0 引言

    波束賦形技術作為第五代移動通信系統（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，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議^[3]：新空口(New Radio，NR)支持由UE觸發波束故障恢復。

    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觸發上行波束管理來實現波束恢復。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。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已經完成了通過基于非競爭的隨機接入過程來實現波束恢復的標準化工作^[4]，接下來將陸續開展對通過基于競爭的隨機接入過程實現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的區別

    波束故障恢復與RLF的區別如下^[5]：

    (1)無線鏈路監測（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據傳輸和接收。因此波束故障恢復的觸發條件包括兩個內容：(1)發現波束故障事件；(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。

1.3 常見高層參數

    表2總結了波束故障恢復流程中涉及到的參數以及其具體含義。

2 波束故障恢復的設計與實現

    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監聽gNB對BFRQ的響應。圖2顯示了波束故障恢復的實現流程，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高層參數時，UE將集合確定為與其所監聽的PDCCH的解調參考信號（Demodulation Reference Signal，DMRS）滿足準協同定位（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。

2.4 UE監聽基站對BFRQ的響應

    UE會分別由高層參數Beam-failure-Recovery- Response-CORESET和高層參數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Beam-failure-recovery-request-window配置的窗口內監聽用小區無線網絡臨時標識（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）狀態的激活或者收到參數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聽的PDCCH滿足相同的QCL關系。

    當UE在窗口內成功收到基站對其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傳輸的次數達到高層配置的最大次數時，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RLF操作。

3 結論

    波束故障恢復可以幫助gNB或UE根據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進行了系統的闡述，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，為后續的波束故障恢復研究提供重要的參考。

參考文獻

[1] 高程，張光輝，朱雪田.大規模天線標準化進展[J].中國電子科學研究院學報，2018，13(1)：29-34.

[2] Samsung.R1-1612514：discussions on beam recovery mechanism[S/OL].(2016-11-04)[2018-06-10].http：//www. 3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_87/Docs/.

[3] Qualcomm，Nokia，ASB，et al.R1-1701481：WF on beam recovery in multi-beam NR systems[S/OL].(2017-01-20) [2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_R1/TSGR1_AH/NR_AH_1701/Docs/.

[4] 3GPP.TS 38.213(V15.1.0)：NR；Physical layer procedures for control[S/OL].(2018-04-08)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/ 38_series/38.213/. 

[5] Huawei，HiSilicon. R1-1805878：Remaining details on NR RLM[S/OL].(2016-05-11)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_93/Docs/.

[6] ZTE，MediaTek，vivo，et al.R1-1709309：WF on beam recovery[S/OL].(2017-05-18)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_89/Docs/.

[7] LG Electronics.R1-16710283：Discussion on beam failure recovery[S/OL].(2017-06-17)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[8] vivo.R1-1707245：Beam recovery based on NR-PDCCH and NR-PDSCH[S/OL].(2017-05-06)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/ WG1_RL1/TSGR1_89/Docs/.

[9] Intel，MediaTek，ZTE，et al.R1-1805565：WF on remaining issues for beam failure recovery[S/OL].(2018-04-18)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_92b/Docs/.

[10] MediaTek.R1-1715012：Offline discussion on beam recovery mechanism[S/OL].(2017-08-26)[2018-06-10].http：//www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_90/Docs/.

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 網絡技術與規劃部，北京102209)