基于波束的接入技术是解决NR无线接入覆盖问题的一种有效机制，本文是根据华为提出的，对基于波束的接入过程和相应的信道设计的看法。

多波束和单波束传输方案概述

在NR中，接入方案的设计应涵盖TRP和UE的不同场景和不同的假设能力。在NR的低频网络中，TRP/UE的下行覆盖区域或上行覆盖距离可以由单个波束覆盖。然而，在高频的情况下，由于较大的路径损耗，信道/信号传输严重依赖于高度定向链路。在这种情况下，需要多个波束覆盖下行区域并进行初始接入，这称为基于多波束的方法。无论如何，从UE的角度来看，对于基于多波束或单波束的方法，初始接入过程应该尽可能统一。

就同步信号（SS：synchronization signal）设计而言，TRP的波束赋形能力最终决定了如何将hypercell 中的这些TRP特定信号传输到覆盖区域中的所有UE。然而，设计和由此产生的最坏情况时延还需要考虑UE的波束赋形能力。一些UE可能只有有限数量的接收机，并且可能需要监听具有不同接收机波束的连续同步周期以完全获取最佳空间、频率和时间点。其他UE可以具有多个接收机（因此能够同时在不同波束方向上接收），并且因此能够更快地获得同步。

取决于TRP的波束赋形能力，它可以在一个方向、多个方向或者实际上在所有可能的方向上同时发送同步信号。很明显，从理论上讲，在同一时间向尽可能多的不同方向传输将导致较短的同步时间。然而，这取决于调节器如何设置TRP的最大发射功率（EIRP：effective isotropic radiated power）的最终规定，因为同时在所有方向上发射可能导致每个波束的发射功率降低。

对于基于波束的初始接入信道/信号，NR系统设计考虑以下问题：

1. 基于多波束方法的开销

2. 基于波束传输的可靠性

3. TRP/UE复杂性

顺序波束扫描

在NR中，一次只能形成一个波束的TRP需要在一组定向波束图中循环，一次一个，称为具有时分复用（TDM:time division multiplexing ）方式的波束扫描，如图1所示。这些多波束可以设计成覆盖不同的角度子范围，同时共同跨越整个角度空间或感兴趣的角度范围。这样的方案是波束扫描的最简单方式，并且不一定需要在每个波束方向上发送不同的序列来表示该方向（即：不需要波束ID），因为当帧在同一方向上传输的波束之间具有唯一的时差时，UE可以识别波束ID（或波束方向）。

TDM方案适用于任何波束赋形类型，包括模拟波束赋形、混合波束赋形和数字波束赋形。如图1所示。其中，每个波束的信道/信号的传输时间粒度可以是符号级（一个或多个符号）或子帧级。随着扫描波束数量的增加，这些初始接入信道/信号的波束扫描时间也变大。

频率复用多波束传输

在NR中，具有数字或混合（数字和射频）波束赋形能力的TRP将能够在不同的频率子带上同时在不同方向上发射多个同步波束（称为FDM方案）。这样，可以在一次传输时间内完成多波束扫描。

然而，FDM方案减少的扫描时间是以要在UE处检测的同步信号的增加数量为代价的，这分别导致检测复杂度的倍增加。另外，如前所述，取决于调节器如何设置最终TRP发射功率，如果需要降低每个发射波束的发射功率，则将由TRP发射的频率复用同步波束的数目增加到超过某个限制可能不会导致性能增益。另一方面，可用于该方案的子带的最大数目应受到UE的最小带宽的限制。

码分复用多波束传输

在NR中，在同步期间具有多个可用RF链的TRP也能够在相同的时间和频率发射用于同步的不同波束方向（称为CDM方案）。为了能够区分这些不同的波束方向，TRP将需要发送每个波束方向的序列。

这种同步多波束同步信号传输与顺序波束扫描相比具有较低的开销、较高的时间效率，并且与频率复用多波束传输相比具有较高的定时精度。通过给每个定向波束分配不同的同步信号，可以在同步信号和角度子范围之间建立一对一的映射。具有多波束接收能力的UE还可以采用多个适当设计的波束来同时采集接收到的信号，并对所有多波束同步信号执行并行相关检测。因此，UE可以在成功地检测到这些同步信号中的任何一个时实现时间/频率同步。此外，UE可以比较所有成功检测到的同步信号的接收功率电平，并且通过它们的索引来获取信道的角度信息。这种同时的多波束同步信号传输在下面的图3中示出。

与FDM类似，CDM方案也带来了更高的检测复杂度，并且需要在波束之间共享发射功率，从而导致每个波束的功率降低。此外，随着同时波束的数目增加，随着UE可以同时接收多个波束（及其各自的序列），波束的序列设计（尤其是互相关特性）变得更加关键。

总结

上述方案可以采用不同的方式组合。两个具体例子如下：

1） 同步多波束传输，带时间顺序波束扫描（2.2+2.4）

如果TRP可以执行数字或混合波束赋形，但是没有足够的RF链来同时支持在所有可能的波束方向上的同时传输，则TRP可以按顺序方式旋转所传输波束的子集以覆盖所有可能的方向，如图4所示。

TRP一次可以发射K个波束，而UE一次可以接收J个波束。K个同时TRP波束的训练时间可以是一个或多个OFDM符号。在一个波束训练周期内，TRP尝试NK波束，而UE尝试J个波束。假设TRP只需要尝试NK波束，UE需要尝试MJ波束，则TRP和UE的波束对准最差训练时间为M个波束训练周期。

