在5G毫米波系統(tǒng)中，由于信道波動(dòng)較為劇烈，可能發(fā)生基站與用戶之間的波束失準(zhǔn)。波束故障恢復(fù)可以幫助基站或用戶根據(jù)波束測量結(jié)果調(diào)整當(dāng)前故障波束到可用的波束，從而避免波束失準(zhǔn)造成的頻繁無線鏈路失敗。系統(tǒng)地闡述了5G波束故障恢復(fù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括波束故障探測、候選波束識別、波束恢復(fù)請求傳輸以及基站響應(yīng)等步驟，為進(jìn)一步研究波束故障恢復(fù)提供參考。

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0 引言

波束賦形技術(shù)作為第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5th-Generation，5G）的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效對抗路徑損耗，從而提升系統(tǒng)覆蓋范圍和容量[1]。通常，波束與用戶之間對準(zhǔn)得越好，該波束提供的信號增益越大。然而在毫米波系統(tǒng)中，由于信道突然波動(dòng)、意外障礙中斷、用戶設(shè)備(User Equipment，UE)旋轉(zhuǎn)等因素影響，可能導(dǎo)致5G基站(New Radio NodeB，gNB)與UE之間的波束失準(zhǔn)。在這種情況下，UE不能解碼任何下行鏈路(Downlink，DL)信號和/或gNB不能解碼由于gNB和UE之間的波束未對準(zhǔn)而導(dǎo)致的任何上行鏈路(Uplink，UL)信號[2]。如果這些故障重復(fù)出現(xiàn)，則UE將陷入無線鏈路故障(Radio Link Failure，RLF)，因此有必要定義和研究波束恢復(fù)以避免由于波束故障造成的頻繁RLF。在3GPP RAN1 NR Adhoc1次會議上達(dá)成了以下協(xié)議[3]：新空口(New Radio，NR)支持由UE觸發(fā)波束故障恢復(fù)。

波束故障恢復(fù)的主要原理是幫助gNB或UE根據(jù)波束測量結(jié)果調(diào)整當(dāng)前故障波束到其他可用的波束，從而避免波束失準(zhǔn)造成的頻繁無線鏈路失敗。NR支持由UE觸發(fā)波束故障恢復(fù)的原因主要是考慮到上行波束故障事件由gNB檢測，因此可以通過gNB觸發(fā)上行波束管理來實(shí)現(xiàn)波束恢復(fù)。而對于下行波束，波束故障事件由UE檢測，由于UE可以有最近的波束測量結(jié)果，因此波束恢復(fù)過程將由UE觸發(fā)。通常意義上，波束故障恢復(fù)主要指下行波束故障恢復(fù)。

截至2018年6月，3GPP已經(jīng)完成了通過基于非競爭的隨機(jī)接入過程來實(shí)現(xiàn)波束恢復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作[4]，接下來將陸續(xù)開展對通過基于競爭的隨機(jī)接入過程實(shí)現(xiàn)波束恢復(fù)和基于物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel，PUCCH）的波束恢復(fù)的研究工作。

基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，本文將從終端側(cè)的角度研究通過基于競爭的隨機(jī)接入實(shí)現(xiàn)波束故障恢復(fù)，并對波束故障恢復(fù)的方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 波束故障恢復(fù)設(shè)計(jì)總則

1.1 波束故障恢復(fù)與RLF的區(qū)別

波束故障恢復(fù)與RLF的區(qū)別如下[5]：

(1)無線鏈路監(jiān)測（Radio Link Monitoring，RLM）的參考信號集合包括用于波束管理和層三移動(dòng)性的同步信號/物理廣播信道（Synchronization Signal/Physical Broadcast Channel，SS/PBCH）塊和信道狀態(tài)信息參考信號（Channel State Information Reference Signal，CSI-RS）。而波束故障恢復(fù)的參考信號包括用于波束管理的SS/PBCH塊和CSI-RS。兩者的參考信號可能不相同，這取決于網(wǎng)絡(luò)配置。

(2)波束故障恢復(fù)是短期流程，可以更加頻繁地提供指示；RLF/RLM是長期流程，可以提供周期性的指示。

(3)RLF/RLM是基于假想的下行物理控制信道（Physical Downlink Control Channel，PDCCH）的塊差錯(cuò)率（Block Error Rate，BLER）與Qin/Qout的對比結(jié)果，用于提供是否同步的指示和評估，而波束故障恢復(fù)可以用層一參考信號接收功率（Layer One-Reference Signal Receive Power，L1-RSRP）測量。

