5G毫米波波束賦形和波束管理

延凱悅，張忠皓，李福昌，高 帥（中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

毫米波一般是指波長(zhǎng)1～10 mm、頻率30～300 GHz的電磁波［1］。近年來(lái)快速發(fā)展的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)對(duì)通信帶寬的需求急速提升，與此同時(shí)，6 GHz 以下頻率資源匱乏，很難找到連續(xù)的大帶寬滿足5G系統(tǒng)需求。移動(dòng)通信行業(yè)的目光開(kāi)始向高頻段轉(zhuǎn)移，毫米波開(kāi)始成為移動(dòng)通信發(fā)展的重要研究方向［2］。

相對(duì)于6 GHz 以下頻段，毫米波頻段有豐富的帶寬資源，并且由于傳播特性和波束賦形方面的特點(diǎn)，可以廣泛用于雷達(dá)、交通、醫(yī)療、安檢等領(lǐng)域［3］。但5G毫米波距離落地應(yīng)用還有很多問(wèn)題有待解決和進(jìn)一步完善［3-4］，如高頻器件性能、電磁兼容問(wèn)題、波束賦形和波束管理算法、鏈路特性等方面。

1 毫米波簡(jiǎn)介

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)升級(jí)，業(yè)務(wù)類型變得更加豐富多樣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求也呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，6 GHz 以下的低頻段已經(jīng)無(wú)法支持超高容量通信，通信頻段必然向毫米波方向延伸，高低頻段混合組網(wǎng)將是5G通信系統(tǒng)未來(lái)的基本架構(gòu)。相較于低頻段，毫米波頻段有以下優(yōu)勢(shì)。

首先毫米波頻譜資源豐富，支持高達(dá)800 MHz 的超大帶寬通信系統(tǒng)，是解決容量的最直接途徑；其次，現(xiàn)有通信頻段波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在分米級(jí)或厘米級(jí)，受尺寸和體積限制，設(shè)備很難小型化，很難集成大規(guī)模天線陣列，而毫米波波長(zhǎng)短，非常適合與大規(guī)模天線結(jié)合，可以極大地提升頻譜利用率；最后，毫米波雖然路徑損耗大、傳輸距離短，但恰好可以成為高密度小區(qū)頻率復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)［5］。

毫米波的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得5G 毫米波有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，目前商用的毫米波通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)大多限于60 GHz 免費(fèi)頻段的室內(nèi)通信，例如IEEE 802.15.3c 和802.11ad 標(biāo)準(zhǔn)。5G 低頻與28 GHz 毫米波進(jìn)行高低頻混合組網(wǎng)是解決室外無(wú)線移動(dòng)通信的重要技術(shù)，低頻用于連續(xù)覆蓋，毫米波進(jìn)行補(bǔ)熱補(bǔ)盲。比如可以將毫米波基站部署于半徑200 m 區(qū)域內(nèi)，如場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)、步行街等人流密集場(chǎng)所，提供大容量上傳能力，進(jìn)行流量保障；同時(shí)5G毫米波可以作為其他無(wú)線接入的回傳方式，解決一些場(chǎng)景無(wú)法布放光纖的問(wèn)題，如毫米波作為L(zhǎng)TE、5G低頻基站的回傳，毫米波轉(zhuǎn)Wi-Fi作為家庭或企業(yè)寬帶的服務(wù)；此外，毫米波還可以與MEC、AI技術(shù)結(jié)合，為覆蓋區(qū)域提供定制化的園區(qū)專網(wǎng)服務(wù)，滿足園區(qū)大帶寬、低時(shí)延的服務(wù)需求，并提供豐富多樣的增值服務(wù)（見(jiàn)圖1）。

