基于3GPP 协议的毫米波波束跟踪方案设计

张 琪，白晓宇

（网络通信与安全紫金山实验室，江苏 南京 211111）

0 引言

随着无线通信技术的不断发展，无线通信网络在传输带宽、数据吞吐量等方面的需求快速增加。与传统6 GHz 以下频段相比，毫米波频段拥有大量的空闲带宽资源，可以有效提升系统的数据传输速率，但是毫米波频段的自由空间路径损耗大，大气吸收和降雨造成的衰减严重，必须依赖于大规模天线阵列的波束赋形技术才能有效抵抗信号衰减[1]。为了达到较高的发射增益，毫米波大规模天线阵列的波束宽度通常较窄，基站与用户之间必须通过波束跟踪来保证波束相互对齐，从而建立稳定的通信链路。

近年来，各国专家学者针对波束跟踪问题提出了许多算法，例如:文献[2]-[3]提出了基于Kalman 滤波的波束跟踪算法；文献[4]通过Gauss 过程回归来分析信道的时变特性，进而给出波束的变化规律；文献[5]给出了基于强化学习的波束跟踪方法；文献[6]则进一步研究了协作传输中基于强化学习的波束跟踪问题。但是现有文献主要集中于研究波束跟踪算法理论问题，对于在实际应用中如何将3GPP(3rd Generation Partnership Project)协议与波束跟踪算法有机结合起来，目前的研究成果较少。文献[7]-[8]对3GPP 协议中波束管理有关的流程进行了详细介绍和展望；在此基础之上，文献[9]讨论了基于信道状态信息参考信号 (Channel State Information Reference Signal,CSI-RS) 和探测参考信号 (Sounding Reference Signal,SRS) 的波束跟踪方案；文献[10]进一步研究了波束失败的检测与恢复方法。

本文在上述研究的基础之上，对3GPP 协议规范下毫米波通信系统的波束跟踪问题进行了详细研究。本文首先介绍了3GPP 协议中的上行波束管理流程P1、P2、P3 和下行波束管理流程U1、U2、U3，并基于上述流程给出了4 种不同的波束跟踪算法实现方案，然后对各方案的资源占用率和波束失败概率进行了分析和对比，给出如下结论：

(1)从上下行资源占用率联合最优的角度来看，P2+P3、U2+P3 以及U2+U3 方案为Pareto 最优方案，考虑到一般通信系统中下行时隙资源占比普遍高于上行，因此P2+P3 方案的平均资源占用率更低；

(2)从波束失败概率的角度来看，U2+P3 方案由于无需反馈测量信息，因此流程最简单，在高动态通信环境中，引发波束失败的概率最低；

(3)在不同的通信系统中，应当根据系统的实际需求选用不同的波束跟踪方案。在终端移动速度较低且下行时隙资源丰富的通信系统中，可选用P2+P3 方案，在高动态且对数据传输延迟要求较严格的通信环境中，可选用U2+P3 方案。

1 波束跟踪的基本过程

假设一毫米波基站服务于M个用户，其中第m个用户的传输带宽为BmMHz，全部用户占用的总带宽为BtotalMHz，子载波间隔ΔSCS=120 kHz，则上述BtotalMHz的带宽在频域上可容纳个子载波，也即个资源单元 (Resource Element,RE)。基站与用户通信的一个无线帧长度为10 ms，每个无线帧包含10个子帧，每个子帧长度为1 ms，系统采用正常循环前缀(Cyclic Prefix,CP)，每个子帧包含个=8 个 时隙，每个时隙包含14 个正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM) 符号。

为了能够在用户移动过程中始终保持基站与用户的波束对齐，3GPP 协议分别规定了用于下行波束管理的P1、P2 和P3 过程和用于上行波束管理的U1、U2 和U3 过程[11]，如图1(a)和图1(b)所示。

图1 3GPP 协议规定的波束管理过程

P1 和U1 过程分别通过下行和上行参考信号进行粗扫描，确定基站或用户的宽波束，一般而言，用户在初始接入阶段通过同步信号块 (Synchronization Signal Block,SSB) 与物理随机接入信道 (Physical Random Access Channel) 之间的交互可实现P1 过程。

P2 过程通过下行参考信号进行基站波束细化，基站采用不同的窄波束发射若干下行参考信号，用户采用相同的接收波束对参考信号进行测量后，将测量结果反馈给基站，基站据此选择最优窄波束，完成P2 过程；与之相对应的U2 过程则通过上行参考信号进行基站波束细化，用户通过同样的波束发射若干上行参考信号，基站采用不同的窄接收波束对参考信号测量进行后，选择最优窄波束，完成U2 过程。

