在5G NR协议中，massive-MIMO被作为一种默认的关键技术而使用。本文主要从层2和上层协议概述其引起的差异。

首先也是最重要，传统的基于宽波束的区扇覆盖方式没有被使用了。在一定程度上，小区近点、小区中点、小区边缘等概念被弱化了。前几代蜂窝系统一般使用如下的三个扇区（α、β和γ）120度宽的波束扇区覆盖。如下图中，的红色六边形是单元扇区。

宽波束的缺点，如果它想在特定方向上向UE发送信号，它会将信号发送到整个扇区范围，这会影响链路预算并引入干扰。

在5G-NR中，采用基于波束的扇区覆盖，增加了链路预算，克服了毫米波信道的缺点。换句话说，所有数据传输和关键信令传输都是波束形成（定向）的。下图给出一个20波束的Massive-MIMO系统。为了更好地理解，我们可以说大规模MIMO系统将发射20个不同的波束来覆盖120度的小区扇区。以https://tinyurl.com/y7ct5cqo诺基亚为例，其系统有128个天线，所有天线一起工作形成32个波束，因此诺基亚系统是一个32个波束的大规模MIMO系统。

在5G-NR中，部分波束是由模拟赋形技术，但对于数据传输，5G系统动态地使用模拟或数字波束赋形技术或模拟和数字波束形成技术的结合，称为混合波束赋形技术。

 

由于小区覆盖是基于波束的，5G小区中的UE同步、附着和上报都是基于波束的。移动终端将只连接到一个单波束，3GPP版本15不支持多波束连接。

波束管理

波束管理包含如下几个流程：波束扫描，波束测量，波束选择以及波束上报，波束失败恢复

(a)波束扫描:

波束扫描是一种以固定间隔在所有预定方向上以突发(burst)方式传输波束的技术。例如，移动终端附着过程的第一步是初始接入，即完成与系统的同步，并接收最小系统广播信息。因此，“同步块” SSB 携带PSS、SSS和PBCH，并且它将在5ms窗口中在时间域的预定方向（波束）上重复，这称为SS burst。如下图所示，通常情况下，该SS burst将以20ms为周期重复。

 

不难理解，上图中基于20个波束的小区扇区覆盖图（在上一节中）将没有固定波的承载参考信号和同步信号的波束（始终打开 always on），这里只是为了好理解，都画出来了。因此，从上面可以看出，诺基亚gNB将以固定的间隔在不同的预定义方向（波束）传输32个SSB，SSB覆盖的方向集可以，也可以不覆盖所有的预定义方向。SS burst set中可以定义的预定义方向（波束/ SS块）的最大数目是频率相关的，例如3 GHz以下是“4”，从3 GHz到6 GHz是“8”，从6 GHz到52.6 GHz是“64”。

(b) 波束测量和波束选择:

在空闲模式下，基于SS（同步信号）测量，在连接模式下，基于DL中的CSI-RS和UL中的SRS测量。CSI-RS测量窗口配置（周期性，时间/频率偏移）与对应的SS burst相关。利用SS和CSI-RS测量结果，UE可以，也需要周期性地搜索最优波束。考虑到覆盖所有预定义方向的开销，CSI-RS将基于UE的位置仅在这些预定义方向（波束）的子集中传输。

UL中的SRS类似于LTE规范，移动终端将根据gNB方向发送SRS，gNB将测量SRS以确定最优UL波束。

DL波束UE确定，其标准就是对应波束应该的接收功率需要高于预定阈值的最大信号强度。

(d) 波束上报:

在空闲模式下，在UE选择SS块（波束）之后，对于该SS块，有一个或者多个具有特定时间和频率偏移和方向（仅限于该SS块）的预定义RACH机会，以便UE知道在哪个发射波束（UL）中发射RACH preamble。这也是一种UE通知gNB哪个是它的最优波束的方法。gNB（TRP）将在系统信息中指示UE，波束扫描块（SSB）和RACH资源之间的一一映射关系。UE将在检测到最佳信号强度的DL-SS块相对应的UL-SS块中发送PRACH前导码。

 

下图说明了5G NR中初始接入期间的Rx波束到Tx波束映射。

在连接态的时候，UE会通过控制信道给基站反馈，如果链路失败并且通过CSI-RS都找不到好的方向(都小于预定的阈值)，则UE会通过SS burst尝试恢复链路。

(e) 波束失败恢复:

当移动终端信道状况不佳时，它会从较低层得到波束失效指示。UE将通过指示新的SS块或CSI-RS来请求恢复，这将通过启动RACH过程来完成。gNB将在PDCCH上发送DL调度或UL grant，以结束波束故障恢复。

波束调度/ gNB MAC 调度器:

基于波束的小区扇区覆盖（意味着仅波束形成传输，都需要做波束赋形）需要新的调度方式，在TTI内，可以在多个波束中同时重用和调度相同的时间/频率资源。大规模MIMO系统能够将数据传输调度为3D波束赋形和MU-MIMO传输。

 

UE分布可以作为输入来考虑在单波束或不同波束中传输。因此gNB MAC调度器应该在一个TTI中调度多个波束。一个TTI中，能调度的波束数量存在限制，这主要是由于天线设计，主要是由于AAS（有源天线系统）中的移相器和TXRU（收发器单元）的数量。更复杂的是，在32个波束中选择N个波束来调度，这种复杂性在上面提到的诺基亚文章中描述，将有30000+种不同的组合。

 

我们知道，对于DL来说，UE将基于CSI-RS报告波束的质量，有趣的是，单波束中的不同UE很有可能根据其信道质量报告不同的CSI报告。另外一点是数据的传输也采用了混合波束形成技术，这意味着不必只以预先定义的模拟波束发送数据，它可以使用比模拟波束更窄的波束向新的方向传输。

在LTE中，通常使用比例公平（PF）调度，PF调度器将考虑到目前为止的信道质量、已达到的速率和UE需要的最大可速率。如果在5G-NR系统中采用基于CSI-RS的波束质量报告的PF调度器，则无法解决这一问题，例如调度的UE将在10个不同的帧中，这在5G-NR系统中是不可能调度的。因此，gNB应该结合调度的波束（基于波束质量）以及与移动终端的比例公平性来考虑。为了实现更好的速率，在所选择的移动终端中，至少两个或三个移动终端应该是非常适合用于MU-MIMO传输组合。因此，对于具有波束数（基于波束质量）、与移动终端成比例的公平性和来自MU-MIMO传输的最优速率的gNB调度器来说，这是一个三维问题。

[2]https://www.linkedin.com/pulse/5g-nr-beam-management-scheduling-everything-beams-ramalingam/