樓宇場景下的5G廣播波束研究

薛龍來 夏偉 魏俊毅

【摘要】 ? ?5G由于采用了Massive MIMO和波束賦形（Beamforming BF）等技術有效的解決城區不同場景下的覆蓋問題，進而覆蓋效果更加完善。5G天線數量可達16/32/64/128陣列，因此被稱為“大規模”的MIMO。本文研究高、中、低層樓宇場景下廣播波束權值規劃最佳方案，給出配置建議，供規劃優化參考。

【關鍵詞】 ? ?Massive MIMO ? ?波束賦形 ? ?廣播波束權值規劃

引言

Massive MIMO技術是多天線演進的一種高端形態，被業界公認為4.5G和5G網絡的關鍵技術之一。作為一種新的站點形態，Massive MIMO通過集成更多的射頻通道和天線、實現三維精準波束賦形和多流多用戶復用技術，從而達到比傳統的技術方案更好的覆蓋和更大的容量[1]。5G時代，城市熱點樓宇是覆蓋復雜多樣，例如商業CBD，住宅小區等，城中村，樓宇狀況復雜，是當前5G覆蓋的難點。如何解決不同場景下小區的覆蓋受限，解決鄰區干擾，提升5G的樓宇覆蓋能力，是當前亟待解決的問題。

一、技術原理

1.1波束賦形與Massive MIMO之間的聯系

波束賦形與Massive MIMO是5G網絡時代的關鍵技術。波束賦形是指根據特定場景自適應的調整天線陣列，對發射信號進行加權，形成指向UE的窄波束。Massive MIMO意味著基站天線陣列中具有大量天線而且天線陣列使用同一頻率資源和時間滿足空間上分離的多位用戶的需求。如何更加合理的應用波束賦形和Massive MIMO技術解決當前5G覆蓋中熱點樓宇覆蓋的難點將是本文討論的內容。

波束賦形和Massive MIMO的優點：

◆可以更好的覆蓋遠端和近端小區;

◆可以有效減少小區間的干擾;

◆3D波束賦形更加精確，提升終端接收信號強度;

◆由于同時同頻服務更多的用戶（多用戶空分），從而提高了網絡容量。

1.2 5G廣播波束場景化

在3D天線管理模塊中呈現天線3D視圖。天線在不同的Pattern配置下，不同數字下傾角、不同數字方向角的配置下，增益波形差異明顯。

目前廣播波束場景化配置加上默認模式共計17種[2]，分別是小區間干擾場景（可以使用水平掃描范圍相對窄的波束，避免強干擾源）、廣場場景（近點使用寬波束，保證接入，遠點使用窄波束，提升覆蓋）、高樓場景（使用垂直面覆蓋比較寬的波束，提升垂直覆蓋范圍）等三大場景。

二、高層樓宇場景測試分析

選擇有天線直接面對高樓覆蓋的場景進行測試，天線與被測試高樓之間無遮擋且距離適當， 本場景選取某高檔寫字樓進行測試。該樓宇高度26層，測試樓層選取5、10、15、20、25層，測試地點選取電梯邊靠窗位。占用的小區某基站第二小區（PCI=14），天線高度31米，對被測樓宇采用隔層測試的方式，采用定點下行灌包的方式進行測試，單次測試時間顆粒度為1分鐘，最終以平均值作為統計結果。

本次覆蓋的樓宇為高層樓宇，需要重點關注高層樓宇覆蓋效果。因為測試地點位于第二小區天線的正對方向，觀察垂直波寬對樓宇的不同樓層的覆蓋效果。

保持水平波寬65度不變，對比垂直波寬，將第二小區的廣播波束場景分別設置為：

◆SCENARIO_3（水平波寬65度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_8（水平波寬65度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_13（水平波寬65度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

結果表明，對比同一樓層、不同的垂直波寬對覆蓋的影響發現，垂直波寬的變化對中、低層（1-20樓）樓宇的覆蓋效果差距不大，高層樓宇（25樓以上）垂直波寬對覆蓋效果影響較大。本次測試中，高層樓宇中垂直波寬選擇25度覆蓋效果最佳，同時考慮SINR值，選擇垂直波束25度的波束在高層優勢明顯。綜合考慮選擇SCENARIO_13波束，覆蓋達到最優。

三、中層樓宇場景測試分析

本次選取某辦公大樓進行測試。本樓宇高度16層，測試樓層選取2、9、16層低中高層進行測試，測試地點選取辦公室靠窗位置。占用的小區為第一小區（PCI=4），天線高度28米。

3.1水平波寬110度，對比垂直波寬

保持水平波寬110度不變，對比垂直波寬，將第一小區的廣播波束場景分別設置為：

◆SCENARIO_1（水平波寬110度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_6（水平波寬110度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_12（水平波寬110度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