圖1 毫米波應(yīng)用場(chǎng)景

然而，毫米波的頻段特性也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的問(wèn)題與挑戰(zhàn)。毫米波相對(duì)于6 GHz以下頻段路徑損耗大，透射繞射能力差，通常需要在收發(fā)端配置十幾乃至上百根天線組成陣列獲得高方向性的增益來(lái)彌補(bǔ)其在傳輸路徑上的損耗，自適應(yīng)波束賦形技術(shù)（BF）是保證毫米波覆蓋的首要必備技術(shù)。相比現(xiàn)有6 GHz以下頻段的移動(dòng)通信系統(tǒng)，寬帶毫米波系統(tǒng)在BF 設(shè)計(jì)上具有3 個(gè)方面的不同與挑戰(zhàn)［6-7］：首先，毫米波系統(tǒng)較大的通信帶寬大大增加了硬件成本和功耗。以模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）為例，基于最新互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝制作的具有12 bits 精度、100 Ms/s采樣率，并且支持16 路天線的A/D 的功耗大于250 mW［8］。如果繼續(xù)采用傳統(tǒng)的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案，需要為每根天線都配置一套射頻（RF）鏈路，成本和功耗都難以承受，對(duì)于基帶的處理能力也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。其次，毫米波系統(tǒng)中天線陣列規(guī)模很大，天線數(shù)目達(dá)到十幾甚至上百，使得BF 矩陣優(yōu)化問(wèn)題變得更加復(fù)雜，增加了信道建模的難度和計(jì)算復(fù)雜度。最后，相比6 GHz 以下頻段的移動(dòng)通信系統(tǒng)，毫米波信道在延時(shí)和角度域上都具有稀疏性，如何很好地利用這一特性降低BF 設(shè)計(jì)的復(fù)雜度仍需要進(jìn)行深入研究。

2 5G毫米波波束賦形

2.1 混合波束賦形

波束賦形技術(shù)可以在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)或者模擬域?qū)崿F(xiàn)，采用不同硬件結(jié)構(gòu)和波束賦形算法，分別叫做數(shù)字域波束賦形和模擬域波束賦形。同時(shí)，波束賦形技術(shù)還分為自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)和固定波束切換系統(tǒng)［9］。

現(xiàn)有的數(shù)字域波束賦形通常采用自適應(yīng)陣列天線系統(tǒng)，根據(jù)參考信號(hào)的接收質(zhì)量，進(jìn)行信道估計(jì)計(jì)算產(chǎn)生對(duì)應(yīng)用戶的波束賦形矢量，通過(guò)靈活控制波束賦形矢量，使波束主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶，低功率的旁瓣或者零限位置對(duì)準(zhǔn)干擾源，提高通信系統(tǒng)的信噪比使系統(tǒng)性能得到提升。數(shù)字域波束賦形需要將每根天線都分別連接至其對(duì)應(yīng)的模擬前端鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶到模擬射頻的轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖2）［10］。

圖2 數(shù)字波束賦形結(jié)構(gòu)

固定波束切換系統(tǒng)通常在模擬域?qū)崿F(xiàn)，利用低成本的移相器來(lái)控制調(diào)整每個(gè)天線發(fā)射信號(hào)的相位，形成若干定向波束。具體實(shí)現(xiàn)上，需要預(yù)先設(shè)計(jì)好一組備選用波束模式的天線加權(quán)向量或者波束碼本，對(duì)于波束碼本集合，不同廠家有不同的設(shè)計(jì)。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，從設(shè)計(jì)好的碼本中選取最優(yōu)波束進(jìn)行通信。碼本中的每一列代表波束成形的權(quán)重向量。原始信號(hào)經(jīng)過(guò)基帶信號(hào)處理之后變頻到射頻，射頻的信號(hào)根據(jù)發(fā)送權(quán)重向量進(jìn)行相移操作然后發(fā)送。接收到的射頻信號(hào)根據(jù)接收權(quán)重向量進(jìn)行相移操作然后變頻到基帶。不同的碼本對(duì)應(yīng)了不同的相移，也對(duì)應(yīng)了不同的波束寬度。

移相器成本低廉，簡(jiǎn)單易行，因此模擬波束賦形在經(jīng)濟(jì)上比數(shù)字波束賦形上更受歡迎（見(jiàn)圖3）。但是，模擬波束賦形的性能達(dá)不到數(shù)字波束賦形的效果，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的MIMO性能，因此在NR高頻中，考慮有限數(shù)量數(shù)字通道下MIMO 技術(shù)方案來(lái)減少能耗和降低設(shè)備成本，通常采用模擬電路與數(shù)字電路相結(jié)合的基于數(shù)?；旌闲盘?hào)處理的混合BF（HBF）方式［11］。

