5G網絡掃描波束規劃方案探討

印翀 馮偉

【摘 ?要】

在5G技術中，廣播消息和系統消息都是采用波束掃描的方式進行傳輸，因此在5G網絡開通時需要對波束的掃描圖案進行規劃，掃描波束的規劃成敗對用戶的體驗有著明顯的影響。為了對波束資源進行合理的規劃，通過對掃描波束特性進行了分析和探討，列舉了若干在規劃中需重點考慮的準則，并提出一種掃描波束規劃解決方案。研究證明，邊緣UE的SSB接收性能有極大提升。

【關鍵詞】5G;波束賦形;移動性管理;大規模天線

0 ? 引言

隨著5G牌照的發放，為了確保2020年的商用計劃，國內各大運營商的5G試驗網和商用網建設也加快了節奏。中國移動、中國聯通和中國電信這三大運營商今年的5G投資總額預計在300億左右，5G基站的建設數量將超過15萬，分別會在至少40個城市覆蓋網絡并在部分城市率先推出5G服務。

在5G網絡建設中網絡規劃是必不可少的，在規劃的過程中，除了頻譜、覆蓋、業務這些常規元素的規劃，5G網絡還需進行波束的規劃，其中最典型的就是掃描波束的規劃，如果掃描波束規劃不合適，小區和用戶的性能將得不到保證。

1 ? 波束掃描

波束掃描是指基站在特定周期內，波束采用預先設定的圖譜進行發送和接收。為了保證獲得一定的增益，單個波束賦形時會采用增益大的定向天線來形成較窄的波束寬度，而窄波束容易產生覆蓋不足的問題，為了解決這個問題，通常會在時域上采用多個窄波束對整個區域進行掃描，從而來滿足對小區的全面覆蓋，如圖1所示：

由圖1可見，基站在小區內進行波束掃描，在周期內不同時間上，波束指向的角度是不同的，這樣從時間維度上來看，波束是一個掃描的過程。波束在預定義的方向上以固定的周期進行傳送。

在5G技術中，一些重要的流程也運用到了波束掃描，例如在小區搜索和初始隨機接入過程中，UE需要與基站進行下行同步并接收系統消息，其中同步信號和系統消息塊（SSB）就是采用波束掃描技術以固定的周期進行掃描和發送。特定位置的UE在其對應的波束上接收SSB來獲得下行同步和系統消息，并在相同的波束方向上進行隨機接入各消息的發送和接收。除了廣播和接入信息之外，系統消息、paging等信息也是采用波束掃描來發送。由此可見，波束規劃的成功與否將極大地影響到UE相關性能，進而影響到5G用戶的業務體驗，下文將對5G網絡下掃描波束規劃的方案進行研究和探討。

2 ? ?掃描波束規劃準則

2.1 ?SSB系列波束

在5G技術里，SSB采用固定的周期發送，周期可以是5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms或者160 ms。無論選擇哪個周期，基站需在5 ms內完成全部SSB掃描波束的發送，即在周期的一段5 ms范圍內，基站對整個覆蓋范圍進行一次SSB波束掃描，而下一次的掃描將在下個周期進行。

周期內SSB的最大數目和時域發送位置由子載波間隔和頻段決定，以圖2為例，5G小區子載波間隔為30 kHz，頻段范圍在3 GHz到6 GHz之間，規劃了8個SSB，根據以上設置，所有SSB的發送圖案由3GPPP協議中對應的公式{4， 8， 16， 20}+28×n生成，其中n=1和2，得到在一個半幀即5 ms內8個SSB起始符號數為{4， 8， 16， 20， 32， 36， 44， 48}，SSB索引=0～7。在時域上，每5 ms中的所有SSB稱為ss burst，其按照SSB發送周期進行周期性傳輸。SSB周期是5 ms的倍數，因此在SSB周期大于5ms時，周期內ss burst的起始點也會有多種選擇。在空域上，基站采用預設基帶數字權值來生成多個不同方向的窄波束，結合時域上的SSB索引進行波束掃描，UE也根據接收到的SSB所標識的波束來發起后續的過程。

當SSB波束及索引規劃完成后，5G下的系統消息和paging消息也會與各個SSB波束進行關聯，一個SSB索引也會對應有一個系統消息波束和paging波束，其波束方向與所對應的的SSB波束是一樣的，但發送時機會在時域上錯開。