1.2 波束故障恢復(fù)設(shè)計(jì)思路

第一步，當(dāng)出現(xiàn)下行波束故障時(shí)，如果UE具有替代/可行的波束來替換當(dāng)前故障的波束，則有機(jī)會避免由波束故障引起的RLF。如圖1所示，如果UE檢測到波束故障并且具有替代/可行波束，則UE可以嘗試基于替代/可行波束進(jìn)行接入。由于gNB不能確定接收波束以接收來自UE的波束恢復(fù)信號，因此gNB可以掃描接收波束以接收恢復(fù)信號。第二步，如果接入成功，則可以使用替代波束進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收。因此波束故障恢復(fù)的觸發(fā)條件包括兩個(gè)內(nèi)容：(1)發(fā)現(xiàn)波束故障事件；(2)找到候選波束。隨后，為了使得基站盡早得知波束故障并利用候選波束更新故障波束，UE需要指示波束故障事件以及上報(bào)候選波束給基站，即波束故障恢復(fù)的第三步是發(fā)送波束故障恢復(fù)請求（Beam Failure Recovery Request，BFRQ）給基站，第四步是gNB對UE關(guān)于BFRQ的響應(yīng)。在目前的3GPP規(guī)范中支持以下信道用于BFRQ的傳輸，包括基于非競爭的物理隨機(jī)接入信道（Physical Random Access Channel，PRACH）、PUCCH，并將進(jìn)一步研究基于競爭的PRACH作為基于非競爭的PRACH的補(bǔ)充[6]。表1針對通過PUCCH和PRACH分別傳輸BFRQ的優(yōu)缺點(diǎn)[7]進(jìn)行了分析。

從表1中可以看出，PUCCH和PRACH傳輸BFRQ的方案各有利弊，考慮到PRACH的適用范圍更廣、基于非競爭的PRACH不會涉及沖突解決，本文將研究通過基于競爭的PRACH傳輸BFRQ的波束故障恢復(fù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.3 常見高層參數(shù)

表2總結(jié)了波束故障恢復(fù)流程中涉及到的參數(shù)以及其具體含義。

2 波束故障恢復(fù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于非競爭的PRACH進(jìn)行波束故障恢復(fù)包括4個(gè)步驟[8]：（1）波束故障探測；（2）候選波束識別；（3）BFRQ傳輸；（4）UE監(jiān)聽gNB對BFRQ的響應(yīng)。圖2顯示了波束故障恢復(fù)的實(shí)現(xiàn)流程，下面將對這幾部分分別展開說明。

2.1 波束故障探測

(1) 探測波束集合

當(dāng)UE配置有高層參數(shù)Beam-Failure-Detection- RS-ResourceConfig時(shí)，高層信令配置的周期CSI-RS資源索引集合就是波束故障探測集合

(2)波束故障的探測方式

波束故障的檢測條件是基于假想的PDCCH的BLER，當(dāng)某個(gè)波束的BLER高于門限值Qout，LR時(shí)，認(rèn)為該波束此刻是故障的，其中Qout，LR對應(yīng)于高層參數(shù)RLM-IS-OOS-thresholdConfig的默認(rèn)值。

(3)波束故障的條件

UE將結(jié)合out，LR來評估無線鏈路的質(zhì)量。具體地，對于集合out，LR差時(shí)，物理層將會給更高層一個(gè)指示，這個(gè)指示將會周期性通知給更高層。其中，在RAN1第92b會議上已達(dá)成協(xié)議，該周期應(yīng)不低于2 ms[9]，具體周期由

當(dāng)終端的高層收到連續(xù)的Beam-Failure-Instance- MaxCount個(gè)指示時(shí)，則認(rèn)為波束故障事件成立[10]。

