道

单波束或波束扫描

初始接入

在当前的 LTE 系统中，用户设备通过在物理随机接入信道（PRACH）上使用全向传输来实现初始接入。相比之下，5G TF 采用的是定向波束赋形传输，这就要求初始接入程序提供一种机制，使用户设备和 5G 节点都可以确定合适的波束赋形方向，然后在该方向上进行后续的定向通信。通过在以下两项要素之间指定明确的时间关系，可以满足上述要求：一项是在上行链路中进行 xPRACH 传输所用的时间，另一项是在波束采集阶段，与用户设备检测到最强下行链路波束有关的 OFDM 符号。此外，用户设备还必须使用与所选下行链路波束相同的方向性实施 xPRACH 传输。5G 节点在接收用户设备xPRACH 时，可以利用接收机相控阵获得的时间关系和角度信息，确定逻辑波束索引，并利用它与用户设备进行后续专用波束赋形传输。RACH 程序完成后，用户设备将进入“已连接”状态，并通过闭环波束调整程序进一步跟踪/优化波束。

网络部署考虑因素

波束宽度和所选择的波束扫描方案需要在信元覆盖性能与初始接入时延之间有所权衡。如果使用多个窄波束来增强信元覆盖，那么用户设备需要更长的时间来执行信元搜索和初始接入程序，因此初始接入时延将会增加。BRS 传输周期配置、所部署的 BRS 天线端口数量和天线元件的数量/几何结构，所有这些要素都对信元覆盖、定向扫描和初始接入时延等性能有重要影响。如果由于硬件实施方面的限制而无法实现波束互易性，则需要考虑增加初始接入时延和功耗，以及在其他性能方面做出让步。

波束跟踪和切换

在 xPRACH 初始接入程序中，将会确定下行链路中 xPDCCH、xPDSCH 信道和上行链路中 xPUSCH、xPUCCH 信道中的服务波束的波束索引和方向性，并用于 5G 节点与用户设备之间的后续定向通信。一旦进入“已连接”状态，用户设备将为服务小区保留一组候选波束，其中包括 4 个 BRS 波束，用户设备将会记录每个波束的波束状态信息（BSI）。BSI 由波束索引（BI）和波束参考信号接收功率（BRSRP）组成。按照 5G 节点通过 DL DCI、UL DCI 或 RAR 授权的指示，用户设备一经触发可以报告关于 xPUCCH 或 xPUSCH 的 BSI。事件触发的 BSI 报告也可以配置为使用调度请求（SR）或基于内容的 RACH 程序进行传输。

利用这种 BSI 报告机制，5G 节点可以通过周期性的 BRS 测量，跟踪用户设备的下行链路波束状态。如果服务波束不是最优的，则 5G 节点可以通过 BRS 波束更改指示 MAC-CE 或通过 DCI 信令来指示用户设备切换到其他波束。根据用户设备的 BSI 报告，5G 节点支持使用其选择的目标波束索引执行基于 MAC-CE 的波束切换。而在基于 DCI 的波束切换中，用户设备会切换服务波束，以匹配 BSI 报告中报告的第一个 BI 所指示的波束索引。除了这些基于 BRS 的波束管理程序之外，5G 节点还定义了基于波束优化参考信号（BRRS）的程序。BRRS 的传输通过 xPDCCH（DCI）信令动态调度，另外在通过BRI 报告和相关波束切换程序进一步优化用户设备的波束选择时也可以使用。