基于用戶分布場景的3D-MIMO權值優化研究

宋子睿　趙國華

【摘要】 ? ?隨著4G網絡的不斷發展，新技術的應用也越來越多，3D-MIMO憑借其在高頻覆蓋容量和用戶感知等多方面的優勢，在TDD-LTE網絡中發揮越來越大的作為，并成為4G向5G平滑演進的技術之一。隨著3D-MIMO網絡的不斷發展，網絡中存在3D設備愈來愈多，Massive MIMO技術能夠提升小區容量的特性，但是用戶分布場景可能有與3D權值不匹配的情況，從而導致用戶流量受到壓抑。因此提出對不同用戶分布場景下最佳的3D-MIMO權值設置的研究，從而促進網絡更加高效的運作。

【關鍵字】 ? ?5G ? ?3D-MIMO ? ?空間復用 ? ?波束賦性

一、研究背景

Massive MIMO可以作為波束賦形的另一種廣義形式，但與傳統的波束賦型有較大的區別。通過大規模得運用多矩陣多天線系統，達到了立體波束賦形和多流多用戶資源復用的效果，從而高效提升網絡容量和多維度覆蓋。通過使用大規模多矩陣多天線系統對信號進行多模收發解調與處理，大幅提升單鏈路質量和多鏈路空分復用能力，有效抑制多用戶之間的復用干擾，從而增強網絡鏈路性能和提高分集傳輸能力，提高頻譜使用效率和小區遠近平均吞吐率[2]。

因此Massive MIMO可以具有以下增益[3]：

1.具備多天線的優點，具備更有效的波束賦型性能，更強的覆蓋，以及更小的系統內干擾。

2.通過運用多矩陣多天線MIMO技術，帶來數倍的網絡能力提升，使網絡能力的空間大幅擴展，運用多模算法能使普通終端進行復用匹配，提升網絡系統頻譜效率性能。

3.相比較傳統水平維度的波束賦型，新增了垂直維度的波束賦型，實現立體波束賦形效果，借助更多更窄的用戶級波束，有效提升多天線多用戶的空分復用能力，因此可有效發揮網絡系統的多流MIMO作用。

具體實現方式為：Massive MIMO通過對扇區內的小區波束進行權值加擾，可靈活調整扇區內多小區的波束收發方式，并對小區內用戶分布進行采集匹配，從而獲得空分復用增益和波束賦形增益，提升小區的系統容量。

二、波束原理

Massive MIMO波束分為業務波束與廣播波束：3D-MIMO業務波束固定為32個波束（水平8波束 x 垂直4波束），相鄰每波束之間的間隔為15°;廣播波束隨權值變化而變化，取值范圍為水平波束Horizontal 15～90°，垂直波束Vertical 8～35°。

權值優化方式為首先采集32個業務波束的實際吞吐量分布及NI分布，從而確定熱點用戶所處區域;由于業務波束是根據物理方位角與下傾角固定分布的，常規上站調整耗費人力，而且用戶熱點有動態分布的特征，頻繁上站調整耗費人力財力，需要有一種方式可根據用戶分布場景靈活配置三維波束的波瓣寬度、波瓣方位與波瓣權值，因此廣播波束權值優化應運而生。具體方式為根據業務波束的實際用戶分布，將廣播波束方位調向熱點用戶區域，并根據三維熱點區域大小，做出相應的權值調整。

三、方案簡述

3D-MIMO站點可使用廣播波束權值來調整立體波束的分布，共13組權值，并具有31種電下傾角設置，不同用戶分布場景使用不同的廣播波束權值，從而使業務量最大化，基站收益最大化。那么，怎樣進行進行權值設置，首先需要確認用戶的分布。

Massive MIMO特有的屬性能夠提升現網系統小區的容量，但怎樣進行進行權值設置，傳統Massive MIMO的廣播波束權值設置僅依靠人力，按照不用的用戶分布場景進行手動配置優化，并不能保證最佳優化效果，況且在大批量進行Massive MIMO的優化設置時，手動的優化工作效率低下，因此，需要一種批量進行Massive MIMO廣播波束權值優化的智能工具，該工具可以通過分析采集到的Massive MIMO各波束中的用戶分布情況及各波束接收到的干擾情況，利用遍歷尋優算法提供Massive MIMO廣播波束權值的最佳設置。

3D-MIMO可使用13種廣播波束權值來調整立體波束的分布，并具有31種電下傾角設置（-15°～+15°），不同的廣播波束權值對應不同用戶分布場景，從而使業務量最大化，基站收益最大化。3D MIMO在建網初期無法精確獲取小區立體波束內的用戶部署，初始的權值設置并不能達到廣播波束的最佳覆蓋。因此，本文提出了基于立體業務波束中的業務量分布及接收NI進行權值優化設置：通過立體業務波束級的流量分布情況來估算3D MIMO小區內的用戶分布情況，并通過立體業務波束級的NI接收情況來估算3D MIMO小區的無線覆蓋質量，通過遍歷尋優算法，提供不同立體廣播波束權值設置下Massive MIMO小區的業務量增益，從而找到最佳的廣播波束權值優化設置。

