高低層混合場景的5G廣播權值應用研究

1 引言

近年來，隨著國家基礎建設投入不斷加大，高層建筑發展不斷加快。根據電子地圖信息統計，廣州市區中35 m以上建筑占比達到了17%。由于高層建筑周圍分布著低矮建筑，形成了典型的高低層混合場景。一般的宏站覆蓋方案無法兼顧高層覆蓋和廣覆蓋，使得該場景網絡覆蓋質量不盡人意，成為網絡建設的關鍵痛點區域。

2 高低層混合場景覆蓋需求

通過對廣州的數據統計分析：高層/多層居民區場景流量占比達22%以上并且持續快速增長，但目前存在覆蓋盲區；高層居民小區物業難進入，室內DAS建設困難，高層覆蓋問題占14%左右；現網投訴數據中，2/3/4G網絡覆蓋類問題投訴占比均超過20%，其中49%以上為新式住宅區的室內覆蓋問題，屬于高低層混合的典型場景。

仿真結果顯示，4G宏站只能針對性的解決高層中低樓層的覆蓋，無法保證建筑高層及背面深度覆蓋。常規宏覆蓋連續組網，以低層廣覆蓋為目標，2/3/4G網絡均存在高層覆蓋不足及信號雜亂的問題，效果較差。

5G網絡基礎需求為連續廣覆蓋，但是基于5G更加靈活的廣播波束權值，可兼顧廣覆蓋和部分高層覆蓋，同時滿足高、低層建筑用戶的信號需求，使宏站信號達到更完善的覆蓋效果。實際網絡中，復雜多樣的建筑組合是密集城區的典型特點和常見情況，因此，針對5G高低層混合場景研究，有利于提升高價值復雜場景的覆蓋性能和建網效益。對于高低層混合場景以中低層建筑混合區域為主要特點，特征指標如表1所示。

表1 高低層混合場景典型指標

3 5G覆蓋廣播波束賦形原理

Massive MIMO是5G物理層關鍵技術之一，它在基站收發信機上使用大數量（如128/192等）的陣列天線實現了更大的無線數據流量和連接可靠性。相比于以前的單/雙極化天線及4/8通道天線，大規模天線技術能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域等）提升頻譜和能量的利用效率；3D賦形和信道預估技術可以自適應地調整各天線陣子的相位和功率，顯著提高系統的波束指向準確性，將信號強度集中于特定指向區域和特定用戶群，在增強用戶信號的同時可以顯著降低小區內自干擾、鄰區干擾，是提升用戶信號載干比的關鍵技術[1]。

在2/3/4G制式中，每個小區都只有一個確定的廣播波束。在Massive MIMO技術基礎上，5G制式引入了波束掃描（beam sweeping）的概念，如圖1所示。小區廣播覆蓋由多個不同指向的子波束共同完成。每個子波束都有自己的一套權值，廣播權值管理更加復雜，不同子波束掃描組合形成的大廣播也存在非常多的形式。同傳統制式相比，相當于一個扇區存在多樣化的廣播覆蓋波形，可以根據需要選取，甚至可以在必要時定制。

小區廣播預先定義N個子波束，各子波束之間通過時分的方式依次輪循發送；UE在搜索小區時，通過測量各子波束的信號強度，選擇信號最強的子波束作為自己的駐留波束。如圖1所示，基站使用了8個波束覆蓋其服務的小區。在下行過程中，基站依次使用不同指向的波束發射廣播信號，不同用戶選擇各自方向上的最佳子波束。

圖1 5G Massive MIMO廣播波束掃描示意圖

在5G中，廣播信息是通過SS burst（PSS、PBCH和SSS）乘以不同的通道權值來控制波形。SSB的可發送位置與具體定義的幀結構密切相關；以2.5 ms雙周期幀結構為例，最多有7個SSBlock可選位置[2]。

傳統4G 8天線只能在水平方向調整，有限的改變水平波瓣角，以滿足宏覆蓋、交通線覆蓋等不同變化；5G廣播由于采取波束掃描的方式，每一個子波束都可以單獨改變水平或垂直權值，組合成多樣化的廣播波形，因此權值管理要復雜的多。實際操作時，廣播權值可直接在網管上配置各天線的幅度和相位，從而使用不同的廣播波形,5G網管有兩種權值配置方式：快速選配方式和自定義方式。快速選配方式：對于常規的宏覆蓋、交通線覆蓋、高樓覆蓋，預先設計若干種典型的天線pattern，以滿足在不同典型場景下的廣播覆蓋要求，網管上可直接選擇對應的pattern，由后臺自動生成對應的子波束權值。自定義方式：對于特殊場景需求，根據幀結構支持的SSB個數，對每個SSB位置的子波束進行單獨的屬性配置，包括每個子波束的索引、方位角、下傾角、水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度等，方式更加靈活。

4 5G高低層混合場景廣播覆蓋方案理論分析

5G廣播波束由多個子波束在3D立體維度組合而成，子波束定義包含兩個維度：一是子波束的形狀，即波瓣寬度；二是子波束的水平、垂直角度，即波束的指向[3]。具體的子波束參數，首先需要根據場景的覆蓋目標制定小區整體的覆蓋波形，然后根據整體波形設計各個子波束的具體參數。每個子波束的波形不同時，達到的增益也不同。單個子波束的最大水平寬度為65度，同傳統宏覆蓋天線一致，即單個子波束可以形成常規宏站的覆蓋能力，但此時天線增益較低，僅為15～16 dBi。如果采用4個子波束形成65度廣播覆蓋，即每個波束水平寬度在18度左右，增益可以達到約20～21 dBi；如果采用7～8個子波束形成65度廣播覆蓋，每個波束更窄，廣播增益可以達到25 dBi以上。