P3 过程通过下行参考信号进行用户波束细化，基站采用同一波束发射若干下行参考信号，用户采用不同的窄接收波束对参考信号进行测量并选择最优窄波束，完成P3 过程；与之相对应的U3 过程则通过上行参考信号进行用户波束细化，用户通过不同的窄波束发射若干上行参考信号，基站采用相同的接收波束对参考信号进行接收和测量后，将测量结果反馈给用户，用户据此选择最优窄波束，完成U3 过程。

由于毫米波频段的通信采用时分双工模式[12]，一般而言，可以认为上下行信道具有互易性[13]。据此可以合理做如下假设：

上下行波束一致性假设[14]：基站可以通过下行信道的测量结果决定上行接收波束，也可以通过上行信道的测量结果决定下行发射波束；类似地，用户可以通过下行信道的测量结果决定上行发射波束，也可以通过上行信道的测量结果决定下行接收波束。

基于上述假设，通过P2 与U2 过程得到的波束是等价的，通过P3 与U3 过程得到的波束是也是等价的，因此可以给出如图2 所示的波束跟踪基本流程。

图2 波束跟踪的基本流程

在图2 中，基站与用户进行一段时间的数据传输后，由于两者的相对位置可能已经发生变化，因此需要对波束进行更新。首先，基站侧根据文献[2]-[6]给出的算法确定需进行波束扫描的范围，然后采用P2 或U2 过程对上述范围内的波束进行扫描测量，并根据测量结果更新波束；基站侧确定新的波束后，用户侧采用同样的过程通过P3 或U3 进行波束扫描和更新。通过上述分析，波束跟踪算法可以有4 种不同的实现方式，分别为P2+P3、P2+U3、U2+P3 以及U2+U3。下文将重点分析上述4 种不同类型的跟踪方案在资源占用率和波束失败概率方面的区别。

2 波束跟踪过程的资源占用分析

本节将对P2、P3、U2 和U3 过程占用的资源进行分析，并在此基础上对不同实现方式进行比较。

2.1 P2 过程

P2 过程是基于下行参考信号CSI-RS 进行基站发射波束扫描的过程，为了降低信令开销，本文只考虑周期性CSI-RS 的情况，与周期性CSI-RS 相对应，用户此时仅可通过物理上行控制信道(Physical Uplink Control Channel,PUCCH) 上报CSI 报告[12]。

首先，基站在NK个OFDM 符号上发送N个非零功率CSI-RS (Non-Zero Power CSI-RS,NZP-CSI-RS) 信号，分别对应于N个需要扫描的波束，每个NZP-CSI-RS信号占用K个OFDM 符号时长。由于基站在进行波束扫描时有些波束并未对准用户，因此为了保证数据传输的可靠性，在进行波束扫描的时间范围内，一般而言不应当发送有效数据，据此，可以认为在基站进行波束扫描的时间范围内，全部带宽内的资源均为波束扫描所占用，也即占用个RE。

用户收到上述N个NZP-CSI-RS 信号后，测量每个NZP-CSI-RS 信号的层1 参考信号接收功率 (Layer 1 Reference Signal Receiver Power,L1-RSRP)，然后，根据3GPP 协议的规定，用户将选择其中功率值最大的4 个NZP-CSI-RS 信号，组成CSI 报告进行上报，CSI 报告中包含下列项：4 个NZP-CSI-RS 信号的编号，共占用；具有最大功率NZP-CSI-RS 信号的绝对功率值，占用7 bit；其他3 个NZP-CSI-RS 信号相对于最大功率的功率差值，共占用12 bit[15]。因此，用户上报的CSI报告共占用+19 bit，假设调制阶数为Q，那么CSI 报告共占用个RE。

其中，M表示用户数量，ηdown和ηup分别表示用户下行传输时长和上行传输时长占总时长的比例。

2.2 U2 过程

U2 过程是基于上行参考信号SRS 进行基站接收波束扫描的过程，首先，用户在相同波束上发送N个SRS 信号，同时基站在不同的接收波束上接收SRS 信号并测量信号功率，然后直接根据功率测量结果选择波束。为了降低信令开销，本文只考虑周期性SRS 的情况。

显然，U2 过程不占用下行信道资源，仅需计算N个SRS 信号所占用的上行信道资源。与P2 过程中的NZPCSI-RS 信号类似，N个SRS 信号需占用NK个OFDM 符号时长，每个SRS 信号占用K个OFDM 符号时长，也即占用个RE，那么U2 过程对上行信道资源的占用率可以表示为：

