0 引言

    波束賦形技術作為第五代移動通信系統(tǒng)（5th-Generation,，5G）的關鍵技術之一,，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、意外障礙中斷,、用戶設備(User Equipment,，UE)旋轉等因素影響，可能導致5G基站(New Radio NodeB,，gNB)與UE之間的波束失準,。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之間的波束未對準而導致的任何上行鏈路(Uplink,，UL)信號^[2]。如果這些故障重復出現(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。

    波束故障恢復的主要原理是幫助gNB或UE根據(jù)波束測量結果調整當前故障波束到其他可用的波束,，從而避免波束失準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)上行波束管理來實現(xiàn)波束恢復。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果，因此波束恢復過程將由UE觸發(fā),。通常意義上,，波束故障恢復主要指下行波束故障恢復,。

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

    基于現(xiàn)有標準，本文將從終端側的角度研究通過基于競爭的隨機接入實現(xiàn)波束故障恢復,，并對波束故障恢復的方案進行詳細闡述,。

1 波束故障恢復設計總則

1.1 波束故障恢復與RLF的區(qū)別

    波束故障恢復與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)絡配置。

    (2)波束故障恢復是短期流程,，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）的塊差錯率（Block Error Rate，BLER）與Q_in/Q_out的對比結果,，用于提供是否同步的指示和評估,，而波束故障恢復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 波束故障恢復設計思路

    第一步,，當出現(xiàn)下行波束故障時，如果UE具有替代/可行的波束來替換當前故障的波束,，則有機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的波束恢復信號,，因此gNB可以掃描接收波束以接收恢復信號。第二步,，如果接入成功,，則可以使用替代波束進行數(shù)據(jù)傳輸和接收。因此波束故障恢復的觸發(fā)條件包括兩個內(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候選波束給基站,，即波束故障恢復的第三步是發(fā)送波束故障恢復請求（Beam Failure Recovery Request，BFRQ）給基站,，第四步是gNB對UE關于BFRQ的響應,。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接入信道（Physical Random Access Channel,，PRACH）,、PUCCH，并將進一步研究基于競爭的PRACH作為基于非競爭的PRACH的補充^[6],。表1針對通過PUCCH和PRACH分別傳輸BFRQ的優(yōu)缺點^[7]進行了分析,。

    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的波束故障恢復的設計與實現(xiàn),。

1.3 常見高層參數(shù)

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

2 波束故障恢復的設計與實現(xiàn)

    基于非競爭的PRACH進行波束故障恢復包括4個步驟^[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。圖2顯示了波束故障恢復的實現(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UE配置有高層參數(shù)Beam-Failure-Detection- RS-ResourceConfig時，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,；當UE沒有配置Beam-Failure-Detection-RS-ResourceConfig高層參數(shù)時,，UE將集合確定為與其所監(jiān)聽的PDCCH的解調參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）滿足準協(xié)同定位（Quasi-colocation,，QCL）關系的周期CSI-RS或SS/PBCH塊,。

    (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，當某個波束的BLER高于門限值Q_out,，LR時,，認為該波束此刻是故障的,，其中Q_out，LR對應于高層參數(shù)RLM-IS-OOS-thresholdConfig的默認值,。

    (3)波束故障的條件

    UE將結合中參考信號的BLER以及門限值Q_out,，LR來評估無線鏈路的質量。具體地,，對于集合,，UE只評估集合中與UE所監(jiān)聽的PDCCH DMRS滿足QCL關系的周期CSI-RS或SS/PBCH塊。當UE所評估的所有參考信號的無線鏈路質量都比Q_out,，LR差時,，物理層將會給更高層一個指示，這個指示將會周期性通知給更高層,。其中,，在RAN1第92b會議上已達成協(xié)議,，該周期應不低于2 ms^[9],，具體周期由中參考信號的最短周期與周期最小值（2 ms）之間的最大值決定。

    當終端的高層收到連續(xù)的Beam-Failure-Instance- MaxCount個指示時,，則認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

    候選波束集合是由高層參數(shù)Candidate-Beam-RS-List配置的周期CSI-RS 資源索引和/或SS/PBCH塊索引。

    (2)候選波束的探測方式

    候選波束的檢測條件是L1-RSRP,，當這個某個波束的L1-RSRP高于門限值Q_in,，LR時，認為該波束是可行的,，其中Q_in,，LR對應于高層參數(shù)Beam-failure-candidate-beam-threshold的默認值。對于SS/PBCH塊,，UE將直接把Q_in,，LR應用于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CSI-RS接收功率之后,，再用該CSI-RS資源的Q_in，LR閾值應用于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,，UE應該向該更高層提供集合中的L1-RSRP值大于等于Q_in，LR的周期性CSI-RS配置索引和/或SS / PBCH塊索引,。當UE至少向更高層上報了一個參考信號索引以及相對應的L1-RSRP時,，則認為UE找到了候選波束。

2.3 BFRQ傳輸

    當UE檢測到波束故障并找到了至少一個候選波束時,，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將上報一個候選波束索引q_new給gNB,，這個候選波束索引q_new由更高層根據(jù)UE上報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資源相關聯(lián),。

2.4 UE監(jiān)聽基站對BFRQ的響應

    UE會分別由高層參數(shù)Beam-failure-Recovery- Response-CORESET和高層參數(shù)search-space-config配置一個控制資源集（Control Resource Set，CORESET）和相應的搜索空間用于監(jiān)聽PDCCH,。當UE在時隙n傳輸了BFRQ后,，將從時隙(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)絡臨時標識（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。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關系,。

    當UE在窗口內(nèi)成功收到基站對其BFRQ的響應時，則認為波束故障恢復成功,。當UE直到Beam-failure-recovery-Timer到期也沒有收到來自基站的BFRQ響應或者UE進行BFRQ傳輸?shù)拇螖?shù)達到高層配置的最大次數(shù)時,，則認為波束故障恢復失敗，其中對于Beam-failure-recovery-Timer,，UE在波束故障檢測事件發(fā)生時開始Beam-failure- recovery-Timer計時,，而當UE收到基站對BFRQ的響應時結束Beam-failure-recovery-Timer計時。對于通過PRACH的方式進行波束故障恢復,，如果不成功,，則觸發(fā)RLF操作。

3 結論

    波束故障恢復可以幫助gNB或UE根據(jù)波束測量結果調整當前故障波束到其他可用的波束,，從而避免波束失準造成的頻繁無線鏈路失敗并實現(xiàn)快速波束恢復,。本文對5G中基于競爭的PRACH的波束故障恢復的設計與實現(xiàn)進行了系統(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響應等，為后續(xù)的波束故障恢復研究提供重要的參考,。

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作者信息:

高  程,，朱雪田,，劉春花

(中國電信股份有限公司北京研究院 網(wǎng)絡技術與規(guī)劃部，北京102209)