Beam Failure Detection

Posted 2022-12-08 modem协议笔记

微信同步更新欢迎关注同名modem协议笔记

正如上篇所述NR中所有的上下行信道的发送和接收都是基于波束。基站通过对信道质量的测量来动态选择UE和基站之间波束的方向和频率，进而完成通信。NR中无线链路检测可以分为两种，一种是4G中常见的radio  link monitoring，失败后对应的就是radio link failure ，主要是RRC层控制触发；另一种就是这篇提及beam 相关的Beam Failure Detection(BFD)，主要是MAC层控制触发。接上篇结尾，如果遇到不能通过QCL/TCI修正beam的场景，UE就会发生Beam failure,之后就需要先进行beam failure recovery 的方式尝试恢复正常连接，BFD就是在NR中才出现的机制，FR2中由于频率更高，Beam的管理显得尤为重要，因而BFD/BFR机制通常会在FR2下才会开启，现在的FR1网络中基本都没有开启BFD功能，但这个机制还是比较重要的。就像搞2/3/4G不能不知道radio link failure，学习NR 5G也不能不知道BFD和BFR流程。这篇先看Beam Failure Detection(BFD)。

 

先看下38.133 8.5.1描述的BFD应用场景。

BFD 主要应用的场景是：

(1)PCell in SA, NR-DC  or NE-DC 

(2)PSCell in NR-DC EN-DC

(3)SCell in SA  NR-DC  NE-DC  EN-DC

beam failure 主要用在上面场景中的对应cell上，其中SCell部分是新增内容，R15版本是不支持SCell的BFD的。

再看下38.300 9.2.8 Beam failure detection and recovery中大体流程的描述。

gNB 给UE配置用于BFD 参考信号（参考信号可以是SSB或CSI-RS）,在BFD timer超时前，物理层报告给MAC 的beam failure instance indication超过配置的门限时，即认为发生Beam failure.

SSB-based BFD是基于和initial DL BWP 相关联的SSB机制，且只能配置在包含SSB 配置的initial DL BWPs。对于其他的DL BWP， BFD的参考信号只能用CSI-RS。

BFD 发生在Pcell时:

 UE 通过在Pcell上进行RA 过程来触发BFR；UE 要选择suitable beam去进行BFR（如果gNB 配置了某些beams 的dedicated RA资源，UE会优先参考配置的beams）；如果BFR 要进行CBRA 则要在BFR MAC CE 中包含beam failure 的indication(这句话是R16才有的，针对BFR MAC CE增加的一个步骤)。当完成RA 过程后，在PCell的BFR 就算完成了

BFD 发生在Scell时：

UE 通过发送BFR MAC CE来触发BFR（包含的一些参数后面介绍）；UE 之后为SCELL选择suitable beam 并将这个信号包含在BFR MAC CE 中发送给NW；一旦 在PDCCH 收到用于发送BFR MAC CE 的新传UL grant ，就认为Scell 的BFR完成。

总的来说，BFD和Radio link failure的机制比较类似，都是根据RRC层配置的参考信号让L1去测量，拿测量值结合对应的门限，判断是否上报对应的failure；但是有所不同，RLF的描述主要在RRC层38.331，触发场景就是T310超时(连续收到L1 N310 consecutive "out-of-sync" indications，开启T310，在T310超时前，没有收到N311个in sync indication ),RLC上行达到最大重传次数rlc-MaxNumRetx，RA fail等等，主要是RRC层决策作用。而Beam failure detection的描述主要在38.321，也就是说是MAC层起决策作用的机制。Beam failure detection的相关参数也由RRC层配置，下面就从RRC层的配置看下Beam failure detection，而和BFD相关的参数主要由RadioLinkMonitoringConfig提供。

