5G MIMO波束选择和参考信号设计
对于NR MIMO，混合波束赋形结合了数字基带波束赋形和模拟射频波束赋形，从性能、成本、开销和灵活性等方面考虑，是一种很好的技术。混合波束赋形的一般结构如图1所示。
如图1所示，数字波束赋形FBB将数据流映射到端口，而模拟波束赋形FRF将每个端口中的信号映射到天线单元。为了获得最佳的波束赋形，BS和UE需要进行混合波束选择。由于在整个带宽上对面板中的每个TXRU应用相同的模拟波束的限制，需要多个OFDM符号来切换每个面板中的模拟波束。此外，由于数字波束可以在频域中灵活配置，因此子带CSI捕获需要多个子带。因此，应该在多个时频资源中配置RS以获得准确的CSI。
在NR中，可以考虑多分量、多层次的CSI测量和反馈的设计，通过对这些分量CSI的选择和合并，得到最终的CSI。
多组件CSI
NR可以定义一些基本的CSI组件，这些组件应该对联合作战有很好的支持。基站配置多个组件CSI，不同组件CSI对应不同ray/虚拟扇区/TP的信道条件。基于这些组件CSI，基站可以灵活地决定传输层的数量和每层的传输方案，每层可以对应一个或多个ray/虚拟扇区/TP。或者，BS可以配置多个分量CSI，其中一些分量CSI对应于基带波束，而其他分量CSI对应于RF波束。为了实现适当的MIMO波束赋形和复用增益，BS可以根据这些分量CSI选择利用RF波束、基带波束或RF和基带波束的组合进行传输。
不同的CSI分量也可以对应于不同的天线组。将天线分组的一种众所周知的方法是水平天线和垂直天线。如果天线是双极化的，则可以将水平域和垂直域中的CSI组合起来形成最终的CSI。此外，水平天线和垂直天线可以进一步划分为多个天线组，并且每个天线组对应于CSI分量。不同的CSI分量可以对应于相同的信道部分，但是具有不同的干扰假设。网络可以根据调度结果决定哪个CSI分量反映实际信道状况，并利用该分量来指导MIMO传输。基站还可以合并多个CSI以获得用于MIMO传输的CSI。分量CSI的优点是可以直接或合并用于指导MIMO传输，以获得更精确或更复杂的CSI信息。分量CSI提供的CSI信息也可以与gNB通过信道互易获得的信道信息合并。来自不同CSI组件的信息中也可能存在冗余。高冗余度可以用来提高鲁棒性，而低冗余度可以用来优化反馈效率。CSI分量的结构以及如何融合不同CSI分量的信息是NR-MIMO的研究课题。
多级CSI
多级可指不同的波束粒度、频率粒度等级别，具体来说，多级指不同级别的CSI粒度时，建议采用以下三级结构：
第一级：粗波束选择
由于高频信道的高路径损耗和穿透损耗，波束选择应从初始接入开始。gNB已经获得了UE的粗波束信息，这可以看作是第一级CSI。
级别2：波束优化
第二级：CSI是波束细化。具体地，gNB和UE基于粗波束信息的结果执行更精细的波束选择。
第三级：进一步获取CSI获取
在UE反馈精细波束信息后，gNB为进一步的CSI配置参考信号，例如信道质量、信道矩阵、信道秩等，可以看作是第三级CSI。根据用例的不同，这个级别也可能涉及到进一步的波束细化/跟踪。
多层结构提高了波束的选择效率。在一级粗波束选择和二级波束细化中，与一级波束选择相比，可以减少待选波束的总数，以获得相同的细波束。波束选择效率在NR中是至关重要的，因为波束选择过程需要消耗多种资源。
多级CSI采集
基于上述说明，第一级和发送级CSI主要关注具有多级粒度的混合波束的捕获。另一方面，第三级CSI捕获处理如何利用波束信息来获得进一步的CSI。如果对三级CSI和波束信息进行联合优化，则整个CSI捕获将是健壮、准确和高效的。因此，在NR MIMO系统中，波束捕获如何与CSI捕获相结合是一个关键问题。
