5G波束賦形優(yōu)化的典型場景立體覆蓋研究

王勛 程科 江西省通信管理局 南昌市 330000

關鍵字：Massive MIMO 波束賦形 Beamforming 5G NR 優(yōu)化方法

0 引言

馬可尼在1908年用MIMO技術來抗信號衰落，90年代ATTBell實驗室完善了MIMO技術并實現了其在通信系統(tǒng)中的應用。4G與MIMO技術緊密結合，讓我們能體驗飛一樣的上網速度。Massive MIMO技術是在原4G MIMO的基礎上進行擴展和延伸，由原來的8天線，擴展到可以使用16/32/64/128/256天線之多，所以被稱為“大規(guī)模”的MIMO技術。

波束賦形技術早期為解決水中聲納定位問題，直到4G通信系統(tǒng)中，波束賦形技術結合各種信號檢測技術，尤其是多用戶檢測技術，實現聯合檢測，進而提高接收端信號的信噪比，提升了通信覆蓋范圍。在5G時代大規(guī)模波束賦形技術特別在傳輸機制、信道狀態(tài)信息、波束管理等方面有進一步加強，從而使發(fā)射功率利用率、系統(tǒng)容量和頻率效率方面有顯著提升，

Massive MIMO和波束賦形(Beamforming BF)二者在5G時代緊密相連，Massive MIMO通過集成更多的射頻通道和天線，實現精準3D的波束和多流用戶復用，其主要任務是負責在發(fā)送端和接收端將多天線聚合，進而提升系統(tǒng)容量減省小區(qū)間的干擾。Beamforming BF將每個方向上信號在傳播的過程中，引導到接收端的最佳路徑上，其主要任務是提高信號強度，形成集中、定向、且功率強大的無線傳輸信號，提高信號抗干擾能力，增強接收信號強度，從而改善通信質量，對于小區(qū)的遠端和近端都有更好的覆蓋性。所以說Massive MIMO和波束賦形(Beamforming BF)共同協作，相得益彰，缺一不可。

1 技術原理

在5G中通過鏈路預算進行覆蓋估算，通過傳播模型計算覆蓋半徑，其波束的權值對覆蓋效果具有較大影響，鏈路計算分為：基站天線配置、Massive MIMO賦形增益計算、廣播天線增益這三項共同作用。

基站天線配置一般采用基于大規(guī)模天線陣列的Massive MIMO技術，目前常見的規(guī)劃有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R等幾種規(guī)格。一般選用64T64R的天線其在垂直方向上為4個通道，水平方向8個通道，每個通道3個陣子，共計192個陣子，從而為實現3D賦形，垂直方向單個通道的增益為11dBi。

Massive MIMO賦形增益目前主要體現在SINR中，賦形增益可以拆分為垂直和水平兩個維度，其賦形增益計算方法如下，以64T64R為例：水平方向為8列X2極化，則水平方向增益為10*log(8)=9dB；垂直方向為4行X2極化，則垂直方面增益為10*log(4)=6dB；則整體的賦形增益為9+6=15dB。

廣播天線增益在5G中，引入了波束掃描（beam sweeping）的概念，小區(qū)廣播覆蓋由多個不同指向的子波束共同完成。由于小區(qū)預先定義了N個子波束，各子波束之間通過時分的方式依次輪詢發(fā)送。終端在搜索小區(qū)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。針對不同的場景，可以配置不同的廣播權值，實現最佳覆蓋。一般為典型水平4波束掃描，對應的廣播天線增益約為：

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2 5G多場景波束權值適應性探討

一般常城市常兩種場景，分別為高樓場景和廣場場景，其中高樓場景，要求無線信號有較好的覆蓋，所以使用垂直面覆蓋比較寬的波束，提升垂直覆蓋范圍。廣場場景，要求無線信號范圍內都有較好的接入信號，所以近點使用寬波束，保證接入，遠點使用窄波束，提升系統(tǒng)容量。

一般高樓場景分為：高層樓宇場景、中層樓宇場景和低層樓宇場景；廣場場景分為：聚集場景和空曠場景。高層樓宇為80米以上，中層樓宇為80～25米，低層樓宇為25米以下，根據典型場景的業(yè)務類別不一樣，所涉及的波束權值、天線子波配置、水平波瓣寬度、宏站間距等。經過波束配置設置，在不同場景通過在高層樓宇的無線空口下行灌包的方式進行測試，利用室外站點覆蓋高樓，難點在不同場景，選擇不同的基礎波束配置，目前基礎波束配置有20種，其天線在不同的pattern配置下，不同的數字方向角、數字下傾角配置下，增益波形會呈現明顯差異。

在本次高層樓宇測試中，在選擇波束模式12時，SS-RSRP和SS-SINR都達到了最優(yōu)值，大多數高層樓宇場景可考慮借鑒本次測試結果。

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在中層樓宇測試，在選擇波束模式6時，SS-RSRP和SS-SINR都達到了最優(yōu)值，大多數中層樓宇場景可考慮借鑒本次測試結果。

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在低層樓宇測試，在選擇波束模式1時，SS-RSRP和SS-SINR都達到了最優(yōu)值，低層密集樓宇場景可考慮借鑒本次測試結果。

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在聚集類場景測試，在選擇默認波束模式0時，SS-RSRP和SS-SINR都達到了最優(yōu)值，聚類市場場景可考慮借鑒本次測試結果。

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在空曠廣場類場景測試，在選擇波束模式4時，SS-RSRP和SS-SINR都達到了最優(yōu)值，空曠廣場場景可考慮借鑒本次測試結果。

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Massive MIMO結合波束賦形技術可以針對不同場景，選擇不同的廣播波束場景應用方案，同時設置合理的電子方位角和電子傾角，可以有效優(yōu)化覆蓋以及提升用戶感知。本次測試結果，驗證并輸出了主要覆蓋場景的推薦覆蓋方案，可供大多數場景參考、借鑒。

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3 經驗總結與推廣

目前的5G網絡覆蓋優(yōu)化以波束優(yōu)化為主，RF優(yōu)化為輔，主要是通過SSB Pattern和數字方位角、下傾角的優(yōu)化，來使用戶獲取更加合理的覆蓋，減少干擾。在不同的場景化的波束Pattern規(guī)劃滿足不同的場景需求，不同場景使用不同波束提升覆蓋，涉及水平和垂直半功率角合理化配置。在使用水平多波束、垂直多層SSB波束提供立體覆蓋，能有效覆蓋城市高層樓宇和商業(yè)廣場等復雜場景。通過Massive MIMO和波束賦形技術，從而比以住無線制式有更好的覆蓋和更大的容量，可根據不同場景優(yōu)化波束配置，解決通信運營企業(yè)面臨的站址緊張、建站難、覆蓋難等痛點。