2.2 候選波束識別

(1)候選波束集合

候選波束集合

(2)候選波束的探測方式

候選波束的檢測條件是L1-RSRP，當(dāng)這個(gè)某個(gè)波束的L1-RSRP高于門限值Qin，LR時(shí)，認(rèn)為該波束是可行的，其中Qin，LR對應(yīng)于高層參數(shù)Beam-failure-candidate-beam-threshold的默認(rèn)值。對于SS/PBCH塊，UE將直接把Qin，LR應(yīng)用于L1-RSRP；對于CSI-RS資源，UE將在用由較高層參數(shù)Pc_SS提供的值來縮放各個(gè)CSI-RS接收功率之后，再用該CSI-RS資源的Qin，LR閾值應(yīng)用于L1-RSRP。

(3)候選波束識別的條件

在UE收到來自更高層的請求時(shí)，UE應(yīng)該向該更高層提供集合in，LR的周期性CSI-RS配置索引和/或SS / PBCH塊索引。當(dāng)UE至少向更高層上報(bào)了一個(gè)參考信號索引以及相對應(yīng)的L1-RSRP時(shí)，則認(rèn)為UE找到了候選波束。

2.3 BFRQ傳輸

當(dāng)UE檢測到波束故障并找到了至少一個(gè)候選波束時(shí)，將會向gNB發(fā)送BFRQ，其中包括波束故障事件指示以及候選波束信息。對于基于非競爭的PRACH用于BFRQ傳輸，UE將上報(bào)一個(gè)候選波束索引qnew給gNB，這個(gè)候選波束索引qnew由更高層根據(jù)UE上報(bào)的候選波束信息決定，并指示給UE。

UE將會被高層參數(shù)Beam-failure-recovery-request-RACH-Resource配置用于傳輸BFRQ的基于非競爭的PRACH資源，其中候選波束參考信號索引與專有PRACH資源相關(guān)聯(lián)。

2.4 UE監(jiān)聽基站對BFRQ的響應(yīng)

UE會分別由高層參數(shù)Beam-failure-Recovery- Response-CORESET和高層參數(shù)search-space-config配置一個(gè)控制資源集（Control Resource Set，CORESET）和相應(yīng)的搜索空間用于監(jiān)聽PDCCH。當(dāng)UE在時(shí)隙n傳輸了BFRQ后，將從時(shí)隙(n+4)開始并在高層參數(shù)Beam-failure-recovery-request-window配置的窗口內(nèi)監(jiān)聽用小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識（Cell Radio Network Temporary Identifier，C-RNTI）加擾的一種DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）格式，即gNB對BFRQ的響應(yīng)。從這段期間到UE收到傳輸配置指示（Transmission Configuration Indication，TCI）狀態(tài)的激活或者收到參數(shù)TCI-States-PDCCH之前，對于物理下行共享信道（Physical Downlink Share Channel，PDSCH）的接收，UE將假定其天線端口與正在監(jiān)聽的PDCCH滿足相同的QCL關(guān)系。

當(dāng)UE在窗口內(nèi)成功收到基站對其BFRQ的響應(yīng)時(shí)，則認(rèn)為波束故障恢復(fù)成功。當(dāng)UE直到Beam-failure-recovery-Timer到期也沒有收到來自基站的BFRQ響應(yīng)或者UE進(jìn)行BFRQ傳輸?shù)拇螖?shù)達(dá)到高層配置的最大次數(shù)時(shí)，則認(rèn)為波束故障恢復(fù)失敗，其中對于Beam-failure-recovery-Timer，UE在波束故障檢測事件發(fā)生時(shí)開始Beam-failure- recovery-Timer計(jì)時(shí)，而當(dāng)UE收到基站對BFRQ的響應(yīng)時(shí)結(jié)束Beam-failure-recovery-Timer計(jì)時(shí)。對于通過PRACH的方式進(jìn)行波束故障恢復(fù)，如果不成功，則觸發(fā)RLF操作。

3 結(jié)論

波束故障恢復(fù)可以幫助gNB或UE根據(jù)波束測量結(jié)果調(diào)整當(dāng)前故障波束到其他可用的波束，從而避免波束失準(zhǔn)造成的頻繁無線鏈路失敗并實(shí)現(xiàn)快速波束恢復(fù)。本文對5G中基于競爭的PRACH的波束故障恢復(fù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，具體流程包括波束故障探測、候選波束識別、BFRQ傳輸以及gNB響應(yīng)等，為后續(xù)的波束故障恢復(fù)研究提供重要的參考。