协作波束捕获和进一步CSI捕获的一个简单方法是LTE Rel-13中class B k>1。K CSI-RS资源由网络配置并由UE测量。然后UE反馈所选择的CRI和相应的PMI/CQI/RI。该方法通过在同一阶段执行波束信息反馈和进一步的CSI反馈而变得简单。然而，由于每个资源的CSI端口的数量由网络决定，并且UE仅反馈一个资源，因此它不够灵活。另一种方法是LTE Rel-14中当前讨论的混合CSI-RS方法。对于class B K>1和class B K=1的混合CSI-RS，在第一阶段报告CRI，在第二阶段报告进一步的PMI/CQI/RI。在该方法中，第一阶段只报告最佳波束，因此网络不能获得UE波束信息的全部内容。因此，这种两级CSI反馈的联合优化性能受到限制。
在图2中提出了一种联合优化波束捕获和进一步CSI捕获的方法，其步骤如图2所示：
基站首先配置多个资源给RS获取波束信息。
然后UE基于多个波束的测量反馈一个或多个波束。
在从多个UE收集波束信息之后，基站灵活地配置RS以用于进一步的CSI。用于进一步CSI的RS的配置可以与反馈相关联，并且基站还具有调整的灵活性。
然后，配置的RS被发送用于进一步的CSI。
另外，gNB在获得不同UE的波束信息后，可以根据波束信息进行用户调度和MU配对。实际上，通过这种方式，波束信息用于提高MU性能，而进一步的CSI用于优化每个用户的性能。
接收波束赋形
在NR中，UE可能还需要执行Rx波束赋形，以进一步改善接收SINR。因此，波束选择流程也应支持Rx波束选择。这可以通过BS用相同的Tx波束重复RS传输来实现。然后，波束选择的最终结果包括Tx-Rx波束对。图3示出了关于Rx波束形成的结果的示例。我们可以观察到，Tx波束1、2、3、5、8和9是最好的五个Tx波束，Rx波束1、3和5是最好的三个Rx波束。此外，Rx波束1是Tx波束1、2和3的最佳Rx波束，Rx波束3是Tx波束5的最佳波束，并且Rx波束5是Tx波束8和9的最佳Rx波束。
在UE反馈出波束选择后的最佳Tx波束后，BS可以灵活配置用于后续CSI采集和数据传输的波束。然而，不同的Tx波束可对应于不同的Rx波束，并且UE必须在数据接收之前确定Rx波束。因此，为了获得更好的性能，UE接收波束赋形不再是完全透明的。一种有效的方法是使用波束分组反馈。具体地，所选择的Tx波束被划分为若干组，并且每个波束组中的Tx波束对应于相同的Rx波束。UE还用Tx波束信息反馈波束组信息。分组信息为BS提供了更多关于不同波束间相关性的知识，这有利于数据复用或分集传输。此外，当BS使用所选择的Tx波束发送RS或数据时，BS需要指示UE使用哪个Tx波束组。由于Tx波束的数目通常大于Rx波束的数目，因此与Tx波束信息相比，波束组信息的反馈开销和信令开销预期较低。因此，波束分组反馈是支持UE波束形成的一种有效方法。
为CSI测量和反馈启用DMRS
在当前的LTE中，DMRS仅用于数据解调。如果采用DMRS来测量和报告CSI，则基于DMRS的CSI直接反映了数据传输中的信道状况，提高了CSI采集的准确性和时延。基于DMRS的CSI可以被视为第四级CSI，作为上述多级CSI的补充。基于DMRS的CSI具有高精度和低时延的特点，可以用于链路监控和快速传输方案调整。DMRS可用于CSI细化。一个简单的例子是支持基于DMRS的CQI细化，以便网络能够快速获得链路的质量。除了CSI反馈外，网络还经常使用HARQ反馈进行MCS细化。软HARQ反馈表示当ACK被反馈时，它有多大的空间来增加MCS或功率。类似地，它表示当NACK被反馈时，需要多大的功率才能到达目标BLER。然后，网络可以基于CSI反馈和软HARQ反馈来确定所授予的MCS。对于软HARQ反馈，可以考虑自包含反馈。