圖3 模擬波束賦形結(jié)構(gòu)

如圖4 所示的混合波束賦形結(jié)構(gòu)，基站配置M根天線，服務(wù)K個(gè)用戶，M根物理天線分為N組，每組L根物理天線，分別與N個(gè)模擬前端相連（M=N×L），每個(gè)模擬前端鏈路包括上、下變頻器、ADC 和DAC。模擬域波束賦形是基于RF射頻鏈路M個(gè)物理天線來(lái)做，M根物理天線經(jīng)過(guò)模擬波束賦形模塊，經(jīng)過(guò)移相形成若干個(gè)發(fā)送波束。數(shù)字波束賦形是在N路模擬前端鏈路之前來(lái)做，N路發(fā)送信號(hào)進(jìn)行數(shù)字波束賦形，發(fā)送給K個(gè)用戶。在混合模擬、數(shù)字波束賦形結(jié)構(gòu)中，需要滿足（M＞N＞K，M=N×L），因?yàn)閷?duì)于N=M和N=1 的極限情況，混合波束賦形就轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ娜珨?shù)字域的波束賦形。

在混合模擬、數(shù)字波束賦形中，發(fā)送信號(hào)的處理流程如下：某個(gè)子載波上發(fā)送給某個(gè)用戶的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字波束賦形后，進(jìn)行快速傅里葉變換將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域，通過(guò)模擬前端鏈路的DAC 模塊轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬波束賦形矩陣的作用，產(chǎn)生L路具有不同相位的模擬信號(hào)，最終將ABF 模塊輸出的L 路信號(hào)映射到天線上。其中模型波束只進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，賦形權(quán)重的幅度相同均為1。

2.2 波束形態(tài)設(shè)計(jì)

假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端含M個(gè)天線陣元，接收端含N個(gè)天線陣元，在發(fā)射端，信號(hào)乘以發(fā)送權(quán)重矢量t之后利用天線陣列發(fā)射到空間中；相應(yīng)地，接收端將接收信號(hào)乘以接收權(quán)重矢量c后，進(jìn)行加權(quán)求和得到輸出信號(hào)送至信號(hào)處理模塊。在毫米波通信系統(tǒng)中，加權(quán)矢量各分量均為相移因子，即模為1。因此，可簡(jiǎn)單地將發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)不同相移后，利用陣列天線發(fā)射出去。

波束碼本是一個(gè)M×N的矩陣，其中行數(shù)M為天線陣元數(shù)，列數(shù)N為波束數(shù)目，對(duì)于均勻分布的1 維線性陣，其第n個(gè)波束的陣列響應(yīng)因子可以表示為［12］：

式中：

wm,n——碼本中第n個(gè)波束的第m個(gè)天線陣元的加權(quán)因子

圖4 混合波束賦形結(jié)構(gòu)

d——天線陣元間距

λ——信號(hào)的波長(zhǎng)

θ——來(lái)波方向與天線陣法線方向的夾角（波達(dá)角）

一般情況下，設(shè)置d=λ/2。

波束設(shè)計(jì)中對(duì)于控制波束和業(yè)務(wù)波束可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，也可以統(tǒng)一設(shè)計(jì)，目前標(biāo)準(zhǔn)中這2種方式都可能支持，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)通過(guò)高層信令配置。其中，控制波束要強(qiáng)調(diào)其傳輸?shù)聂敯粜?，可以考慮在不同時(shí)刻使用不同魯棒性或不同方向的波束給終端傳輸控制信道，以解決高頻信道突發(fā)阻塞的問(wèn)題；另外，波束設(shè)計(jì)還需要考慮到場(chǎng)景的需要，相對(duì)較窄的波束會(huì)有較好的模擬賦型增益和干擾屏蔽效果，但是對(duì)移動(dòng)性的支持較差，更適合于用戶較固定的場(chǎng)景。設(shè)計(jì)相對(duì)較寬的波束，可以減少總波束的個(gè)數(shù)，降低測(cè)量開(kāi)銷，而且用戶移動(dòng)出波束的時(shí)間也更長(zhǎng)，有利于更好地跟蹤波束。如果有移動(dòng)性較強(qiáng)的用戶，傾向于設(shè)計(jì)較寬的波束。

