5G MACBeam Failure Recovery（BFR）

Posted 2022-12-21 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

Beam Failure Recovery

       5G通信特别是高频段或毫米波（mmWave ）通信采用大规模MIMO波束赋形技术。波束赋形是一种信号处理技术，它允许gNB向用户发送目标波束数据，减少干扰，更有效地利用频谱，提高频谱效率。

       当用户在室内或移动时，UE与gNB之间的无线链路容易受到射频信号阻塞和衰退的影响，从而导致通信链路突然中断，导致波束失效。因此，为了及时检测到波束失效，UE应该有某种机制来测量通信链路的这种突然而快速的变化，并同时从中恢复以继续服务。UE在波束失效恢复（BFR）程序的帮助下做到这一点。BFR过程是UE PHY过程和MAC过程的结合，不涉及任何更高层的信令。

一、Beam Failure和RLF

Beam Failure: 波束失效
RLF(Radio Link Failure): 无线链路失败

       我们不应该把波束失效和无线链路失效（RLF）混为一谈。在多波束情况下，当小区内的无线电问题无法通过恢复程序解决，或者UE无法找到任何合适的波束，并且任意波束的随机接入程序都无法成功恢复gNB和UE之间的连接故障时，就会发生无线链路失败。当UE失去了来自一个波束的链路，但它能够建立到另一个波束的链路，并能够成功的执行随机接入时，就会发生波束失效。下图展示了一个波束失效和无线链路失效的例子。对于波束失效，仍然有波束对可用来重建gNB和UE之间的连接。

• 在RLF情况下，链路恢复（Link Recovery）会处理与波束对相关的连接失败，BFR可以通过切换用于通信的波束对来重新建立连接。当BFR无法重新建立连接时，可以认为发生了RLF。这意味着UE无法再驻留在当前小区，需要进行小区重选。对于小区重选，RRC连接重建立显然是必要的；
• 而在BFR情况下，也就是波束恢复（Beam Recovery），通常比RLF发生得更频繁，因为在一个小区内通过一个波束对连接不合适的概率高于通过所有波束对连接不合适的概率；

高层的波束失效和恢复流程

       高层的波束失效恢复流程包括以下四步：

• 波束失效检测；
• 最佳波束选择（通过SSB或者CSI-RS）；
• 波束失效恢复请求；
• 波束失效恢复响应；

波束失效检测

       波束失效检测是一种L1/L2组合过程，其中L1向MAC层提供波束失效实例（BFIs）的指示。MAC层会统计指示数，当达到配置的最大BFI指示数时宣布波束失败。因此，每当物理层检测到服务波束的参考信号RSRP低于某个阈值时，例如PDCCH的BLER高于10%时，它就触发波束失效实例（Beam failure instance，BFI）并将其发送到MAC。

       MAC层一收到BFI就启动一个定时器，并且每收到一个BFI就将计数器加1。当达到一定的BFI阈值时，即BFI_COUNTER ≥ beamFailureInstanceMaxCount，MAC将触发波束失效并开始恢复过程。

       可能存在这样一种情况，L1停止向MAC发送BFI，或者信号质量已经提高，L1不再能够检测到任何问题。如果UE MAC层已经有定时器在运行，则当L1上报BFI时，MAC会将BFI_COUNTER加1并重启定时器。如果在定时器超时时，MAC层没有再收到BFI，MAC层将重置BFI_COUNTER并假定不会再有BFI了。

波束失效检测的RRC参数

波束失效恢复

       通过RRC消息的 BeamFailureRecoveryConfig 为UE提供一组用于恢复流程的资源，波束恢复是通过在波束失效恢复过程中选择的最佳候选波束上执行RACH来进行的。

       对于波束失效恢复请求，UE可以执行以下两个RACH过程：

• 免竞争的随机接入——CFRA RACH；
• 基于竞争的随机接入——CBRA RACH；

基于CBRA RACH的波束失效恢复流程

由于以下原因之一，UE将执行CBRA RACH：

• 没有为UE配置用于CFRA RACH的资源；
• UE已经配置了CFRA RACH，但是由于候选波束不可用，所以无法发起CFRA RACH；
• UE执行CFRA RACH失败，不得不回退执行CBRA RACH；

因此，当UE通过CBRA RACH执行恢复流程时，其实就是正常的基于争用的RACH过程。

• UE处于RRC连接模式；
• UE的PHY层检测到波束失效；
• UE为恢复流程执行候选波束选择；
• UE触发RACH流程并向gNB发送RACH前导；
• gNB在RAR窗口内为msg3发送随机访问响应（RAR）和UL授权；
• UE发送MAC CE（msg3）进行竞争解决；
• gNB给UE发送UL grant；
• Beam失败恢复完成；

基于CFRA RACH的波束失效恢复流程

下面是使用CFRA RACH的波束失效恢复流程。在CFRA波束失效恢复请求的情况下，UE将接收到用C-RNTI加扰的RAR而不是常规RACH流程中的RA-RNTI加扰的RAR。gNB还将为波束失效恢复配置一个专用的CORSET配置，UE在传输RACH前导码后会在这个CORSET中进行监测。

• 简而言之，它包括以下步骤：
  • UE配置了CORSET-BFR，也配置了用于BFR的专用前导码；
  • 如果UE检测到波束失效，它会启动最佳波束选择程序；
  • 如果上一步中选择的最佳波束，已经包含在波束失效恢复配置中，则UE会选择CFRA；否则UE选择CBRA RACH流程。例如，在本例中，UE选择CFRA RACH；
  • UE用专用的前导码触发RACH；
  • UE监测用C-RNTI加扰的PDCCH上的CORSET-BFR，并且UE接收用C-RNTI加扰的RAR；
  • 波束失效恢复完成；

波束失效恢复相关的RRC参数

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