此外，为了评估当前使用的多个潜在波束或多个波束的组合的信号接收质量，可以使用这些波束发送DMRS。UE测量信道并基于DMRS反馈最佳的一个或多个波束。通过这样做，网络不仅可以调整MCS，而且可以以非常低的时延调整波束细化。
参考信号
参考信号在通信系统中具有同步、频偏估计、信道估计和跟踪等功能。在LTE的早期版本中，这些功能是通过CRS来实现的，但是后来人们认识到CRS缺乏效率和可扩展性。因此，引入了CSI-RS和DMRS，传统UE或高级UE仍然可以利用CRS进行同步、RSRP测量、多普勒频移和多普勒扩频测量。CSI-RS可以在时频域以较低的密度传输，适合于周期性传输。DMRS在端口分配方面非常灵活和可扩展，并且其RS开销不随TXRU的数量增加而增加。在NR MIMO中，应同时考虑单波束和多波束的工作。对于NR评估，所考虑的天线单元的最大数目为1024个。信道维数显著增加，从而导致RS开销的增加。
波束参考信号（BRS：Beam reference signal）类似于用于波束捕获的RSRP测量的波束形成CSI-RS，类似于LTE中的发现参考信号。此外，它还可以用于同步，QCL用于广播信道或公共控制信道的信道跟踪和解调。考虑到初始接入，参考信号配置不能灵活进行。将BRS用于多种功能（包括具有重要配置的信号的解调以及每个波束/虚拟TP的RSRP测量）更有效。每个虚拟TP可以对应于一个BRS资源。不同的虚拟TP对应不同的端口或同一端口但符号不同。UE可以对系统带宽、随机接入相关配置等重要配置执行波束/虚拟TP选择并解调广播信号和公共控制信道。此外，BRS还可用于获取QCL信息，并与CSI-RS和DMRS建立QCL关系。BRS可用于精细同步和信道跟踪。
可以认为BRS的传输与其他信号有关。可以考虑以下选项。
选项1：BRS和同步信号在同一OFDM符号中进行频率复用
选项2：BRS和广播信道或公共控制信道在同一OFDM符号中进行频率复用
选项3:BRS作为独立的BRS扫描块传输，不与任何信号复用。
选项4：BRS和数据是频率复用的。
选项1，BRS与同步信号之间的功率共享将影响同步信号的性能。
选项2，由于这些信号需要在小区覆盖范围内进行波束扫描，因此资源利用是有效的。BRS还支持广播和公共控制信道的解调。这也允许UE在随机接入之前基于BRS进行一些测量，以便能够根据信道互易性发射随机接入信号。这似乎是一个有吸引力的选择。
选项3，优势在于更好地覆盖BRS。另外，BRS的配置独立于其他信道，这使得它更加灵活。然而，在这种情况下，资源利用率并不高。
选项4，它可以提高资源利用率，并且数据的功率分配更加灵活。这对于数字波束赋形特别灵活。然而，模拟或混合波束赋形的限制可能影响其资源利用率，因为用于BRS的波束通常需要覆盖整个小区，但是到UE的数据只需要一个或两个窄波束。
总的来说，选项2听起来很有希望，但是选项3可以提高性能。选项4在没有或只有少量模拟波束时有用。
BRS扫描块可以周期性地传输，但也可以考虑按需传输。例如，当载波接入由另一载波（例如低频载波）辅助时。然后可以非周期地或以多发射点方式传输BRS。BRS通常可以在较宽的带宽中传输。考虑到这一点，BRS端口可以编码或频率复用。
对于单波束操作，最好使用相同的框架，并将其视为多波束操作的特殊情况。
CSI-RS