RadioLinkMonitoringConfig

其主要功能是配置UE进行波束失败检测的下行参考信号，beamFailureInstanceMaxCount及timer相关参数。

beamFailureDetectionTimer:Beam failure 检测定时器。

beamFailureinstanceMaxCount:底层检测失败的最大个数，在timer超时前，底层上报的BFD indication 达到maxcount时，就认为发生BFD，之后会触发BFR流程。而rlf和Beam failure检测参考信号相关的参数都可以由RadioLinkMonitoringRS配置，由purpose确定具体用途。

 

根据failureDetectionResourcesToAddModList中的描述用于beamFailure或both的检测RS资源最多配置2个（每BWP）；如果没有对BFD场景配置参考信号，UE要根据和PDCCH DMRS有TCI-state的参考信号进行BFD检测，RLF同理。再次重复下，用于BFD/RLM的参考信号可以是SSB和CSI-RS，在initial DL BWPs 包含SSB的场景只能配置SSB作为参考信号，其他DL BWPs，必须配置CSI-RS 为参考信号，上面这个规定在38.300 radio link failure 和Beam failure detection and recovery中描述,这篇说的是BFD，RLF相关的内容，暂时忽略。

 

Beam failure detection 相关参数的介绍

参考信号的配置

基站侧会通过RadioLinkMonitoringRS给UE配置用于检测BFD 的参考信号，然后通过failureDetectionResourcesToAddModList从RadioLinkMonitoringRS选取最终用于BFD的参考信号，这些参考信号用对应的id区分，例如csi-RS-Index，ssb-Index。对于link recovery 过程，基站侧可配置的参考信号个数由每半帧SSB的最大发送个数相关联，L=4/8/64，如38.213 table 5-1,每半帧SSB的最大发送个数L详见NR小区搜索(一) SSB。

个人理解这里的NLR-RLM代表配置的用于link recover(BFD)和radio link monitoring的总的参考信号个数，对应RRC层参数purpose配置为both时的参考信号个数(如下图)，Nrlm代表用于radio link monitoring的参考信号个数。当然参考信号也可以根据purpose 为beamFailure和rlf分开配置，对于link recovery场景，最多只能用2个参考信号，对应radio link monitoring场景，可用的参考信号个数与L相关联。

 

根据38.213 Table 5-1中的信息，如果Lmax=64，则基站侧可以给UE配置最多8个用于link recovery和radio link monitoring的参考信号，最多只有8个参考信号用于radio link monitoring。给UE配置了对应个数的参考信号，并不代表UE可以全都用，如上述，对于配置的Nlr-RLM个参考信号，最多只能将Nrlm个参考信号用于radio link monitoring；对于BFD场景，会通过failureDetectionResourcesToAddModList配置最后真正用于BFD的参考信号，这时最多只能采用其中的2个参考信号，其purpose可以是beam failure或者both。

RRC 层的参数结构，RadioLinkMonitoringRS可以通过purpose 确定用于beamfailure还是rlf场景，而可配置的resource最多对应10个。

q0和q1 

38.213  6   Link recovery procedures

服务小区的每个BWP可以通过failureDetectionResourcesToAddModeList配置periodic CIS-RS resource set q0 ；由candidateBeamRSList 或candidateBeamRSListExt/candidateBeamRSSCellList 配置set q1,q1可以是periodic CSI-RS  resource或SSB。

如果UE 没有收到failureDetectionResourcesToAddModList配置q0，则UE 用和PDCCH DMRS有QCL 关系的periodic RS来做q0 (TCI-State 中的 RS set)。如果TCI-state中有2个RS indexes，则set q0采用为qcl-Type设置为'typeD'的RS索引。set q0 最多可以配置2个参考信号，且对应的参考信号只能配置为单天线。q0中配置的CSI-RS可以是单天线或者双天线，但是参考信号的密度要对应1或者3个RE(每RB)。

RRC层candidateBeamRSList配置CSI-RS/SSB的结构如下。

PCell/PSCell用于BFD 的RS resource set 可以是periodic CSI-RS resources或SSB; SCell BFD 的RS resource set q0 只能是periodic CSI-RS。