3 5G毫米波波束管理

毫米波通信系統(tǒng)中，終端和基站側(cè)經(jīng)過(guò)波束賦形后會(huì)形成大量窄波束。波束管理的目的是獲取并維護(hù)一組可用于DL 和UL 傳輸/接收的UE 波束對(duì)，提高鏈路的性能。波束管理包括以下幾方面內(nèi)容：波束掃描、波束測(cè)量、波束上報(bào)、波束指示、波束失敗恢復(fù)。

3.1 波束掃描流程

波束掃描通常包括以下幾個(gè)過(guò)程（見(jiàn)圖5）。

a）P1 階段——基站/終端波束粗掃描：基站使用基于SSB 的小區(qū)級(jí)寬波束掃描，終端使用不同的寬波束接收并通過(guò)PRACH接入。

圖5 波束掃描過(guò)程

b）P2 階段——基站精準(zhǔn)掃描：基站使用CSI-RS窄波束進(jìn)行掃描用以對(duì)TX進(jìn)行細(xì)化，終端使用最優(yōu)寬波束接收。

c）P3 階段——終端精準(zhǔn)掃描：基站使用從P2 過(guò)程中UE選出最佳CSI-RS波束傳輸給UE，終端使用多個(gè)窄波束接收，UE更新其最佳RX波束。

在波束掃描過(guò)程中，為了盡快匹配和搜索最佳收發(fā)波束對(duì)，常用的搜索算法有以下幾種：窮舉搜索、多級(jí)分層掃描［13］、基于預(yù)編碼的掃描［14］。窮舉搜索直接對(duì)所有可能波束對(duì)的接收SNR、RSRP或者是頻譜效率等進(jìn)行測(cè)量，選擇最優(yōu)波束對(duì)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是開(kāi)銷大，搜索時(shí)間長(zhǎng)。在窮舉搜索的基礎(chǔ)上可通過(guò)用戶分組，多級(jí)分層減小開(kāi)銷：先進(jìn)行粗波束選擇，將選擇的波束序列號(hào)反饋到接收機(jī)；之后掃描并選擇低分辨率覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)所對(duì)應(yīng)的高分辨率的波束對(duì)（細(xì)波束選擇），訓(xùn)練開(kāi)銷大大減少?；陬A(yù)編碼的搜索需要基站將預(yù)編碼之后的波束參考信號(hào)廣播給所有用戶，每個(gè)用戶根據(jù)不同的掃描波束預(yù)編碼估計(jì)傳輸信道，然后基于預(yù)定義的傳輸波束碼本檢測(cè)最佳波束對(duì)。該機(jī)制利用了物理信道的稀疏性，可以采用一些先進(jìn)的算法來(lái)減小開(kāi)銷簡(jiǎn)化流程，如壓縮感知。

目前較為成熟的毫米波波束搜索有基于碼本的802.15.3c 和802.11.ad 波束搜索技術(shù)［15］。相比于簡(jiǎn)單窮舉搜索而言，這2 種方案均在一定程度上有效降低搜索復(fù)雜度。802.15.3 波束賦形和搜索過(guò)程分為3 個(gè)階段：準(zhǔn)全向級(jí)別、扇區(qū)級(jí)別、波束級(jí)別。3 個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的波束賦形區(qū)域，定向增益依次增大，覆蓋范圍依次減小，通過(guò)這種從寬到窄的波束搜索方式，尋找到最佳波束，如圖6 所示，（b）、（c）、（d）圖分別表示了波束賦范圍逐漸變窄的過(guò)程。

802.1 1.ad 波束搜索過(guò)程分為2 個(gè)階段：扇區(qū)級(jí)搜索階段、波束優(yōu)化協(xié)議階段。與802.15.3c 波束賦形的方法類似，這2 個(gè)階段的波束賦形的范圍也是依次減小，任何階段的波束賦形都必須在前一階段波束成形完成后才能進(jìn)行，但是與802.15.3c 波束賦形方法不同的是，802.11ad 波束賦形方法尋找最佳波束的時(shí)候采用的是定向發(fā)送、全向接收的方式。而802.15.3c 波束賦形方法尋找最佳波束的時(shí)候采用的定向發(fā)送、定向接收的方式。

