基于場景的5G Pattern選型優(yōu)化研究

陳志強(qiáng)，李 凌（.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033；.中國聯(lián)通上海分公司，上海 00080）

1 概述

2020年，5G建設(shè)繼續(xù)如火如荼，尤其在城市區(qū)域，深度覆蓋作為5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化的重要組成部分，一直備受業(yè)界關(guān)注。為了獲取更多帶寬，室內(nèi)5G 引入了更高的頻段C-Band 和毫米波，更高的頻率意味著更大的傳輸及穿透損耗，采用傳統(tǒng)的4G建網(wǎng)方式可能導(dǎo)致室內(nèi)覆蓋不足。另外，傳統(tǒng)室分的多數(shù)無源器件無法支持3.5 GHz 以上高頻段，即使是支持3.5 GHz的饋線，也會帶來更多的損耗，產(chǎn)生更大成本。

因此，如何針對居民區(qū)、樓宇等場景，提升5G網(wǎng)絡(luò)用戶感知，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化效率大幅度提升以及提升用戶感知，是目前5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的難點(diǎn)與要點(diǎn)。

2 Massive MIMO技術(shù)

2.1 Massive MIMO技術(shù)簡介

5G 商用化已經(jīng)開啟，工信部已經(jīng)確立了5G 中頻頻段為3.3～3.6 GHz、4.8～5 GHz，但國際主流頻段為28 GHz，同時由于中低頻段資源有限，因此大部分5G 網(wǎng)絡(luò)將部署在高頻頻段，而5G的一項關(guān)鍵性技術(shù)——大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）的出現(xiàn)，可以解決5G當(dāng)前所面臨的問題，譬如高啟的建設(shè)成本。

通過Massive MIMO 可以獲得如下增益。

a）陣列增益：通過相干合并，能有效提高處理后SNR的均值（前提：需要已知信道信息）。

b）空間分集增益：把數(shù)據(jù)重復(fù)發(fā)送多次以提高傳輸可靠性，減小信噪比的相對波動。

c）空間復(fù)用增益：利用空間信道衰落的獨(dú)立性，通過同時傳輸多個數(shù)據(jù)流以提升傳輸速率。

d）干擾抑制增益：利用干擾信號的空間有色性，通過提升處理后信干噪比對干擾進(jìn)行抑制。

2.2 Massive MIMO的波束賦形

Massive MIMO 技術(shù)為5G 網(wǎng)絡(luò)帶來巨大增益，同時Massive MIMO 天線的波束賦形（BF——Beamforming）功能在為小區(qū)用戶發(fā)射數(shù)據(jù)時，可以通過調(diào)整天線的波寬，以及上、下、左、右的方向，實(shí)現(xiàn)三維的精準(zhǔn)波束賦形，使輻射出去的能量集中于用戶所在的方向，而不是均勻地分布在整個小區(qū)的范圍，這樣用戶能夠感受到更高的能量，可以獲得更高的SINR，相應(yīng)地數(shù)據(jù)傳輸速率也能獲得提高。BF 對發(fā)送信號進(jìn)行加權(quán)，形成指向UE 的窄帶波束。NR Sub6G 多天線下行各信道默認(rèn)支持波束賦形，可以形成更窄的波束，精準(zhǔn)地指向用戶，提升覆蓋性能。

下行波束賦型的流程如圖1所示，包括通道校正、權(quán)值計算、加權(quán)、賦形4個步驟。

圖1 波束賦形流程

a）通道校正。射頻收發(fā)通道之間存在幅度和相位差，而且不同收發(fā)通道的幅度和相位差也不同，所以上下行信道并不是嚴(yán)格互易的，需要使用通道校正技術(shù)來保證射頻收發(fā)通道幅度和相位的一致性。

（a）通讀校正的基本過程：計算信號經(jīng)過各個發(fā)射通道和接收通道后產(chǎn)生的相位和幅度變化；依據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，使每組收發(fā)通道都滿足互易性條件。