3.2水平波寬65度，對比垂直波寬

保持水平波寬65度不變，對比垂直波寬，將第一小區的廣播波束場景分別設置為：

◆SCENARIO_3（水平波寬65度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_8（水平波寬65度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_13（水平波寬65度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

3.3水平波寬25度，對比垂直波寬

保持水平波寬25度不變，對比垂直波寬，將HF-市區-省實業大樓-HA-6881291-4的廣播波束場景分別設置為：

◆SCENARIO_5（水平波寬25度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_10（水平波寬25度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_15（水平波寬25度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

本次測試為中層16層樓宇，保持水平波寬110度不變，垂直波寬從6到調整到25度，低層樓宇覆蓋效果差距不大，中層樓宇選擇垂直波束12度和25度覆蓋效果稍微優于垂直波束6度的覆蓋，高層采用垂直波寬12度時，覆蓋效果最佳。

保持水平波寬65度不變，垂直波寬從6到調整到25度，測試結果同A測試類似，垂直波寬從6到調整到25度，低層樓宇覆蓋效果差距不大，中層樓宇選擇垂直波束12度和25度覆蓋效果稍微優于垂直波束6度的覆蓋，高層采用垂直波寬12度時，覆蓋效果最佳。

保持水平波寬25度不變，垂直波寬從6到調整到25度，低層選擇垂直波寬6度覆蓋最好，但中高層覆蓋較差，中層和高層垂直波寬選擇12度和25度覆蓋更好。

綜合考慮所有樓層， RSRP三個樓層均值最大的波束是SCENARIO_6，垂直波束選擇12度，水平波束選擇110度，此時RSRP均值為：-89.67dBm，在測試中既能保證低層覆蓋，也能保證中高層的較好覆蓋。同時考慮小區間干擾，選擇水平波寬110度的波形時，SINR值較好，無明顯的下降，綜合考慮選擇SCENARIO_6波束覆蓋，達到最優。

四、多層樓宇場景測試分析

本次選取某住宅小區進行測試。本小區樓宇高度6層，樓宇較密集。進行樓宇內CQT測試。

測試方法同前述，該測試樓宇主要由某基站第一小區覆蓋，天線高度31米， 選取14～18號樓宇進行測試，樓宇總高6層，選取中間單元第3層進行測試。

將基站第一小區的廣播波束場景分別設置為：

◆SCENARIO_1（水平波寬110度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_3（水平波寬65度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_5（水平波寬25度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

從RSRP角度分析：14棟到18棟，樓宇位置從基站第一小區的主瓣方向到旁瓣方向過渡，在主瓣方向的14棟，水平波寬的變化對RSRP影響不大，往旁瓣方向20～22棟，水平波寬對RSRP的影響逐漸凸顯出來，水平波寬較窄的波束，覆蓋明顯變差。在三種波束下，五棟樓的RSRP均值最好的也是SECANARIO _1為-89.73dBm。

從SINR角度分析：結果同RSRP相似，旁瓣方向的樓宇水平波寬小的波形SINR明顯下降。綜合考慮選擇水平波寬為較大的SECNARIO_1覆蓋效果達到最優。

五、結論

Massive MIMO和波束賦形技術可以在日常5G覆蓋優化中提高覆蓋效果，提升用戶感。本文通過對城區樓宇場景中的高、中、低層典型樓宇測試分析，對比驗證，研究不同廣播波束類型在各種類型的樓宇的覆蓋效果，找到最優設置，給出設置建議：

多層樓宇（7層以下）：選擇水平波寬110度的SECNARIO_1，保證旁瓣覆蓋的樓宇的RSRP和SINR在較好水平，覆蓋效果達到最優。

中層樓宇（7～17層）：選擇水平波束110度，垂直波束12度的SCENARIO_6波束覆蓋，樓宇整體RSRP最優，同時SINR值較好，無小區間干擾，覆蓋效果達到最優。

高層樓宇（18層以上）：高層樓宇的覆蓋難點在于高層部分，綜合考慮RSRP和SINR，選擇垂直波束25度的SCENARIO_13波束覆蓋，優勢明顯，覆蓋效果達到最優。

參 ?考 ?文 ?獻

[1]彭東升， 王煜輝， 程曉東，等. Massive MIMO廣播波束場景化研究[J]. 通信技術， 2020， v.53;No.337（01）：69-74.

[2] WANG Lin，ZHOU Yi-gang，ZHENG Li-ming，et al.Mass MIMO 3D Spatial Correlation Channel over Relaxation Detection Algorithm[J].Journal of Harbin University of Technology， 2018，50（05）：18-23.

薛龍來（1984-），男，漢族，河南洛陽人，工程師，碩士研究生，主要從事無線網絡規劃與優化及網絡人工智能的相關工作。

基金項目：河南省信息咨詢設計研究有限公司高新技術研發項目（2021X-JY-04）