3.2 波束測(cè)量

圖6 常用2種波束搜索過(guò)程

圖7 SSB構(gòu)成

空閑態(tài)初始接入過(guò)程中，下行主要依靠SSB（見(jiàn)圖7），通過(guò)測(cè)量SSB 的RSRP，選擇質(zhì)量最好的SSB。SSB由PSS，SSS 和PBCH 組成，占4 符號(hào)×20 PRB；一個(gè)SSB對(duì)應(yīng)一個(gè)波束。用于波束掃描的一組SSB的集合叫做SS burst set；集合中SSB 最大數(shù)量與頻段有關(guān)，在毫米波頻段上，毫米波頻段上最多布置64個(gè)SSB。

空閑態(tài)初始接入過(guò)程中，上行主要依靠PRACH，PRACH 和SSB 資源之間存在映射關(guān)系。UE 在初始接入時(shí)首先會(huì)選擇與最佳SSB 關(guān)聯(lián)的PRACH 資源發(fā)送MSG1?；靖鶕?jù)收到的UE 上行PRACH 的資源位置確定UE 所選擇的SSB 波束，并在此SSB 波束上發(fā)送下行RAR 和后續(xù)信令，至此，UE 和基站完成了初始接入過(guò)程中基于SSB波束的初步訓(xùn)練過(guò)程。

在連接態(tài)下為了跟蹤信道的變化和選擇更精細(xì)的波束進(jìn)行傳輸，需要通過(guò)波束測(cè)量不斷評(píng)估發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的波束方向。下行方向基站配置一組或多組用于波束管理CSI-RS 進(jìn)行波束掃描，UE 通過(guò)對(duì)CSI-RS 的測(cè)量得到L1-RSRP 結(jié)果，上報(bào)不同CSI-RS的測(cè)量結(jié)果?；具x擇L1-RSRP 最強(qiáng)的CSI-RS 波束進(jìn)行下行信道發(fā)送。CSI-RS參數(shù)配置中包含repetiton字段，當(dāng)設(shè)置為off時(shí)，同方向波束不會(huì)連續(xù)重復(fù)發(fā)送，UE 可以保持接收波束不變，進(jìn)行波束測(cè)量；當(dāng)設(shè)置為on 時(shí)，同方向波束會(huì)連續(xù)重復(fù)發(fā)送，UE 可以掃描接收波束，進(jìn)行波束測(cè)量。

連接態(tài)的上行方向基站可配置用于波束管理的SRS 進(jìn)行波束測(cè)量，用于波束管理的SRS 多個(gè)資源集對(duì)應(yīng)UE 的TX Panel，資源集中的每個(gè)SRS資源對(duì)應(yīng)一個(gè)波束。SRS 資源配置中的sptialRelationInfo 參數(shù)可用于上行波束訓(xùn)練，當(dāng)資源集中的SRS 資源的sptial-RelationInfo配置為不同發(fā)送波束時(shí)，UE進(jìn)行發(fā)送波束掃描，基站可以保持接收波束不變，進(jìn)行上行波束測(cè)量；sptialRelationInfo 配置為相同發(fā)送波束時(shí)，UE 發(fā)送波束不變，基站可以進(jìn)行接收波束掃描，進(jìn)行上行波束訓(xùn)練。

3.3 波束失敗和恢復(fù)

如果當(dāng)前由于遮擋導(dǎo)致用戶控制信道的接收質(zhì)量低于一定門限，UE側(cè)發(fā)起波束失敗恢復(fù)流程。波束失敗檢測(cè)主要基于基站側(cè)配置的SSB 或CSI-RS 參考信號(hào)。UE在失敗檢測(cè)定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，檢測(cè)到失敗的個(gè)數(shù)大于或等于失敗的最大個(gè)數(shù)參數(shù)，則觸發(fā)波束失敗恢復(fù)流程，TRP 通過(guò)收端波束掃描接收到上行恢復(fù)請(qǐng)求信號(hào)，UE會(huì)根據(jù)波束恢復(fù)的參數(shù)配置重新選擇新的SSB 對(duì)應(yīng)波束，并在用于波束恢復(fù)的PRACH 資源上發(fā)起隨機(jī)接入過(guò)程，與基站重新建立新波束對(duì)，恢復(fù)傳輸（見(jiàn)圖8）。