（b）通道校正的觸發(fā)條件：小區(qū)重建、通道恢復(fù)、周期觸發(fā)等。

（c）通道校正失敗的主要原因：硬件故障、配置錯誤（如功率配置過?。?、外部干擾等

b）權(quán)值計算（見圖2）。gNodeB 基于下行信道特征計算出一個向量，用于改變波束的形狀和方向。包括控制信道（SSB/PDCCH/CSIRS）DFT靜態(tài)權(quán)值計算和PDSCH 動態(tài)權(quán)值計算。其中控制信道DFT 靜態(tài)權(quán)值計算方法為：預(yù)定義、靜態(tài)不變權(quán)值或從權(quán)值文件獲取。PDSCH 動態(tài)權(quán)值計算，有2 種方法：SRS 權(quán)：gNodeB 通過獲取UE 上行信道的SRS 信號，根據(jù)互易原理計算出對應(yīng)下行信道的特征，一般中、近點(diǎn)使用SRS權(quán)；PMI 權(quán)：gNodeB 基于UE 上行反饋的PMI（Precode Matrix Indication）選擇最佳的權(quán)值，一般遠(yuǎn)點(diǎn)使用PMI權(quán)。

圖2 權(quán)值計算流程

c）加權(quán)。gNodeB計算出權(quán)值后，將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)流和解調(diào)信號DM-RS）進(jìn)行矢量相加，從而達(dá)到調(diào)整波束的寬度和方向的目的，過程如下。

（a）假設(shè)天線通道序列為i，信道輸入信號為x(i)，通過信道H時引入的噪聲為N，信道輸出的信號為y()i，則：y(i)=Hx(i)+N。

（b）加權(quán)就是對信號x(i)乘以一個復(fù)向量w(i)，達(dá)到改變輸出信號y(i)的幅度和相位的目的，表示為：y(i)=Hw(i)x(i)+N。

d）賦形。賦形應(yīng)用了干涉原理，波峰與波峰相遇的位置疊加增強(qiáng)，波峰與波谷相遇的位置疊加減弱。未使用BF時，波束形狀、能量強(qiáng)弱位置是固定的，對于疊加減弱點(diǎn)用戶，如果處于小區(qū)邊緣，信號強(qiáng)度低；使用BF 后，通過對信號加權(quán)，調(diào)整各天線陣子的發(fā)射功率和相位，改變波束形狀從而使主瓣對準(zhǔn)用戶，信號強(qiáng)度提高?；赟RS權(quán)或PMI權(quán)獲得的波束一般稱為動態(tài)波束，控制信道和廣播信道則采用預(yù)定義的權(quán)值生成離散的靜態(tài)波束。

2.3 5G Pattern

Massive MIMO 技術(shù)伴隨5G 帶來更高的速率、容量的同時，也要面臨更多的參數(shù)需要配置。首先介紹下pattern 的概念，Massive MIMO 天線可以調(diào)整的參數(shù)有水平波寬、垂直波寬等，這些參數(shù)的一種組合就是一個Pattern，Massive MIMO 中的天線陣子都是通過一組Pattern來進(jìn)行配置。從3G、4G到5G，Pattern中可調(diào)整的參數(shù)是不斷增加的。

a）3G 場景中，一個Pattern=水平波寬+垂直波寬的參數(shù)組合。

b）4G 場景中，一個Pattern=水平波寬+垂直波寬+下傾角的參數(shù)組合。

c）5G 場景中，一個Pattern=水平波寬+垂直波寬+下傾角+水平角的參數(shù)組合。

3 基于pattern模式的5G深度覆蓋優(yōu)化思路

3.1 因地制宜選擇Pattern模式

網(wǎng)絡(luò)場景的多樣性，決定了覆蓋Pattern 的多樣性，Pattern 有多種廣播波束支持不同場景覆蓋。需要根據(jù)覆蓋場景，合理規(guī)劃方位角、垂直波寬，選擇出適合具體覆蓋場景的Pattern模式。

比如對于大的廣場覆蓋選用水平波束寬的Pattern，對于高層樓宇的覆蓋要考慮垂直波束寬的Pattern 等。所以依據(jù)不同的覆蓋場景，要綜合考慮水平波束寬度和垂直波束寬度，選用合適的Pattern 來覆蓋，才能達(dá)到預(yù)期的覆蓋效果，確保用戶的感知。

