基于matlab之NR SSB 光束扫描仿真

一、前言

此示例说明如何在 5G NR 系统的发射器（gNB）和接收器（UE）端使用波束扫描。本示例使用同步信号块（SSB）说明了初始访问期间使用的一些波束管理程序。为了完成声束扫描，该示例使用了相控阵系统工具箱中的几个组件。

二、介绍

毫米波（mmWave）频率的支持需要定向链路，这导致了NR中初始接入的波束管理程序的规范。波束管理是一组第 1 层（物理）和第 2 层（介质访问控制）程序，用于获取和维护一组波束对链路（gNB 使用的波束与 UE 使用的波束配对）。波束管理程序适用于下行链路和上行链路的传输和接收[1 ]，[2]。这些程序包括：

光束扫描

光束测量

光束测定

光束报告

光束恢复

此示例重点介绍在用户设备（UE）和接入网络节点（gNB）之间建立连接时空闲用户的初始访问过程。在物理层，使用在下行链路方向（gNB到UE）作为突发传输的同步信号块（SSB），该示例重点介绍了发射/接收点（TRP）波束扫描和UE波束扫描，以建立波束对链路。在多波束管理程序中，TR 38.802将此双端扫描定义为程序P-1 [ 1]。

连接后，相同的波束对链路可用于后续传输。如有必要，使用CSI-RS（用于下行链路）和SRS（用于上行链路）进一步细化波束。在光束失效的情况下，可以重新建立这些对链路。

此示例生成一个 NR 同步信号突发，对突发中的每个 SSB 进行波束成形以扫过方位角和仰角方向，通过空间散射通道传输此波束成形信号，并通过多个接收端波束处理此接收信号。该示例测量每个发射-接收波束对（在双环路中）的参考信号接收功率（RSRP），并确定具有最大RSRP的波束对链路。因此，该波束对链路表示模拟空间场景的发射端和接收端的最佳波束对。该图显示了光束管理步骤以彩色突出显示的主要处理步骤。

三、仿真参数

定义示例的系统参数。修改这些参数以探索它们对系统的影响。

该示例使用以下参数：

具有单个 BS 和 UE 的单单元场景的单元 ID

频率范围，作为字符串指定 FR1 或 FR2 操作

中心频率，以 Hz 为单位，取决于频率范围

同步信号块模式作为 FR1 的案例 A/B/C 和 FR2 的情况 D/E 之一。这也会选择子载波间距。

模式中传输的 SSB，作为长度为 4 或 8 的二进制向量（对于 FR1），长度为 64 的二进制向量对于 FR2。传输的SSB数量决定了发射端和接收端的波束数。

发射阵列大小，作为双元素行矢量，分别指定发射阵列的行和列中的天线元素数。当两个值都大于 1 时，使用统一矩形数组（URA）。

以度为单位传输方位角扫描限制，以指定扫描的开始和结束方位角

以度为单位传输高程扫描限制，以指定扫描的开始和结束仰角

接收阵列大小，作为双元素行矢量，分别指定接收阵列的行和列中的天线元素数。当两个值都大于 1 时，使用统一矩形数组（URA）。

接收方位角扫描限制（以度为单位），以指定扫描的起始和结束方位角

接收高程扫描限制（以度为单位），以指定扫描的开始和结束仰角

启用或禁用发射端和接收端的高程扫描。为 FR2 和/或 URA 启用高程扫描

信噪比（以 dB 为单位）

SSB的测量模式，用于指定仅使用次级同步信号（“SSSonly”）或使用PBCH DM-RS以及次级同步信号（“SSSwDMRS”）

四、同步信号突发配置

使用指定的系统参数设置同步信号突发参数。对于初始访问，请将 SSB 周期设置为 20 毫秒。

五、突发生成

通过调用函数创建 SS 突发波形 [ 3 ]。生成的波形尚未波束成形。

六、通道配置

配置空间散射 MIMO 信道。此通道模型将自由空间路径损耗和其他大气衰减（可选）应用于输入。将 BS 和 UE 的位置指定为笛卡尔系统中的坐标。根据指定的阵列大小，采用统一线性阵列（ULA）或统一矩形阵列（URA）。对阵列使用各向同性天线元件。channel[x,y,z]