4 現(xiàn)有毫米波設(shè)備波束性能

4.1 毫米波設(shè)備發(fā)展情況

目前，毫米波產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，現(xiàn)有毫米波設(shè)備形態(tài)單一、功能和性能尚不滿足組網(wǎng)需求，尤其是射頻相關(guān)的功能和性能較5G 低頻段設(shè)備有較大差距。毫米波設(shè)備主要受限于高頻器件，相關(guān)的高頻核心器件主要包括功率放大器、低噪聲放大器、鎖相環(huán)電路、濾波器、高速高精度數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器、陣列天線等。這些器件也都與波束賦形的實(shí)現(xiàn)緊密相關(guān)，例如數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器件需要滿足至少1 GHz的信道帶寬的采樣需求，并進(jìn)一步提高精度和降低功耗，新型的高頻陣列天線需要滿足高增益波束和大范圍空間掃描等方面需求。

圖8 波束失敗和恢復(fù)流程

由于目前北美和日韓走在毫米波研究部署的前沿，已經(jīng)逐步開(kāi)始部署毫米波系統(tǒng)，所以目前廠家設(shè)備主要支持北美和日韓的28 和39 GHz 頻段。設(shè)備滿足基本功能，例如，可以支持200、400 MHz 單載波能力，多載波聚合可以最大實(shí)現(xiàn)800 MHz 帶寬，支持64QAM 和256QAM 調(diào)制方式，系統(tǒng)峰值傳輸速率達(dá)到10 Gbit/s以上。在波束管理、波束移動(dòng)性等功能方面，目前主流設(shè)備廠家采用模擬波束賦形或者混合波束賦形，基于SSB的初始接入過(guò)程，支持業(yè)務(wù)信道的波束管理和波束切換掃描，但對(duì)于小區(qū)間或者系統(tǒng)間的移動(dòng)性支持還未滿足。

4.2 毫米波設(shè)備波束測(cè)試

如何測(cè)試驗(yàn)證毫米波設(shè)備波束能力，包括不同廠家的波束配置、波束賦形的準(zhǔn)確度、波束移動(dòng)切換情況、遇到遮擋波束能否快速恢復(fù)等問(wèn)題也是目前產(chǎn)業(yè)界面臨的難題。Sub-6 GHz 設(shè)備通常使用傳導(dǎo)測(cè)試或者射頻線纜相連的方式進(jìn)行測(cè)量，而毫米波設(shè)備RRU和AAU 集成在一起，且毫米波波束賦形在模擬域?qū)崿F(xiàn)，難以采用傳統(tǒng)的連線測(cè)試，只能采用OTA 的測(cè)試方法。信通院研發(fā)了波束跟蹤端到端測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)部署在暗室中，基站側(cè)裝置一個(gè)高精度三軸轉(zhuǎn)臺(tái)，通過(guò)固定終端，旋轉(zhuǎn)基站，可以驗(yàn)證終端對(duì)基站側(cè)的波束追蹤能力。但目前OTA 的測(cè)試方法和測(cè)試技術(shù)尚未成熟，暗室建設(shè)成本高昂，該系統(tǒng)尚未投入使用，業(yè)界難以開(kāi)展有效驗(yàn)證。

目前對(duì)毫米波設(shè)備波束的測(cè)試只能間接進(jìn)行，通過(guò)測(cè)試小區(qū)的峰值速率、覆蓋范圍、接入時(shí)間、切換時(shí)間等移動(dòng)性指標(biāo)來(lái)測(cè)試波束性能，測(cè)試參數(shù)配置如表1所示。