5G基站優先滿足宏覆蓋需要，典型廣播波形為水平波瓣65度，垂直波瓣6度，7～8個子波束掃描的形態。當覆蓋目標為高樓時，可以根據目標建筑情況計算所需的廣播波形，常用值為水平20～30度，垂直30度以上的波形。

針對高低層混合場景，5G基站可在宏覆蓋基礎上，采用專用子波束對高層區域進行補充覆蓋，子波束組合為X+Y，X為考慮宏覆蓋的波束數量，Y為專門考慮高層覆蓋的波束數量。例如總計8個子波束，采用其中6、7個進行常規宏覆蓋，剩余1、2個子波束對高層進行立體覆蓋。子波束的組合方式，可以根據建筑的高度和寬度計算廣播波形后進行選取，具體如圖2所示。

α為垂直半功率角的一半，β為水平半功率角的一半，γ為機械傾角，HB為建筑物高度，HL為建筑物覆蓋下限，LB為建筑物寬度，HA為天線高度，D為天線與建筑物的水平距離。按照上述公式確定α、β后即可定義廣播波形，再用2α除以單波束的垂直波瓣寬度即為所需的垂直波束數量Y，剩下的子波束作為水平波束數量X。

圖2 建筑物覆蓋范圍計算示意圖

以8波束為例，建議情況如下，如圖3所示。

7+1方式：7個子波束形成宏覆蓋，1個子波束對高層立體覆蓋。子波束默認垂直寬度6度，當站高30 m，基站距離建筑100 m時，約可覆蓋45 m左右高度。

6+2方式：6個子波束形成宏覆蓋，2個子波束對高層立體覆蓋，可以覆蓋超過60～70 m的建筑。

圖3 不同波束組合覆蓋示意圖

典型的高低層混合場景高樓覆蓋需求更多的集中在70米以內，建議采用6+2方式，下面針對該方式進行仿真分析。

5 5G高低層混合場景覆蓋仿真分析

以廣州萬博核心區為例，該區域屬于密集城區場景，區域內包含辦公樓、住宅等各類型新舊樓宇，屬于典型高低層混合建筑區域。此次選擇的仿真區域為中鐵諾德中心及周邊區域，區域內存在高低不等的建筑群，主要包括：中鐵諾德中心高度為163米，其裙樓為40米左右；荔園地產中心高度為68米，裙樓20米；招商城市主場高度為100米，裙樓50米；周邊官堂工業園建筑高度為10～20米；區域東側為住宅區，包括100米高層及10～15米別墅及小高層建筑。

仿真關鍵參數設置如下：

（1）5G NR：

① 頻段：2.6 GHz

② RS EPRE：17.8 dBm

③ 天線水平/垂直波瓣寬度：65/21度

④ 天線增益(dBi)：23.78

（2）4G宏站：

① 頻段：2.6 GHz

② RS EPRE：15.2 dBm

③ 天線水平/垂直波瓣寬度：65/7度

④ 天線增益(dBi)：15

通過仿真，針對高低層混合場景，常規4G宏站以及5G NR采用廣播波束賦形的覆蓋效果如圖4所示。

圖4（a） 常規4G高低層混合場景覆蓋仿真圖

圖4(b) 5G廣播波束賦形高低層混合場景覆蓋仿真圖（6+2方式）

仿真區域RSRP仿真結果如表2所示。可見，5G采用了廣播波束賦形，分別對水平和垂直方向進行掃描，同時天線增益和發射功率較大，可以保證水平和垂直兩個方向的良好覆蓋，RSRP明顯優于4G網絡。4G宏站由于垂直波瓣寬度較小，對高層建筑無法形成有效覆蓋，只能保證水平宏覆蓋，RSRP劣于5G網絡。

綜上，針對高低層混合場景，5G廣播波束建議采用6+2子波束方式，形成水平波瓣65度、垂直波瓣14-20度的廣播波形，以保障良好的高低層覆蓋效果。

表2 仿真區域RSRP情況

6 結束語

高低層混合場景是常見的蜂窩通信覆蓋場景，傳統4G宏站只能針對性的解決宏覆蓋及高層建筑中低樓層的覆蓋，無法兼顧建筑高層及背面的深度覆蓋，成為網絡建設的關鍵痛點區域。5G由于引入Massive MIMO波束掃描，每一個子波束都可以單獨改變水平或垂直權值，組合成多樣化的廣播波形，廣播權值可靈活配置兼顧高低層覆蓋。本文針對高低層混合場景建筑特點，研究了該場景下的廣播波形計算方法，提出了6+2子波束組合的權值配置方案，6個子波束形成宏覆蓋，2個子波束對高層立體覆蓋，并通過仿真驗證其有效性。本成果中的廣播權值配置可作為模版，在未來5G網絡精細化規劃中加以應用，遠期可在后臺網管中進一步引入AI，自動匹配場景，自動配置權值。