5G MIMO框架和波束管理

波束形成类型

对于实际的大规模天线系统，需要在成本和性能之间进行平衡。混合波束赋形采用多个射频链，每个射频链连接到一个天线阵列，可以节省射频链的数量，同时支持MIMO传输。在LTE中，假设固定模拟波束赋形，则考虑混合波束形成。在低于6GHz的NR中，数字基带预编码仍然可以被认为是波束赋形的主要形式，因为信道趋向于具有更多的多径，类似于LTE。对于6GHz以上的NR，模拟波束形成的移相器可以被认为是自适应变化的，以帮助控制窄波束以获得更好的波束赋形增益。考虑到性能和复杂度的权衡，混合波束赋形结构设计可以进一步研究。数字和模拟波束赋形可以看作是混合波束赋形的特例。该框架应支持不同的波束赋形类型，并使其与TRP/UE无关。

波束的数量

对于不同的频段和不同的场景，每个TRP考虑不同的波束数。对于高频通信，考虑较窄的波束，因此由于需要获得较高的波束赋形增益，通常考虑较多的波束数目。对于不依赖波束赋形来实现覆盖的系统，可以考虑采用单波束方法。比如sub-6GHz NR系统可考虑单波束。

在NR系统中，低功率TRP和UE可能具有相似的复杂度和大小，特别是当我们考虑高频时。NR的评估假设包括在70GHz的UE处具有64个天线单元的情况。同时考虑到UE侧天线数量较多，在UE侧考虑混合接收波束赋形也是很自然的。对于UE的低复杂度，可以仅考虑一种具有较低覆盖率的波束赋形。当没有UE波束赋形时，可以使用单波束方法。

NR信号设计包括初始接入信号，参考信号应可扩展到不同的波束数。

信道互易

由于窄波束有望用于高频NR，因此提高发射机的CSI精度就显得尤为重要。在TDD系统中，利用上行参考信号测量的信道互易性来获取整个下行信道信息是一个很有吸引力的问题。但实践中可能存在以下问题：

1. UE在TX和RX波束赋形上具有不同的波束赋形能力。

2. 由于上下行链路上的相位噪声等不同损伤，上下行链路路径可以不同，因此信道互易性不能始终保持。

3. 默认情况下，通过射频开关在TX和RX射频（RF）链之间共享天线单元已被6GHz以下的系统广泛使用。然而，随着载频的增加，由于收发开关的插入损耗和传输线或馈线引起的传输损耗增大，TX和RX共用天线单元引起的信号衰减变得更加严重。因此，TXU和RXU有时在不同位置分别具有单独的专用天线阵列。

此外，考虑到快衰落信道，尤其是在支持FDD的情况下，sub-6GHz的NR可能不具有良好的信道互易性。因此，NR-MIMO框架（同时考虑初始接入和初始接入后基于波束的/CSI反馈）应支持有无互易的情况。

NR TRP应控制配置系统以支持完全/部分/无互易性。系统设计应具有灵活性和可扩展性，以使基站适应不同的场景和情况。

UE可以协助TRP决定基站可以利用多少互易性。这可以通过UE能力、UE反馈等来实现。

多组件和多层次设计

考虑到LTE FD-MIMO中的class B已经支持波束选择，对于小于6GHz和大于6GHz的系统，NR中可以考虑类似的框架。以波束选择形式的多层次/组件CSI反馈可应用于6GHz以上。例如，多个组件可以指用于模拟波束选择和数字波束选择的组件。它也可以是混合波束的组合选择。多个组件也可以引用多个TRP。对于每个组件，可以考虑多级波束选择过程。例如，使用三级波束选择过程。

1.波束选择的第一级是宽波束的选择，类似于基于CSI-RSRP的虚拟小区选择。测量可以基于类似于发现参考信号的CSI-RS的RS。

2.第二级用于更窄的模拟波束选择或混合波束选择，其类似于LTE FD-MIMO的Class B K>1 中的CRI（CSI-RS资源索引）选择。

3.第三级波束选择用于数字波束选择，类似于PMI选择。

用于波束选择的周期和非周期参考信号

周期参考信号是最简单的波束选择方法，特别是考虑到第一级。只要设置了周期RS的参数，就可以在预留资源中进行波束选择。然而，这可能导致一些资源浪费，并产生不必要的干扰。这限制了波束选择的灵活性。因此，纯周期波束选择方法不利于前向兼容。与周期波束选择相比，非周期波束选择具有更大的灵活性。波束选择只能在需要时进行，例如出现阻塞或断开或发生劣化时，或数据到达刚刚唤醒时。由于它是非周期的，因此可以实现灵活的波束选择资源分配。设计一个合适的触发机制来选择波束是至关重要的。

考虑模拟波束赋形约束的参考信号设计

在同一TXRU上的模拟波束赋形不能是频率选择性的。因此，需要一个约束条件，即同一TXRU上的所有信号需要在同一时间符号中具有相同的模拟波束。在传输端，这意味着具有不同模拟波束的CSI-RS端口只能在不同的符号中复用。