表1 測(cè)量參數(shù)配置表

4.2.1 SSB接入測(cè)試

初始接入過(guò)程廣播信道配置有8 個(gè)SSB 波束，編號(hào)0～7。在小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，終端沿著天面法線的切線方向移動(dòng)，隨機(jī)尋找5個(gè)不同測(cè)試點(diǎn)位，終端在每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行小區(qū)接入測(cè)試，監(jiān)控到的每個(gè)點(diǎn)的廣播波束信息和信號(hào)強(qiáng)度信息如表2所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，終端在不同的測(cè)試點(diǎn)均可以正常接入不同的SSB，對(duì)應(yīng)不同的SSB ID。改變終端的移動(dòng)速度，測(cè)試不同移動(dòng)速度場(chǎng)景下廣播波束實(shí)時(shí)的測(cè)量和切換過(guò)程，發(fā)現(xiàn)隨著終端的移動(dòng)，控制信道波束始終可以在0～7 的范圍內(nèi)依次切換，與SSB 的ID 相對(duì)應(yīng)，與實(shí)際場(chǎng)景天線的波束所覆蓋角度方向一致。在不同速度下的移動(dòng)過(guò)程，SSB 的SINR 和RSRP的測(cè)量值都較為穩(wěn)定，說(shuō)明終端始終可以平穩(wěn)完成波束切換。

表2 不同接入點(diǎn)的同步信道波束測(cè)量和選擇情況

4.2.2 數(shù)據(jù)信道波束切換測(cè)試

下行PDSCH 業(yè)務(wù)信道共有48 個(gè)窄波束，水平方向依次分布12 個(gè)波束，對(duì)應(yīng)垂直方向上下分布4 個(gè)波束。在小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，選擇隨機(jī)接入點(diǎn)進(jìn)行接入，終端發(fā)起正常的業(yè)務(wù)且業(yè)務(wù)穩(wěn)定后，令終端以一定速度沿著天面法線的切線方向移動(dòng)，測(cè)試業(yè)務(wù)信道的波束切換情況，可以看到移動(dòng)過(guò)程中，數(shù)據(jù)信道波束均可以正常切換，且終端的業(yè)務(wù)過(guò)程維持正常，沒(méi)有發(fā)生業(yè)務(wù)中斷現(xiàn)象。在移動(dòng)過(guò)程中隨機(jī)選擇5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，監(jiān)控到的每個(gè)點(diǎn)的業(yè)務(wù)波束信息和信號(hào)強(qiáng)度信息如表3所示。

表3 不同接入點(diǎn)的業(yè)務(wù)信道波束測(cè)量和選擇情況

4.2.3 波束失敗檢測(cè)與恢復(fù)

測(cè)試過(guò)程中，在終端和基站的直射路徑上設(shè)置大型障礙物，終端移動(dòng)到障礙物時(shí)，信號(hào)覆蓋變差，下行速率出現(xiàn)斷流；UE 下行吞吐量為0 時(shí)即判斷為終端數(shù)據(jù)斷流，此時(shí)處于波束失敗狀態(tài)，基站和UE 的窄波束都保持?jǐn)嗔髦暗木幪?hào)。當(dāng)終端重新移動(dòng)回到正常覆蓋區(qū)之后，UE 和基站重新進(jìn)行波束選擇和切換，終端的下行業(yè)務(wù)速率能夠快速恢復(fù)，波束恢復(fù)流程通過(guò)MAC 信令完成（MAC-CE），波束恢復(fù)時(shí)延在毫秒級(jí)別。

5 總結(jié)

本文介紹了毫米波系統(tǒng)中的多波束方案，首先介紹了毫米波的系統(tǒng)特征、毫米波的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)以及使用波束賦形的必要性。在此基礎(chǔ)上，介紹了毫米波系統(tǒng)中特有的混合波束賦形方案和實(shí)現(xiàn)方式。緊接著介紹了如何對(duì)多波束系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括波束測(cè)試、掃描、上報(bào)以及波束失敗和恢復(fù)的過(guò)程。最后理論結(jié)合實(shí)際，給出了波束性能的仿真測(cè)試結(jié)果，提出了加速設(shè)備和終端成熟、加快整合產(chǎn)業(yè)力量的產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。