Massive MIMO波束優化提升5G分流比研究與應用

杜 暉

（中國電信集團有限公司南京分公司，江蘇 南京 210008）

引言

5G 網絡建設已經達到一定規模，5G 分流比是衡量5G 用戶及業務發展的關鍵性能指標，電信集團的目標是到2022 年底5G 分流比達到50%。提升分流比的關鍵要點：5G 終端滲透率、5G 開關打開率、DOU 系數、5G 機網匹配率、5G 流量駐留比，其中前三項主要與前端市場發展相關，后兩項主要與網絡側相關。

本研究在實踐的基礎上，結合Massive MIMO 波束賦形特點，針對不同的覆蓋場景，建立Pattern 尋優體系，確保更多的5G 終端用戶能夠體驗5G 網絡，提升5G 分流比。

1 波束賦形基本原理

NR 系統采用波束賦形技術，對各個信道和信號使用波束更聚集，方向性更好的窄波束。相比于寬波束（比如4G 波束），窄波束的覆蓋區域較小，單波束沒辦法全面覆蓋扇區里所有用戶，因此必須波束管理，根據不同信道和信號的各特點，基站對不同信道和信號分別進行波束管理，為使用者選擇最好的波束，提升覆蓋效能及用戶速率。

（1） 5G 與4G 基站的廣播波束配置不同，5G 的波束為不同方向固定的窄波束[4]。

a.5G 基站在不同時間發送不同方向的窄波束完成扇區的廣播波束區域覆蓋。具體波束掃描形式見圖1。

圖1 NR TDD 廣播波束掃描范圍

b.4G 的SSB 用的是寬波束，沒有掃描；相對于窄波束，能量不夠集中，因此覆蓋肯定不如NR。

（2） SSB 和CSI 波束功能不同。

a.SSB 反映廣播信道的質量，決定小區的覆蓋范圍，控制面。

b.CSI-RS 反映業務信道的質量，決定用戶的體驗速率，業務面。

（3） SSB 與CSI 波束包絡差異大，覆蓋范圍也存在差異。

其中，SSB 波束為扇區級輪詢波束，最大為8 波束，和SSB 波束不同，CSI 波束是用戶級波束，64TR 設備可支持32 波束，具體覆蓋差異性見圖2。

圖2 SSB 與CSI 覆蓋差異

2 5G 波束（Pattern）尋優原理

5G 波束尋優主要有以下兩個優勢：

（1） Massive MIMO 波束賦形，大幅提升天線增益，擴展覆蓋距離。

（2） Massive MIMO 支持3D 波束塑形，應對各種覆蓋場景需求。不容波束賦型覆蓋示意圖見圖3。

圖3 SSB 立體波束覆蓋

覆蓋場景由水平3dB 波寬、垂直3dB波寬、傾角可調范圍和方位角可調范圍四個要素共同決定。通過調整傾角和方位角可以實現更多的波束指向，滿足不同覆蓋要求，實現靈活的組網。

覆蓋場景與選取規則：5G 基站廣播波束可以應用于不同場景的覆蓋，主要為廣覆蓋和室內場景，不同覆蓋場景波瓣設置情況見表1。

表1 不同建筑波束差異化設置方案

（1） 通常，配置可設置為默認，用于三扇區場景。

（2） 在水平方向覆蓋要求較高場景，采用水平波瓣最寬波束，遠點可有更好的增益，提升遠處覆蓋能力。

（3） 當小區邊緣受到干擾，建議略微降低水平波寬，降低水平覆蓋范圍，避免受擾。

（4） 對于獨立建筑物，建議采用水平波瓣較窄波束，垂直方向增益較高，此種情況不利于廣覆蓋場景，特別是道路覆蓋。

（5） 對于覆蓋目標建筑高度有差異，可采用不同的垂直波瓣寬度的場景進行配置[3]。

3 基于覆蓋場景的波束選擇方法

在優化過程中需要綜合考慮站高、站間距、用戶分布情況、覆蓋范圍、射頻模塊能力等各方面要素來確定覆蓋場景。

由圖4 所示，其中D 是基站到建筑物的水平距離；h 是天線高度；H 是建筑物高度；B 是建筑物面對基站側的寬度；b 是站點相對建筑物一側的映射距離；α 和β 分別是水平波寬和垂直波寬。

圖4 基站與建筑物模擬

通過簡單的三角函數運算可計算出大致的水平波寬和垂直波寬所應選取的范圍，再根據計算結果綜合選取設備所支持的最優一種模式[1]。

計算方法：

α=DEGREES(ATAN (h/D))+DEGREES(ATAN((H-h)/D))

β=DEGREES(ATAN(B/2/D))*2

E=-(DEGREES(ATA N((H-7-h)/D))-A/2)

F=E-6

注：E 為 總 傾 角，F為機械下傾角。

4 南京新街口區域Pattern 優化舉例

南京新街口位于南京中心區域?，F場無線環境見圖5。

圖5 南京新街口無線環境

選取4 個覆蓋不同場景的小區，建議選擇AAU的覆蓋場景為“SCENARIO_7”，對應的垂直波瓣角為12°，水平波瓣角為90°，再計算出總下傾角為16°，其中機械傾角10°，數字傾角6°。

計算過程及結果見表2[2]。以此類推，計算出其他小區波束場景覆蓋方案，波束調整后差異化參數設置見表3。華新大廈室外AAU-1 小區覆蓋金陵飯店亞太商務樓（無5G 室分覆蓋），波束覆蓋場景從“默認場景”調整成“SCENARIO_13”，室內CQT 測試，覆蓋電平平均提升4dB，樓層越高提升越明顯[5]。Pattern 優化后，調整區域5G 日均流量從3270GB 提升到3694GB，漲幅12.96%；5G 分流比從27.73%提升到29.12%，提升1.39%，提升明顯。優化完成后指標提升見圖6。

圖6 波束調優后5G 分流比變化

表2 波束計算表

表3 波束調整后設置表格

5 結論

本研究利用Massive MIMO 多維覆蓋的特點，根據水平和垂直下差異化覆蓋需求，采用不同組網場景下的廣播波束覆蓋，根據站高、站樓距、覆蓋范圍、射頻模塊能力等各方面要素綜合計算對Pattern 進行尋優，進一步提升SSB 覆蓋范圍，在當前5G 深度覆蓋未完善的條件下，通過Pattern 尋優，進一步擴大5G 覆蓋范圍，提升5G 網絡覆蓋能力，助力5G分流體持續提升，支撐5G 市場及業務發展。