基于matlab使用 CSI-RS 的 NR 下行链路发射端波束细化

一、前言

此示例演示了使用 5G 工具箱中的信道状态信息参考信号（CSI-RS）的下行链路发射端波束细化过程。该示例展示了如何在散射环境中向不同方向传输多个CSI-RS资源，以及如何根据参考信号接收功率（RSRP）测量结果选择最佳发射光束。

二、介绍

在 NR 5G 中，频率范围 2 （FR2）以毫米波（mmWave）频率（24.25 GHz 至 52.6 GHz）工作。随着频率的增加，传输的信号容易出现高路径损耗和穿透损耗，从而影响链路预算。为了提高更高频率下信号传输和接收的增益和方向性，波束成形至关重要。波束管理是一组第 1 层（物理层）和第 2 层（介质访问控制）程序，用于建立和保留最佳波束对（发射波束和相应的接收波束）以实现良好的连接。TR 38.802 第 6.1.6.1 节 [1] 将光束管理定义为三个程序：

程序1（P-1）：此过程侧重于基于同步信号块（SSB）的初始采集。在初始采集期间，在发射端和接收端进行光束扫描，以根据RSRP测量结果选择最佳光束对。通常，所选波束很宽，可能不是数据传输和接收的最佳波束对。

程序2（P-2）：此过程侧重于发射端光束细化，其中通过保持接收光束固定在发射端进行光束扫描。该程序基于用于下行链路发射端波束细化的非零功率CSI-RS（NZP-CSI-RS）和用于上行链路发射端波束细化的探空参考信号（SRS）。

在初始波束建立后，获得具有高方向性和高增益的单播数据传输需要比SSB波束细得多的波束。因此，从初始采集过程开始，在波束的角度范围内使用更细的波束，配置一组参考信号资源，并在不同方向上传输。然后，用户设备（UE）或接入网络节点（gNB）通过使用固定接收波束捕获信号来测量所有这些波束。最后，根据所有发射光束的RSRP测量结果选择最佳发射光束。

程序3（P-3）：此过程侧重于接收端波束调整，其中波束扫描发生在给定电流发射波束的接收端。此过程旨在找到最佳接收光束，可以是相邻光束或细化光束。对于此过程，一组参考信号资源（用于下行链路的 NZP-CSI-RS 和用于上行链路的 SRS）使用相同的发射波束传输，UE 或 gNB 使用覆盖角度范围的不同波束从不同方向接收信号。最后，根据所有接收波束的RSRP测量结果选择最佳接收波束。

本示例重点介绍发射器的下行链路波束细化。该示例适用于 NR 1G 的频率范围 1 （FR2）和频率范围 2 （FR5）。该图描述了发射端波束细化过程，考虑了在四个不同方向上传输的四个NZP-CSI-RS资源。

此图显示了此示例的主要处理步骤，其中与透射端光束细化过程相关的彩色步骤。

三、生成 CSI-RS 资源

配置运营商

创建一个载波配置对象，表示子载波间隔为 50 kHz 的 30 MHz 载波。

配置 CSI-RS

创建一个 CSI-RS 配置对象，该对象表示具有 NZP-CSI-RS 资源数量的 NZP-CSI-RS 资源集。对于第 1 层 RSRP 测量，请使用 TS 38.215 第 5.1.2 节 [2] 或 TS 38.214 第 5.1.6.1.2 节 [3] 中指定的相同数量的天线端口（单端口或双端口）配置资源集中的所有 CSI-RS 资源。此示例适用于单端口 CSI-RS。配置所有 NZP-CSI-RS 资源的功率缩放（以分贝（dB）为单位）。

生成 CSI-RS 交易品种和指数

使用和配置对象生成 CSI-RS 符号和索引。

四、配置天线阵列和散射体

配置发射和接收天线阵列

配置载波频率和信号传播速度。将发射和接收天线阵列的大小配置为双元素矢量，其中第一个元素表示行数，第二个元素表示天线阵列中的列数。计算发射和接收天线元件的总数。配置发射和接收天线阵列的位置。然后根据发射和接收天线阵列位置之间的空间间隔计算自由空间路径损耗。根据天线阵列的大小配置均匀线性阵列（ULA）或统一矩形阵列（URA）

五、发射波束成形和 OFDM 调制

计算转向矢量

为发射天线阵列创建转向矢量系统对象，计算散射体位置相对于发射天线阵列的角度。配置初始采集过程中 SSB 发射波束的方位角和仰角波束宽度（P-1）。通过使用方位角和仰角平面中的波束宽度，获取与散射体位置对齐（部分或全部）的 SSB 发射光束方向。

计算 SSB 发射光束覆盖的角度范围内所有活动 CSI-RS 资源的光束方向（方位角和仰角对）。计算所有活动 CSI-RS 资源的转向矢量。

应用数字波束成形

遍历所有 NZP-CSI-RS 资源，并将数字波束成形应用于所有活动资源。数字波束成形被认为在同一 OFDM 符号内提供频率选择性波束成形。

执行 OFDM 调制

通过执行 OFDM 调制生成时域波形。

六、散射 MIMO 信道和 AWGN

配置通道

使用分阶段的系统对象配置基于散射的 MIMO 传播通道。散射MIMOChannel（相控阵系统工具箱）。该通道模型将时间延迟、增益、多普勒频移、相变、自由空间路径损耗以及其他可选的大气衰减应用于输入。

通过通道发送波形

在发射波形的末尾附加零以刷新信道内容，然后将时域波形通过散射MIMO信道。这些零考虑了通道中引入的任何延迟。

应用 AWGN

配置接收增益并将其应用于衰减波形，以补偿路径损耗。然后将AWGN应用于生成的波形。

七、定时同步

通过将接收到的参考符号与 NZP-CSI-RS 符号的本地副本交叉关联来执行时序同步。

八、OFDM 解调和接收波束成形

OFDM 解调

OFDM解调同步时域波形。

计算转向矢量

为接收天线阵列创建转向矢量系统对象。计算散射体相对于接收天线阵列的角度。假设这是使用SSB的初始采集过程的接收光束方向。

配置初始采集过程中接收波束的方位角和仰角波束宽度（P-1）。通过使用 P-1 的方位角和仰角平面中的波束宽度，获取（部分或全部）与散射体位置对齐的初始接收光束方向。计算接收角度的转向矢量。

应用接收波束成形

要在接收器侧执行数字波束成形，请将转向权重应用于，假设（单个 UE 方案）中不存在其他信号。在 FR2 的情况下，按照 TS 38.215 第 5.1.2 节 [2] 的规定，合并来自所有接收天线元件的信号。

九、绘制散射 MIMO 场景

配置MIMO场景参数。使用辅助函数绘制散射MIMO场景（包括发射和接收天线阵列、散射体位置及其路径，以及所有发射和接收天线阵列波束方向图）。此图中的光束模式类似于线性比例的功率模式。

十、光束测定

在OFDM解调之后，UE根据电流接收波束测量在不同波束中传输的所有CSI-RS资源的RSRP。使用 nr 函数执行这些测量。从测量中确定最大RSRP值，并找到最佳的对应光束。计算对应于细化发射光束的波束宽度。

十一、总结

本例重点介绍了使用 NZP-CSI-RS 的光束细化程序（P-2）。该过程识别的发射光束比初始采集的光束更细。

您可以配置多个 CSI-RS 资源、发射和接收天线阵列配置以及多个散射体，以查看精细波束选择的变化。您还可以为信号传输和接收配置方位角和仰角对。

十二、参考文献

3GPP TR 38.802. "Study on New Radio access technology physical layer aspects." 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.