UE 只需要在当前激活的DL BWP 内进行BFD，不需要在以外的范围进行BFD。如果UE没有收到RS resouce set q0的配置，则忽略CSI-RS和SSB有关检查beam failure detection的要求，但是BFD还有要进行的，如前述，没有收到q0的配置时，UE 用和PDCCH DMRS有QCL 关系的periodic RS来做q0。deactive的SCell不需要进行BFD。

当前SCell 如果配置有多于2个periodic CSI-RS resource set q0 ，由UE决定应该选择哪个进行BFD;当SCell没有配置q1 set时，UE 不需要进行BFD。

如下假如此时UE没有收到BFD 参考信号q0，此时网络端激活了PDCCH tci state id 0，对应的是CSI-RS 0与PDCCH 是type A的QCL 关系，那此时UE就要用CSI-RS 0去进行BFD

用于BFD检测的参考信号确定后，L1测量后还有要与对应的门限进行比较的，BFD这里对应到Qout_LR 和Qin_LR。

Qout_LR 和Qin_LR

q0和Qout_LR相关联，主要用于判断beam是否会发生beam failure。针对q0中每一个RS resource 配置，UE 应该根据Qout_LR去评估服务小区 beams的radio link quality。

Qout_LR 代表UE根据q0及PDCCH bler 10%去评估DL link 无法可靠接收的threshold。根据参考信号的不同，要用不同的标准去推导对应的threshold。SSB based BFD,Qout_LR_SSB  要基于表8.5.2.1-1中的PDCCH 参数推导;CSI-RS based BFD，Qout_LR_CSI-RS 要基于表8.5.3.1-1中的PDCCH 参数推导，值得注意的是，在检测BFD时，只针对DCI format 1_0 bler，不考虑其他DCI format。

 

q1和Qin_LR  相关，主要用于beam 是否恢复正常的判断。当测量的L1-RSRP 等于或优于阈值 Qin_LR(Qin_LR 由RRC层 rsrp-ThresholdSSB提供)，UE要将set q1中满足门限的resouce index告知MAC层。对于Qin,LR的取值，当配置的RS =ssb时 取rsrp-thresholdSSB；当配置的RS=CSI-RS  取rsrp-thresholdSSB ×powerControlOffsetSS。set q1中的参考信号可以是分别是periodic CSI-RS resource或SSBs，也可以同时配置SSB和CSI-RS resource。当q1没有配置时，UE不用对SCell进行候选波束的检测。

Qout_LR 的确定原则与RRC层参数rlmInSyncOutOfSyncThreshold的值相关，配置时rlmInSyncOutOfSyncThreshold=1，缺省值为0，这个value对应的是38.133中的Table 8.1.1-1中的configuration 的值，我看的是g60版本，随后也查了下h60/f60版本，发现这个Table 8.1.1-1始终只有value 0即对应的 BLER out =10%，BLERin=2%；另外刚刚上面提及协议中有关Qout_LR的描述也是按照默认10%的原则去叙述的，最后加上目前实网中针对的是R15版本协议，rlmInSyncOutOfSyncThreshold一般都是缺省配置的，即用的value 0的情况，所以这里我们忽略value 1,应该是协议哪里出错了，没有补上38.331中rlmInSyncOutOfSyncThreshold=1的坑。Qout_LR简单的说是在PDCCH bler 10％标准下，芯片厂根据rsrp rsrq sinr 和上述门限，按照一定的算法算出对应的门限值，然后UE再根据对q0的测量结果和门限进行比较后，再上报beam failure indication,如果在beamFailureDetectionTimer配置的具体时间超时前，上报的beamFailreInstance 达到MaxCount时，就认为发生beam failure；否则就认为beam是正常的。Qin_LR的配置与rsrp-thresholdSSB(Spcell)和rsrp-thresholdBFR(SCell)相关。

UE在判断BFD对应的参考信号是否低于Qout_LR时，需要一定的时间去评估，38.133中有分别针对SSB和CSI-RS的Evaluation period进行了描述如下，分别针对FR1和FR2 对应no DRX 和DRX cycle >320ms 和<=320ms进行区分。