2.3 P3 过程

P3 过程是通过下行参考信号NZP-CSI-RS 进行用户侧波束选择的过程，其具体过程与U2 完全对称，此处不再赘述，直接给出结论。

P3 过程不占用上行信道资源，对下行信道资源的占用率为：

2.4 U3 过程

U3 过程是基于上行参考信号SRS 进行基站侧波束扫描的过程，其具体过程与P2 类似，可分为2 个子过程：首先，用户在N个波束上发送N个SRS 信号，同时基站在相同的接收波束上接收SRS 信号并测量信号功率；然后，基站通过物理下行控制信道(Physical Downlink Control Channel,PDCCH) 给用户发送SRS 资源指示(SRS Resource Indicator,SRI)，通知用户应选择的波束。

2.5 不同波束跟踪过程的资源占用率对比

基于上述各小结的分析，可以给出不同波束跟踪实现方案的资源占用情况，为了表示方便，令：

各波束跟踪方案的资源占用率如表1 所示。

表1 不同波束跟踪方案的资源占用率

一般而言，在通信系统中，波束扫描数量N和调制阶数Q具有相同或者相近的数量级，而通信带宽Btotal一定远大于子载波间隔ΔSCS，因此有：

也即η0≫Δ1＞Δ2。另外，下行时隙占比一般会大于上行时隙占比[12]，也即ηdown＞ηup。

由此可知，P2+P3 方案主要占用下行时隙资源，U2+U3 方案主要占用上行时隙资源，且P2+P3 方案的下行资源占用率低于U2+U3 方案的上行资源占用率；P2+U3 方案和U2+P3 方案需同时占用上下行资源，且P2+U3 方案对上下行资源的占用率均高于U2+P3方案。

图3 直观地给出了上述4 种方案在资源占用率上的对比，从中可见，当通信系统的各项参数以及需扫描的波束数量均固定时，从上行和下行资源占用率联合最优的角度而言，P2+P3、U2+P3 以及U2+U3 方案均为Pareto最优，而P2+U3 方案还存在进一步优化的空间。另外，从上下行平均资源占用率最低的角度来看，U2+U3 方案的平均资源占用率较高，P2+P3 和U2+P3 方案的平均资源占用率相对较低。

图3 不同波束跟踪方案上下行资源占用率的关系

3 波束跟踪过程的失败概率分析

本节介绍3GPP 协议中对波束失败探测的相关规定，并对P2、P3、U2 和U3 过程可能引发的波束失败概率进行详细的分析。

根据3GPP 协议规定，用户对特定参考信号 (CSI-RS或SSB) 的块差错率 (Block Error Rate,BLER) 进行监测，当该BLER 高于特定阈值时，产生1 次波束失败指示 (Beam Failure Instance,BFI)。在规定时间beamFailureDetectionTimer 内，产生 1 次 BFI，则计数器BFI_COUNTER+1；在规定时间beamFailureDetection-Timer 内，没有产生BFI，则计数器BFI_COUNTER 清零。当BFI_COUNTER 达到预设值beamFailureInstanceMax-Count 时，确认波束失败[16]。

显然，波束失败的判定需要持续一段时间的高BLER 方可成立，单一时刻的BLER 升高并不会被立即判定为波束失败。基于上述前提，下文将首先比较P2过程与U2 过程在BLER 升高时的差异。

如图4 所示，假设t0时刻开始进行数据传输，在传输过程中，由于用户的移动，导致原相互对齐波束不再准确对齐，通信质量逐渐降低，但未低于预设阈值，通信仍能正常进行。在t1时刻，由于波束不对齐引起的BLER升高超过阈值，通信无法正常进行，但此时由于BLER超过阈值的时间较短，终端并未确认波束失败。接下来在t2时刻，启动P2 过程，将首先进行NZP-CSI-RS 发射波束扫描，用户对NZP-CSI-RS 进行测量，在t3时刻得到测量值，并生成CSI 报告。此时，如果用户能够将CSI 报告通过PUCCH 上报给基站，基站即可切换至通信质量较好的波束，恢复通信。但是基站在收到PUCCH 上的CSI报告之前，无法知晓哪个波束具有较好的通信质量，因此，基站只能在原波束上等待接收CSI 报告。但原波束从t1时刻起，已无法正常通信，因此，基站无法正常接收CSI 报告，也无法切换波束，直到t4时刻，计数器BFI_COUNTER 达到预设值beamFailureInstanceMax-Count，用户确认波束失败，数据传输完全中断，转入波束恢复流程。