由上文可知，在同步信號接收以及后續的系統消息接收、paging、隨機接入、切換、波束管理等過程，都會受波束的信號質量的影響，所需的信道相關信息如RSRP、RSRQ、Sinr等都是根據相應的掃描波束測量獲得，因此掃描波束規劃的優劣將直接影響到測量值，進而影響到相關重要流程。

2.2 ?規劃準則

掃描波束規劃的主要目的是優化小區內系統廣播信號的強度和覆蓋，要保證小區中心和邊緣用戶都能夠接收到信號質量足夠好的系統廣播消息，不至于影響到相關流程。為了達成此目標，以下問題需要重點進行考慮：

（1）小區SSB上的參考信號在頻域上與相鄰小區錯開

根據3GPP協議，SSB上參考信號的頻域偏移計算如表1所示：

表中的v值表示小區物理ID模4的結果，由此可見SSB中，參考信號的頻域偏移值有4個，并且與小區規劃的物理ID（PCI）強相關。因此在做小區PCI規劃時需保證相鄰小區的PCI模4不相等即可。

（2）小區ss Burst所在的5 ms起始點與鄰小區錯開

SSB發送周期是5 ms的倍數，當本小區周期配置大于5 ms時，ss Burst所在5 ms起始點會有多個選擇，如現階段各廠商的SSB默認周期為20 ms，那么SSB起始點會有1 ms、6 ms、11 ms、16 ms這4個選擇。在ss Burst規劃時，盡量保證能夠鄰小區的ss Burst起始點位置錯開。如果實在錯不開，那么只有依賴單個SSB的掃描波束規劃來做時域錯開。

（3）小區邊緣SSB波束時域上與鄰小區錯開

如果無法避免本小區與鄰區的ss Burst起始點重合，那么可以在規劃本小區掃描波束時，聯合鄰小區來一起規劃，協作制定掃描波束圖譜，目標是保證多個小區的波束不會同一時間掃向某一邊緣區域，盡量保證同一時間上只有一個小區的掃描波束掃過。

圖3是掃描波束聯合規劃示意圖，同一時間發送的波束用相同底色表示，可以看到當經過聯合規劃，同一時間上，兩個相鄰小區掃描波束打向的區域是不同的，而在同一邊緣區域上，不同小區掃描波束到達的時間也是不同，這樣就能夠保證小區間掃描波束的時域錯開。

（4）系統消息、paging消息發送波束的錯開

系統消息和paging消息也是以掃描波束的形式進行發送，波束的個數和圖案與SSB波束一致，即每一個SSB波束都有一個對應的系統消息波束和paging波束，只是發送周期和發送時刻不同。因此小區間在錯開ss Burst之外，系統消息和paging消息也盡量錯開，如果實在無法錯開，那么系統消息和paging消息的掃描波束圖樣順序可以沿用SSB掃描波束相同的規劃圖樣，只是沿用掃描波束順序相同即可，波束掃描的周期和起始點可自行規劃。

（5）掃描波束頻域錯開

SSB波束頻域位置可配，但僅位于同步raster上。在3GPP協議中，GSCN（Global Synchronization Channel Number）對應同步raster，UE在GSCN頻點上，對SSB進行搜索。因此相鄰小區的GSCN可以配置有一定間隔以保證SSB在頻域上錯開。

同理，在資源調度中，也可以對系統消息和paging消息調度頻帶位置進行規劃以保證在小區間的掃描波束在頻域上能錯開。

3 ? 掃描波束規劃方案

本文提出的方案將整個掃描波束的規劃分為三個步驟：場景化波束初調、波束時頻域資源劃分、波束空間域動態調整。

（1）場景化波束初調

根據外場測試經驗，在波束掃描規劃中引入例如場景化機制，即根據不同場景配置不同的初始波束圖樣來適配各種典型的覆蓋場景，如空曠地場景、密集城區室外場景、高層樓宇場景等。并根據各場景的特征和覆蓋需求來初始化波束數量和方向，如覆蓋高樓時要以垂直波束為主，垂直波束的數量與樓高有關。覆蓋空曠區域以水平波束為主，水平波束的數量與覆蓋角度有關。

掃描波束場景化示意表如表2所示：

在掃描波束初始規劃時，針對不同的場景，可以選擇對應的場景波束進行初步波束規劃，即在確定規劃場景后選擇相對應的場景波束，如在樓宇場景就直接調用場景2的配置，此時配置少量個水平波束，根據樓高配置多個垂直波束，波束偏向于對高樓進行掃描大范圍垂直角度的掃描。

