5G初始接入信号为什么也要使用波束扫描

在本文中，比较了两种用于初始接入的覆盖增强方法，即单波束重复和多波束扫描，以验证对初始接入信号进行多波束扫描的必要性。初始访问信号包括以下内容：

• 同步信号

• PBCH

• 随机接入信道（RACH）

覆盖增强方法

在基于单波束的方法中，通常使用较宽的波束覆盖小区内的整个区域。另一方面，基于多波束的方法利用窄波束的扫描来覆盖整个覆盖区域。图1显示了上下行方向的单波束和多波束方法。在该图中，对于基于多波束的方法，在单个时间实例（即符号）中传输的多个波束在正交资源上传输。

在这两种方法之上，可以考虑两种用于增强初始接入信号的覆盖的可选方法。一种是基于单波束的重复方法，另一种是基于多波束的波束扫描方法。

两种覆盖增强方法的比较：性能方面

这里评估了两种覆盖增强方法的SINR CDF，以验证哪种方案有利于PBCH传输。对于模拟，假设如下：

• 基于多波束的波束扫描方法：使用K个扫描波束发送PBCH，并在UE侧对K个接收信号进行相干合并。

• 基于单波束的重复方法：PBCH以单波束传输K次，在UE侧对K个接收信号进行相干合并。

假设UE天线方向图的全向波束仅能看到应用于下行信道的覆盖增强方法的效果。此外，假设每个天线单元的功率约束反映实际的硬件约束。

为了对两种覆盖增强方法进行公平比较，假设以下两种情况：

1. 相同的天线架构/结构，例如每个面板的天线元件数量和面板数量

2. 用于波束扫描和重复的OFDM符号数相同

鉴于面板内有大量天线单元，可通过基于窗口的方法构建宽波束，用于单波束评估，即通过对射频链应用不等增益。评估中使用的窗口是高斯窗口，其中第（m，n）个天线单元的系数表示为：

使用此窗口生成的波束如图2所示（宽波束）。在假设天线功率约束的情况下，随着波束宽度的增加，总波束功率会变小。这是因为随着波束宽度变宽，高功率天线单元的数量变少。

对于基于多波束的评估（使用波束扫描），窄波束用于覆盖增强。通过对射频链施加相等的增益，可以按照图2（窄波束）所示构建窄波束图案。

在上述模拟假设下，图3中比较了几何SINR CDF，结果表明，与具有重复性的单波束相比，具有波束扫描的多波束提供了更高的SINR。单波束重复遭受功率损失，产生具有巨大MIMO天线面板的宽波束；因此观察到较差的SINR。从仿真结果可以得出结论，在覆盖有限的情况下（例如更高的频带），PBCH传输应支持基于多波束的波束扫描方法。

两种覆盖增强方法的比较：设计方面

这里从UE功耗和系统效率的角度比较了两种覆盖增强方法。

对于具有重复的单波束和具有波束扫描的多波束两种情况，TRP和UE之间的波束关联需要用于数据传输。在上下行的波束关联过程中，TRP的Tx/Rx波束和UE的Rx/Tx波束分别关联。对于beam关系，上下行都需要beam训练。然而，当假定波束互易性时（例如TDD系统），下行波束训练对于上下行的波束关联都是足够的。

图4显示了在假设波束互易时，两种覆盖增强方法的TRP和UE的初始接入和波束关联过程。

如果TRP对初始接入信号应用Tx波束扫描，则可以利用波束互易性最小化TRP检测来自UE的RACH所需的时间。假设TRP根据TRP Tx波束扫描对RACH接收应用Rx波束扫描；TRP将用于Tx波束扫描的资源与用于Rx波束扫描的资源相关联。当波束互易性保持时，UE可被配置为为对应于TRP Rx波束的RACH选择Tx资源，该资源来自对应于UE在其上接收最强信号的TRP Tx波束的初始接入的Rx资源。例如，TRP将Tx波束资源i与Rx波束资源i相关联，并对Tx和Rx波束资源i应用相同的天线权重。如果UE在TRP Tx波束资源i上接收到最强的信号，则UE可以被配置为在TRP Rx波束资源i上发送RACH。这样，即使没有波束扫描，TRP Rx和UE Tx波束也针对RACH传输对齐。

另一方面，如果TRP对初始接入信号应用单波束重复，则TRP从UE检测RACH将花费更多的时间。假设TRP在TRP处应用单波束重复RA接收。为了使TRP在没有Rx波束形成增益的情况下从UE传输累积足够的能量，UE将需要重复RACH传输以在多波束扫描情况下实现相同的覆盖水平。这不仅在所需的RACH检测时间方面是低效的，而且在UE侧也是能量低效的。

需要注意的是，不管初始接入是使用单波束重复还是波束扫描，最终都需要下行数据波束对齐。初始接入过程中的粗略波束对准也可以减少数据波束对准的时间和能耗。

同步和波束参考信号（BRS：beam reference signals）的多路复用

如上所述，在覆盖受限的场景中需要数据波束关联。为此，设计用于波束训练（即波束测量和选择）的非UE特定信号也应进行波束扫描。然而，在增强覆盖系统中，优选最小化波束扫描持续时间，尤其是当波束扫描符号（例如初始接入信号）以连续方式发送时。在混合BF的情况下，模拟波束方向在波束扫描的整个带宽上是固定的，这些用于数据传输的时隙/子帧预计不会那么有用。

在这个意义上，对于将多波束扫描应用于下行初始接入信号传输的系统，如果最小带宽足够大，则更希望FDM 下行BRS和下行初始接入信号。然而，对于将单波束重复应用于下行初始接入信号的系统，TDM下行BRS和下行初始接入信号不可避免，这比多波束扫描情况造成更多冗余。