通过这种方式，可以覆盖整个角度空间，并且同步的时间开销可以比一次激活一个波束并依次扫描的情况低得多。

2）连续波束扫描（2.2+2.3+2.4）时频同步多波束传输

除了上述（1）中的组合之外，还可以在频域中复用不同的波束方向，以进一步减轻关键序列设计。下面在图5中示出了这一示例。

接入流程

接入流程取决于网络部署场景：

1） NR在低频（例如，sub-6ghz）和高频下工作，NR低频的TRP可以协助高频的TRP完成NR的接入过程。这种部署被称为“LF-assisted HF”。在这种情况下，假设UE已经实现到LF-TRP的粗略同步并且已经连接到低频网络。可以执行以下步骤：

从图6可以看出，UE在从LF覆盖获得上行接入前导码后进行随机接入，它可以利用一些窄波束扫描来提高TRP侧的SNR。换句话说，训练和随机接入可以同时进行，其中UE应该在每个窄波束中发送随机接入信息。TRP将对UE的窄波束有多个接收，并检测哪个窄波束对UE最好。因此，在接下来的步骤中，TRP将另外将结果通知UE。从那时起，UE应该使用窄波束进行传输和接收。

1）在NR中，高频网络可以独立运行。在这种情况下，流程应尽可能采用LF辅助HF的通用设计，特别是小区搜索、同步和MIB/SIB传送。

为了在不同场景下努力在多个波束赋形控制面信道/信号（例如同步信号和系统信息）的延迟和开销之间进行折衷，可以考虑通过波束打开/关闭的渐进按需传输，其被命名为MBC：Multiple Beamforming for Control（用于控制的多波束赋形），如图7所示。在该方案中，传输了两种不同周期的波束，一种是为处于不同状态（例如Idle/Connected/New State）的所有UE携带具有长期周期的同步信号/MIB/SIB。在这些高亮波束的基础上，其他短周期波束通过波束开/关来实现按需的系统信息传递，而波束开/关可以通过检测波束形成的SS得到。

波束开/关流程的图示如图8所示。UE解析优选波束索引并将其报告给gNB。根据UE的反馈，关闭未使用的波束1、波束3和波束5。在以下过程中，波束赋形系统信息（例如SIB1/SIB2）仅与所选波束一起发送。因此，对于基于多波束的方法，建议基于UE的波束发现过程的按需系统信息传递来减少开销。同步信号和广播信道的占空比可以相应地伸缩。

同步信号

与LTE中的同步信号类似，NR中的同步信号的基本功能仍然是执行时间/频率同步和小区搜索，即使同步信号的传输是在NR中的不同波束上执行的，用于同步信号的序列应具有良好的自相关特性。然而，从UE侧的角度来看，不优选必须在不同时刻检测不同的同步序列，特别是对于波束之间的TDM方式。这是因为同步信号的时间资源映射可以隐式地指示TDM波束的相关信息。在这种情况下，发送多个同步序列将增加UE侧的检测复杂度。因此，应当努力在一个子帧的不同符号处的不同波束上使用相同的同步序列（至少对于PSS），如图1所示。此外，可以应用具有功率提升的相对较宽的波束来传输SS和广播信道，以减少用于波束扫描的符号的数目。每个符号处的实际波束方向取决于实现，并且可以由网络控制。

此外，对于波束之间的FDM方式，从TRP的角度来看，在OFDM符号内的不同子带中的不同波束上使用相同序列更简单。与CDM方式相比，这种方式可以简化顺序设计。同时，在这种情况下，需要注意的是，UE必须利用不同的时域同步信号来执行定时检测。因此，该方法具有与CDM方法相似的检测复杂度。

另一方面，对于波束之间的CDM方式，从TRP同时发送多个同步序列。UE需要尝试从相同的接收时域信号中检测所有这些同步序列。因此，这些用于同步信号的多个序列应小心地设计为具有良好的互相关特性，以便保证UE处的高分离概率。否则，UE可以从包含另一同步信号的接收信号中以错误的时延假设检测一个同步信号，这反过来导致假警报和错误的离开方向信息。

广播信道

NR的广播信道如何波束赋形？由于不同波束上的信息相同，因此可以使用任何形式的发射分集（即循环延迟分集（CDD： cyclic delay diversity）或其他形式）。或者，TRP还可以使用发射分集或不同子带的组合来发射不同的广播波束。

在UE获得同步和小区ID之后，它将对广播信道（BCH）进行解码以获得必要的系统信息。为了支持快速接入，在多个波束上重复相同的BCH。在同一波束内，BCH的时频资源应与同步信号相连接，例如BCH和SS可以FDM或TDM方式复用，如图9所示。

在TDM方式中，可以最小化用于承载SS和BCH的频率资源以支持具有窄带宽的UE。在FDM方式中，该方案可以减少接入时延，但是对UE施加了更大的最小带宽要求。

随机接入信道

基于上下行互易性，UE从下行同步过程中获得优选的上下行波束对。TRP扫描其接收波束以接收前导码。假设TRP以与下行波束相同的顺序扫描其接收波束以发送SS，并且每个波束对应于一个资源，UE可以仅在对应于TRP的接收波束的资源处发送其具有优选UL波束的前导码，如图10所示。

另外，当用于下行的Tx波束和用于上行的Rx波束不能在TRP处互易时，需要通过发送RACH资源/格式来进行额外的上行Rx波束搜索。