廣覆蓋場景，可以選擇水平寬波束，垂直窄波束的設置：

高層覆蓋場景，根據樓寬與樓高，可以選擇垂直寬波束、水平相對窄波束的設置：

四、方案實施-基于用戶分布場景優化

4.1低層住宅場景優化

如下圖所示， 0～1處為主瓣方向，每柱之間間隔為15°，該站83小區用戶主要分布在中心波束區域，右邊側波束用戶數冒尖，結合谷歌街景圖，該區域為低層住宅區域，右側有小高層住宅，ACP建議調整權值為：小區名稱：A2_XD_3D楊家堡HLD_H-83，原權值：SCENARIO_2（H65V8）/Digital Tilt_6/Digital Azimuth_0，新權值，SCENARIO_10（H65V35）/Digital Tilt_10/Digital Azimuth_10，新權值預期吞吐量提升增益; 20.02%，以上小區為區域內的典型舉例扇區，該區域為低層住宅區，通過遍歷尋優算法對該區域連片的3D-MIMO小區進行權值調整，取調整前后各5天的話務指標，對比結果如下：

調整后LTE上下行流量增益44.02%，VoLTE語音話務量增益69.04%，下行PRB利用率增長4.62%，上行PRB利用率增長3.87%，小區內最大用戶數增益52.81%，用戶平均體驗速率有下降，整體增益上升明顯。

4.2高層住宅場景優化

如下圖所示， 0～1處為主瓣方向，每柱之間間隔為15°，該站232小區用戶主要分布在中心波束兩側15～30°，該扇區主波瓣方向主要指向道路，用戶多分布于兩側的高層樓宇內，ACP建議調整權值為：小區名稱：A2_YZ_3D并州小學HLD_H-232，原權值：SCENARIO_2（H65V8）/Digital Tilt_3/Digital Azimuth_0，新權值：SCENARIO_12（H25V35）/Digital Tilt_7/Digital Azimuth_30，新權值預期吞吐量提升增益：26.80%，以上小區為區域內的典型舉例扇區，該區域為高層住宅區，通過遍歷尋優算法對該區域連片的3D-MIMO小區進行權值調整，取調整前后各5天的話務指標，對比結果如下：調整后LTE上下行流量增益21.80%，VoLTE語音話務量增益39.02%，下行PRB利用率增長3.78%，上行PRB利用率增長2.68%，小區內最大用戶數增益27.47%，用戶平均體驗速率有下降，整體增益上升明顯。

4.3高校場景與商業場景優化

高校場景修改前后：調整后LTE上下行流量增益40.92%，VoLTE語音話務量增益52.75%，下行PRB利用率增長2.32%，上行PRB利用率增長3.59%，小區內最大用戶數增益59.22%，用戶平均體驗速率有下降，整體增益上升明顯。

而商業場景優化前后：調整后LTE上下行流量增益6.33%，VoLTE語音話務量增益15.99%，下行PRB利用率增長2.03%，小區內最大用戶數增益2.16%，用戶平均體驗速率有下降，整體增益上升。

五、結束語

通過采集3D-MIMO小區連續3天6忙時的波束級別的MR數據;3D-MIMO小區支持立體業務波束級的用戶業務量采集及接收NI（干擾噪聲）采集，通過分析各立體業務波束的用戶業務量，可計算出3D-MIMO小區下的實際用戶分布，從而支撐3D-MIMO小區進行波束方位角優化設置。通過遍歷尋優算法，計算3D-MIMO小區立體廣播波束權值調整后用戶流失情況和立體廣播波束權值調整后可挖掘的壓抑用戶，計算話務模型并提供建議廣播權值參考（可根據實際場景調整），提供不同立體廣播波束權值設置下3D-MIMO小區的業務量增益，從而找到最佳的廣播波束權值優化設置。

此次試點范圍內的3D-MIMO小區通過調整立體廣播波束方位角、立體廣播波束權值，增強廣播信道覆蓋，挖掘深度覆蓋不足的壓抑用戶和吸收周邊高負荷小區的業務量，此次試點結果：用戶數增長32.89%，流量增長33.83%，話務量增長55.38%，下行利用率整體增長4.03%，上行利用率整體增長3.06%，單用戶速率有所下降，總體增益明顯。

參考文獻

[1] 張彬， 溫正陽. 3D-MIMO技術在后LTE時代中的應用[J]. 移動通信， 2015（10）.

[2] 張雅媛. 3D MIMO信道建模及性能分析[J]. 軟件， 2014， 35（9）：115-119.

[3] 鄧萌， 謝武勝， 馬文，等. 基于3D MIMO解決高價值場景網絡覆蓋和容量的方法[J]. 電信工程技術與標準化， 2018， v.31;No.249（06）：89-92.

宋子睿（1984年9月1日），男，漢族，山西靈石，中國移動通信集團山西有限公司太原分公司，工程師，移動通信無線網優化

趙國華（1979年12月12日），男，漢族，山西長治，中國移動通信集團山西有限公司太原分公司，工程師，移動通信無線網優化