七、透射端光束扫描

为了实现TRP波束扫描，使用模拟波束成形对生成的突发中的每个SS块进行波束成形。根据突发中的SS块数和指定的扫描范围，确定不同波束的方位角和仰角方向。然后将突发内的各个块波束到这些方向中的每一个。

然后，波束成形的突发波形通过空间感知散射通道传输。

八、接收端光束扫描和测量

对于接收端波束扫描，发射的波束形成突发波形依次通过每个接收波束接收。对于程序P-1中的发射光束和接收光束，每个光束都是从gNB发射的次，以便每个发射光束通过接收光束接收。

该示例假定两者等于突发中的 SSB 数。为简单起见，该示例仅生成一个突发，但为了模拟空中时间的突发接收，接收器处理此单个突发时间。

该图显示了方位平面中 gNB 和 UE 扫描的基于波束的图。该图显示了双扫描所花费的时间，其中 gNB 处的每个间隔对应于一个 SSB，UE 处的每个间隔对应于 SS 突发。对于所描述的场景，梁和在名义上被突出显示为选定的波束对链接。该示例在一段时间的持续时间内实现双重扫描。

传输突发的接收处理包括

空间感知衰落通道的应用

接收增益以补偿感应路径损耗和AWGN

接收端波束成形

定时校正

OFDM 解调

提取已知的 SSB 网格

根据指定的测量模式测量RSRP

处理过程对每个接收光束重复这些步骤，然后根据所做的完整测量选择最佳光束对。为了突出光束扫描，该示例假定接收器处有已知的SSB信息。

对于空闲模式 SS-RSRP 测量，除 SSS 外，仅使用辅助同步信号（SSS）或物理广播信道（PBCH）解调参考信号（DM-RS）（[ 5 ]的第 1.1.4 节）。通过示例的参数指定此项。对于 FR2，RSRP 测量基于来自天线元件的组合信号，而 FR1 的测量基于每个天线元件。

九、光束测定

双端扫描和测量完成后，根据RSRP测量确定最佳波束对链路。

这些图分别突出显示了发射方向性模式、接收方向性模式和空间场景。结果取决于用于扫描的各个光束方向。空间场景提供了发射和接收阵列以及各自确定的光束以及散射体的组合视图。

十、总结

本例重点介绍了P-1波束管理程序，通过使用同步信号块进行发射端和接收端波束扫描。通过测量 SSB 的参考信号接收功率，您可以确定所选空间环境的最佳波束对链路。

该示例允许频率范围、SSB 块模式、SSB 数量、发射和接收阵列大小、发射和接收扫描范围以及测量模式的变化。要查看参数对光束选择的影响，请使用不同的值进行试验。接收处理经过简化，以突出示例的波束成形方面。

十一、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.

Giordani, M., M. Polese, A. Roy, D. Castor, and M. Zorzi. "A tutorial on beam management for 3GPP NR at mmWave frequencies." IEEE Comm. Surveys & Tutorials, vol. 21, No. 1, Q1 2019.

3GPP TS 38.211. "NR; Physical channels and modulation." 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

3GPP TS 38.215. "NR; Physical layer measurements." 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

Giordani, M., M. Polese, A. Roy, D. Castor, and M. Zorzi. "Standalone and non-standalone beam management for 3GPP NR at mmWaves." IEEE Comm. Mag., April 2019, pp. 123-129.

Onggosanusi, E., S. Md. Rahman, et al. "Modular and high-resolution channel state information and beam management for 5G NR." IEEE Comm. Mag., March 2018, pp. 48-55.