CSI测量可以采用多级设计，提高测量效率。由于MIMO系统的增益主要依赖于基带预编码，因此一级参考源可以设计成大面积覆盖，在宽带宽波束上发送。第二级参考源主要考虑更远的定向覆盖，在窄波束上传输，由于MIMO系统主要采用模拟波束形成，第一级参考源可以在多个窄波束上发送以覆盖广角方向，并与宽波束一起接收以进行粗波束选择。第二级基准可以在预先选定的方向上用较窄的波束发送，并用较窄的波束接收，以实现波束的精细对准。对于同时采用模拟波束形成和数字波束形成的混合预编码系统，上述两种设计可以结合使用。如果天线的尺寸高，则可以使用超过2个级别的CSI-RS来有效地提供具有多个级别的精度和鲁棒性的CSI。
第一级参考信号可以周期性地或以多个发射点传送，并且它们也可以被多个用户共享。设计还取决于它是否是一个独立的系统。
第二级参考信号是特定于用户的非周期发送信号，在RB分配、端口分配、时域位置、重复次数和功率等方面应具有较高的配置灵活性。为了提高资源效率，可以考虑在设计中更好地支持空间复用。
这里考虑单波束和多波束的多级运行。
对于单波束，非预编码CSI-RS或小区特定波束赋形CSI-RS可以是第一级参考资源。第二级参考资源可以参考UE特定的波束赋形CSI-RS。
对于多波束，BRS或一组特定于小区的波束赋形CSI-RS可用于第一级参考资源。UE组/UE特定的波束赋形CSI-RS作为第二级参考资源。
在这两种情况下，通过使用不同的虚拟化来生成多个级别的波束赋形CSI-RS，可以获得更多级别的波束细化。
CSI-RS主要被认为是按需和非周期传输的。可以考虑用可配置多发射点来代替周期性配置。非周期单次传输可以更灵活地用于CSI细化。这确保了更好的前向兼容性，特别是支持更灵活的配置
DMRS
在LTE中，DMRS被嵌入到数据中，并且在子帧中被传输和扩展，这可能减慢UE的解调。因此，控制和数据相关的DMRS应该安排在数据前面，用于时延敏感的服务。
应分配单独的端口作为参考，以支持使用MIMO传输的控制和数据的传输。
NR也应该采用LTE中可伸缩的DMRS端口分配，由于LTE中DMRS密度的配置不够灵活，NR中可以引入多级DMRS，第一级DMRS总是以低密度传输以进行粗略估计，而其他级别的DMRS可以根据应用场景使用更高密度。
在LTE中，基带预编码是主要考虑因素，在基于DMRS的数据解调过程中，基带预编码对接收机是透明的。NR需要在预先设置接收权值的框架中加入RF波束赋形。在这种情况下，可以限制传输预编码的灵活性。为了解决这个问题，可以采用图4所示的多发射点DMRS结构。
DMRS可用于CSI细化。一个简单的例子是支持基于DMRS的CQI细化，以便网络能够快速获得链路的质量。除了CSI反馈外，网络还经常使用HARQ反馈进行MCS细化。外环链路自适应（OLLA：Outer Loop Link Adaptation）可以扩展到称为软HARQ的增强方案，其中HARQ ACK/NACK与CSI联合编码。软HARQ反馈表示当ACK被反馈时，它有多大的空间来增加MCS或功率。类似地，它表示当NACK被反馈时，需要多大的功率才能到达目标BLER。然后，网络可以基于CSI反馈和软HARQ反馈来确定所授予的MCS。
除了CQI/MCS调整之外，DMRS还可用于波束细化。也可以考虑DMRS上用于控制或数据信道的多波束传输。控制或数据信道可以通过多波束组合传输。那么DMRS可以有两种不同的传输方式。第一种方法是在一个DMRS中传输多个波束的组合。第二种方法是让每个波束在它们自己的DMRS资源上传输，如图5所示。可以通过用于解调的信令来知道多个波束的组合权重。组合权重也可以表示为波束的选择。通过这种设计，这些DMRS资源也可以被重用用于CSI/波束细化。这有助于解决堵塞等问题。
由本地振荡器产生的相位噪声被认为是射频损伤的一个不可避免的来源。在6GHz以上的无线系统中，由于振荡器的相位噪声随着振荡频率的增加而增加，因此这种射频损伤更为严重。