 

对Qout_LR评估完成后，如果满足条件就要上报beam failure indication，但是连续上报的时间间隔也是有要求的。

BFI上报相关规则

在non-DRX/DRX场景下，当q0中所有resource测得的radio link quality(UE当前接入的radio link)低于Qout_LR时，L1需要向MAC层上报一次beam failure indication，注意这里说的是测得q0中所有的resource 都低于Qout_LR，才上报beam failure indication。而具体的上报periodicity在38.133中有描述,如下，连续的indication的上报有一个最小的时间间隔Tindication_interval_BFD的规定。

q0中所有RS 资源radio link quality 低于Qout_LR，L1 要向MAC 层上报beam failure instance indication。两个连续的indication 的上报有一个最小的间隔Tindication_interval_BFD:

no DRX 时  Tindication_interval_BFD =max(2ms， TSSB-RS,M) or max(2ms ,TCSI-RS,M) ，其中TSSB-RS,M和TCSI-RS,M是q0中配置的SSB和CSI-RS resource对应的最小周期。

SSB based  with DRX:  

Tindication_interval_BFD =max（1.5×DRX_cycle_length,1.5*TSSB-RS,M）  DRX_cycle_length<=320ms

Tindication_interval_BFD =DRX_cycle_length                                  DRX_cycle_length>320ms

CSI-RS based  with DRX:  

Tindication_interval_BFD =max（1.5×DRX_cycle_length,1.5*TCSI-RS,M）  DRX_cycle_length<=320ms

Tindication_interval_BFD =DRX_cycle_length                                  DRX_cycle_length>320ms

 

beamFaileureDetectionTimer 代表BFD的timer，例如取pbfd1时，代表1个Qout_LR报告的period，pbfd2代表2个Qout_LR报告的period。结合之前38.133中对于2个连续的out of LR indication 的上报最小的间隔Tindication_interval_BFD的规定，pbfd就是指Tindication_interval_BFD；那这里的配置要注意，不能配置的Timer过短，而MaxCount太大，比如配置的Timer=pbfd2,MaxCount=4,这种配置情况下，UE只能在pbfd2的时间段内，最多上报3次beam failure indication,不可能上报4次，所以这种配置下，即使beam真的有问题，也不能够触发BFD；实网环境下参数基本不会有误，直接关注BFD的判断规则就行，也就是根据beamFailureDetectionTimer配置的具体时间，在timer超时前，上报的beamFailreInstance 大于等于MaxCount时，就认为发生beam failure；否则就认为beam是正常的。

 

对于PCell/PSCell，当MAC向L1要set q1中L1-RSRP好于门限Qin_LR的periodic CSI-RS或SSB index时，L1要上报满足门限要求的resource index。

对于SCell,当MAC 向L1要高于门限的resource index时，L1要告知MAC 是否有满足门限的resouce，有的话就上报给MAC。

至此BFD的内容基本结束了，再简单回顾下大体内容：首先R16之后的协议也支持了SCell的BFD feature；其次BFD的流程是，UE根据网络端配置的参考信号set q0进行底层测量，当q0中的所有resources的Beam radio link quality都低于门限Qout,LR 则认为 一次 beam failure, L1上报beam failure indication 给MAC，BFI COUNTER ++； 当 beam failure instance indication 从底层上报时，BeamFailureDetectionTimer 就会开启 ，此时BFI counter记为1；BeamFailureDetectionTimer 超时前达到beamFailureInstanceMaxCount  则认为Beamfailure，之后触发beam failure recovery 过程;如果在超时时 ，没有超过beamFailureInstanceMaxCount  则认为Beam恢复正常并将BFI COUNTER 重置为0，等待下一次流程的触发。

最后配置的 set q1的作用是当set q1中的Beam radio link quality 高于Qin,LR时，底层就会上报对应的RS index给MAC，具体有什么用，下一篇beam failure recovery 再说。