考虑到模拟接收波束赋形，这意味着具有相同发射波束的参考信号的多个发射点应以不同的符号发射，以便UE执行接收波束扫描。

考虑到不太稳定的高频无线链路，需要在相同子帧中触发波束选择、CSI测量和CSI报告以进行快速波束选择。这使得网络能够灵活地配置所需的测量RS，并根据需要触发CSI组件/层次。然后，网络可以灵活地配置波束数目和波束粒度，并将参考信号的信息和反馈配置告知UE。除了时域之外，自包含资源可以是频域资源或波束/端口资源。

在LTE中，如上所述，在第一级反馈CSI-RSRP，在第二级反馈CRI，并且在第三级反馈所选择的CSI-RS的CSI。根据反馈在网络端的预期使用方式，反馈内容可能会有所不同。例如，如果网络需要在第一级波束选择之后进行调度，则反馈需要满足这一要求。反馈内容也可以被认为是可配置的。

为了满足NR对高数据吞吐率的要求，必须采用空间复用技术进行数据传输。预计空分复用（SDM：spatial division multiplexing）将在MIMO高频传输中发挥越来越重要的作用。例如，不同用户的数据可以在相同的时间/频率/码域中并且仅使用不同的波束进行传输，如图1所示，其中UE1、UE2和UE3的数据信道分别使用相同的时间/频率/码资源在TP1的波束14、波束0和波束2中传输。同时，UE1也由TP2提供服务。可以考虑非相干联合传输。这使得在LOS环境中的自由度更高，这通常是在高频情况下。此外，由于单个TP在高频段的大带宽上的功率限制，多个TP传输变得非常重要。

此外，为了提高鲁棒性，可以考虑开环/半开环方案。在LTE中，许多MIMO传输模式被指定用于MIMO技术的演进。为了使规范整洁并且考虑前向兼容性，优选具有一个统一的MIMO传输模式以支持不同的MIMO方案，例如开/半开/闭环SU-MIMO、MU-MIMO、单点和多点传输，使得这些传输方案可以在不同的资源中动态切换。相同的传输模式可用于数字/模拟/混合波束赋形以支持不同的频带。

在LTE中，DMRS端口分配是非常灵活和可扩展的。我们可以继续使用这种具有更高灵活性的可扩展设计，特别是当我们考虑多点传输时。在LTE中，数据和解调符号在时间和频率资源中被复用。这限制了解调效率。为了支持动态解码，可以例如在同一符号中考虑时域复用。这减少了数据解调和解码的时延。DMRS现在固定在同一位置。可以考虑更灵活的配置，以适应不同的粒度要求。为了适应不同的要求，例如在不同的频段，我们提出了多级DMRS。第一级DMRS始终存在，如果需要更高的DMRS精度，可以配置另一级DMRS。

控制信道传输

除了数据信道外，MIMO框架的设计还应考虑对基于波束的控制信道、广播信道和同步信号的支持。考虑控制信道的覆盖范围和鲁棒性将是一个挑战。由于控制信道传输的鲁棒性特征非常重要，因此通过比数据信道传输更宽的波束传输可以实现更高的鲁棒性，但这会使波束训练/跟踪等波束管理更加复杂，导致控制信道传输和数据信道传输的覆盖不均衡。

可以考虑具有窄/宽波束的多组件控制信道。例如，在高频通信中，采用大增益窄波束来克服传播衰减和降低开销，但是窄波束比宽波束更容易造成信道阻塞。因此，网络应该能够配置UE以在不同的时间单位检测各种控制信道分量。

波束管理

基于波束的链路性能很容易受到UE移动、UE旋转和波束阻塞等潜在的传播信道条件变化的影响。密集城市的典型部署场景如图2所示。

可以观察到，由于人为阻塞的存在，链路失效的概率会增加。同时，复用增益将受到限制，因为高频信道中的有效多路径是稀疏的，特别是在所示的单TRP和单波束服务情况下。因此，如图3所示，为了提高链路的稳定性和数据速率，需要进一步研究TRP和波束之间的协调。图3还显示了需要信道/波束跟踪的UE移动。

为了进行有效的波束管理，需要基于波束的链路质量计算与量化。

如图3所示，在识别和预测完整链路或每波束链路的质量时，可以考虑多级度量，如SNR、ACK/NACK和相应的变化。应支持相应参考信号的自适应传输，如图4所示的多发射点DMRS。例如，根据相应的信令，为了应对UE处波束的变化，可以考虑具有相同发射波束的多发射点DMRS，使得UE可以通过在预定义集内扫描来细化接收波束。同时，为了应对TRP处波束的变化，可以发射多波束DMRS，以便UE通过波束细化跟踪波束的变化。

对于基于波束的链路，可以采用周期性和非周期性信令来初始化维护或恢复过程。这些过程可以通过UE或TRP侧的物理层或高层请求触发。为了减少信令开销和处理时延，需要研究请求信令与所识别的链路质量之间的映射。表1中列出了一些初步建议作为示例。在降级或中断期间，控制信号可以用多波束传输，以便触发快速恢复或波束跟踪。

随着TRP在高频段的部署越来越密集，为了保持链路的稳定性和数据速率，需要进一步加强不同TRP之间的协调。在理想回程和非理想回程两种情况下，都需要研究如何在有限的RS开销下支持更大的测量集，以及灵活的联合传输方案。