图4 当BLER 超过阈值时P2 过程示意图

对于上述情况，如果采用U2 过程，则如图5 所示。在t1时刻，波束不对齐引起的BLER 升高超过阈值，但还并未确认波束失败。接下来在t2时刻，启动U2 过程，用户在相同的波束上发射若干SRS 信号，基站进行接收波束扫描并在t3时刻完成SRS 信号功率测量。此时，基站已知晓不同波束的通信质量，可直接选择功率较高的波束进行后续通信，BLER 从t3时刻起降低至阈值以下，计数器BFI_COUNTER 清零，不会引发波束失败。

图5 当BLER 超过阈值时U2 过程示意图

通过以上分析发现，由于P2 过程需要反馈CSI 报告，因此其引发波束失败的概率大于U2 过程。类似地，U3 过程需要反馈SRI，其引发波束失败的概率同样大于P3 过程。因此，从波束失败概率的角度来看，U2+P3 方案无需反馈信息，具有最优性能。

综合上述分析可知，选用何种方案进行跟踪应当根据系统的指标要求决定。例如，对于终端移动速度较慢且下行时隙资源比较丰富的场景，发生波束失败的概率较低，此时可采用P2+P3 方案，从而有效降低对上行资源的占用；而对于高动态、低延时的通信环境，为了降低通信中断概率，保证通信数据的及时送达，可采用U2+P3 方案。

4 仿真实验

本节通过仿真实验进一步详细分析各波束跟踪方案的资源占用情况。不失一般性，假设数据传输带宽Btotal=95.04 MHz (信道带宽100 MHz，两侧保护带占用4.96 MHz)，用户数量M=16，PUCCH 和PDCCH 采用QPSK 调制，调制阶数Q=2。

图6 表示跟踪周期对波束跟踪算法资源占用率的影响，其中上行时隙与下行时隙的占比分别设置为30%和70%，波束扫描数量N=8。

图6 跟踪周期对波束跟踪方案资源占用率的影响

从图6 中可见，U2+U3 方案的上行资源资源占用率非常高，当跟踪周期小于100 ms 时，上行资源占用率高于20%；当跟踪周期小于20 ms 时，100%的上行资源依然无法满足跟踪需求。P2+U3 方案与U2+P3 方案的资源占用率几乎相同，说明CSI 报告或者SRI 反馈占用RE 资源的比例极低，从资源占用率的角度而言几乎可以忽略不计，但是考虑到P2+U3 方案需要两次反馈过程，而U2+P3 方案无需反馈，从波束失败概率的角度而言，U2+P3 方案优于P2+U3 方案。P2+P3 方案的下行资源占用率与P2+U3 方案、U2+P3 方案的上下行资源占用率相近，而P2+P3 方案的上行资源占用率则远低于P2+U3 方案与U2+P3 方案，从平均资源占用的角度而言，P2+P3 方案最优，因为该方案主要占用下行资源，而在一般通信系统中，下行资源比上行资源更加丰富。

图7 表示波束扫描数量对波束跟踪算法资源占用率的影响，其中上行时隙与下行时隙的占比分别设置为30%和70%，跟踪周期T=20 ms。从仿真实验结果来看，U2+U3 方案的上行资源占用非常高，当扫描波束数量多于10 个时，全部的上行资源依然无法满足波束跟踪的需求，在扫描波束数量较少的区间范围内，U2+U3 方案的上行资源占用率也几乎保持在20%以上。对于P2+P3、P2+U3、U2+P3 方案，其结论基本与图5 一致，此处不再赘述。

图7 波束扫描数量对波束跟踪方案资源占用率的影响

图8 表示上下行时隙分配比例对波束跟踪算法资源占用率的影响，其中跟踪周期为20 ms，波束扫描数量N=8。从中可见CSI-RS 和SRS 占用的RE 资源随着上下行时隙分配比例的变化基本上呈对称分布，而反馈信息CSI 报告和SRI 指示占用的RE 资源并不对称，其原因在于CSI 报告包含的信息较SRI 多，需要占用的RE 资源多于SRI。总体来说，上下行时隙分配比例对波束跟踪方案具有决定性的影响，在一般情况下，较低的上行时隙占比决定了U2+U3 方案消耗上行资源太多，对上行数据传输造成的影响较大。

图8 上下行时隙分配比例对波束跟踪方案资源占用率的影响

5 结论

波束跟踪是毫米波通信系统的关键技术之一。根据3GPP 协议规范，波束跟踪可通过P2+P3、P2+U3、U2+P3 和U2+U3 4 种方式实现。本文对上述4 种方式的资源占用率和波束失败概率进行了详细分析。从分析结果来看，一般而言，通信系统的上行时隙占比往往较低，因此从资源占用率方面来看，P2+P3 方案具有较好的性能；然而U2+P3 方案由于其无需测量反馈过程，所以具有更低的波束失败概率，在实际应用中，可根据通信系统的具体指标要求，选用合理的波束跟踪方案。