（2）波束時頻域資源劃分

在初步選定場景配置后，波束數量和波束方向大致已確定，此時對個各個波束進行時頻資源規劃，規劃的原則按照2.2節介紹的五個準則來進行。盡量保證各個小區掃描波束的時頻資源都能夠滿足要求。

（3）波束空間域動態調整

根據方案的前兩步能夠完成掃描波束的靜態規劃，在理論上能夠規劃出掃描波束合適的時頻域資源來減少鄰區干擾等問題。但在空域上，波束規劃與實際現網環境緊密聯系，首次的規劃往往達不到預期的效果，每個小區都需要進行多次的測試和上站調整來完成波束方向的細化，這樣對人力成本和時間成本提出了較高的要求。針對此問題，方案在步驟3引入了一種動態的掃描波束調整方案，能夠根據UE路測上報數據來動態的調整掃描波束的覆蓋范圍，以達到減少越區覆蓋、乒乓切換以及鄰區干擾等問題，能夠極大地減少人力和時間成本。

在步驟3波束動態調整之前，小區邊緣重疊區的波束構成基本確定，該區域內UE能夠識別出各小區最優SSB索引，基站也能夠通過UE的切換和隨機接入來獲取此處最優波束索引。因此路測中UE在此重疊區的行為和性能就能夠反映出最優波束規劃的效果。基站通過對UE接入和切換性能進行統計分析來得到掃描波束調整策略，從而能做到動態的對掃描波束進行調整以達成預期的目標。

圖4是波束動態調整示意圖，基站根據UE接入和切換統計量來確定波束調整方向，通過動態的調整窄波束的賦形權值來改變波束水平和垂直角度，消除非必要的覆蓋，減少重疊覆蓋區域，以避免乒乓切換。

UE在重疊區行為包括切換以及切換過程中的隨機接入，基站需要對進出方向的乒乓切換概率、切換成功率進行統計。對基站范圍內的UE行為進行加權統計：

當出現一次接入失敗時，統計值=統計值+5;

當出現一次切出乒乓切換時，統計值=統計值-1;

對統計值進行維護，設定門限1和門限2。

當統計值大于門限1時，說明切換重疊區的掃描波束覆蓋不足，需要對最優波束進行調整，波束的索引值通過UE切換測量上報和切換隨機接入獲取，對此SSB索引值對應的波束方向進行調整，首先減少垂直方位角1°，如一段時間內統計值還未降到門限1以下，則通過修改波束權值來調整水平波束，將切換區源小區和目標小區的最優波束夾角增加1°，以此循環，最終達到增大兩個波束的重疊覆蓋區域。

當統計值小于門限2時，說明源小區在重疊區的掃描波束過覆蓋，需要對最優波束進行調整，波束的索引值通過UE切換測量上報和切換隨機接入獲取，對此SSB索引值對應的波束方向進行調整，首先增大垂直方位角1°，如一段時間內統計值還未升到門限2以上，則通過修改波束權值來調整水平波束，將切換區源小區和目標小區的最優波束夾角減少1°，以此循環，最終達到降低兩個波束的重疊覆蓋區域。

當通過N次調整統計值仍然不能滿足門限要求時，基站需切換掃描波束場景進行重新規劃。

為了驗證本方案的性能，我們選擇某一場景通過路測軟件來對比規劃前后邊緣波束的信號強度，最終的比較數據如圖5所示。

根據所選擇場景為空曠平地的特點，場景化機制為小區初始化配置了7個水平波束。此時固化的初始波束時頻域未經過與鄰區錯開，空間域也與環境不匹配，因此在小區地理邊緣波束0上接收到的SSB波束性能比較差。在經過了時頻資源劃分和波束動態調整后，SSB波束時頻資源和方向角度趨于合理，小區邊緣上SSB的接收性能也達到很好的效果。

4 ? 結束語

本文主要對5G網絡建設中掃描波束的規劃方案進行了探討和分析，列舉了掃描波束規劃的時頻資源劃分準則，并介紹了一種掃描波束規劃解決方案。方案通過場景化波束初調、波束時頻域資源劃分、波束空間域動態調整這三個步驟來完成掃描波束的規劃，能夠極大地提升邊緣UE接收SSB的性能和移動性管理性能。依照本文所提出的方案，同樣可以適用于小區中心區域的波束規劃調整，但需要UE或鄰區能夠提供更多的輸入值，這也是下一階段研究的重點。

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