圖3給出了四大場景波束模式選擇示意。

3.2 基于場景進(jìn)行Azimuth和垂直波寬規(guī)劃

為了確保用戶感知，需聯(lián)合考慮水平垂直角度配置，才能起到更好的覆蓋效果。

a）場景化Azimuth 規(guī)劃。方位指向話務(wù)/用戶熱點(diǎn)，確保用戶感知（見圖4）。

圖3 四大場景波束模式選擇

圖4 場景化Azimuth規(guī)劃

b）場景化垂直波寬規(guī)劃。需要綜合考慮天線掛高、樓高和距離，規(guī)劃合理的垂直波寬（見圖5）。確保話務(wù)和用戶在垂直波束上的分布均衡，才能起到更好的覆蓋效果。

圖5 場景化垂直波寬規(guī)劃

4 5G Pattern優(yōu)化與驗(yàn)證過程

4.1 Pattern選型驗(yàn)證思路

針對樓宇深度覆蓋場景，驗(yàn)證Pattern 選型思路如下。

a）主要驗(yàn)證不同垂直波束下的覆蓋效果，遍歷3種垂直波束（V6、V12、V25）進(jìn)行驗(yàn)證。

b）考慮不同水平波速對水平覆蓋和性能均有影響，選取寬波束H110和H65進(jìn)行比較驗(yàn)證。

本次驗(yàn)證6 組Pattern 參數(shù)（S0、S3、S6、S8、S12、S13），具體如表1 所示。水平波束寬度有65°、105°、110°；垂直波束寬度有6°、12°、25°等。

6 組Pattern 的天線方向圖如圖6 所示。從圖6 可以看出，不同Pattern 下的天線方向圖有明顯的差異，這是同一位置不同Pattern 下能體現(xiàn)出來不同的覆蓋效果的根本原因。

4.2 樓宇深度覆蓋效果驗(yàn)證

測試方法要點(diǎn)如下。

a）采用手持PHU，鎖定室外主服錨點(diǎn)小區(qū)，從室外門口向室內(nèi)深處至5G覆蓋邊緣。

表1 6組Pattern參數(shù)配置

b）針對有4G 無5G 的室分場景，臨時添加4G 室分為錨點(diǎn)，以保持5G信號在室內(nèi)的穩(wěn)定性。

共選取了7個測試點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)測試。

4.2.1 居民區(qū)/高層/板樓場景——香榭麗花園

場景描述：香榭麗花園小區(qū)為16 層板樓，中高層淺層覆蓋較優(yōu)，對于低層及電梯建議建設(shè)室分。

圖6 6組Pattern波束覆蓋效果示意圖

整體測試結(jié)論：高層密集居民區(qū)推薦使用S12、S13，整體性能排序：S13＞S12＞S8＞S6＞S0。

分層測試結(jié)論（按高、中、低層抽樣測試）：

a）低層：S12最優(yōu)，其次S8＞S13＞S6＞S0。

b）中層：S13最優(yōu)，其次S12＞S8＞S6＞S0。

c）高層：S13最優(yōu)，其次S12＞S8＞S6＞S0。

4.2.2 居民區(qū)/高層/塔樓場景——繁榮昌盛

場景描述：繁榮昌盛小區(qū)為26層塔樓，樓高站高，中高層信號較好，對于低層和電梯建議建設(shè)室分。

整體測試結(jié)論：高層密集居民區(qū)推薦使用S13、S12；整體測試性能排序：S12＞S13＞S6＞S8＞S0。

分層測試結(jié)論：

a）低層：S12最優(yōu)，其次S6＞S13＞S8＞S0。

b）中層：S12最優(yōu)，其次S13＞S6＞S8＞S0。

c）高層：S12最優(yōu)，其次S13＞S6＞S0＞S8。

4.2.3 居民區(qū)/中層/板樓場景——盛世年華

場景描述：盛世年華小區(qū)為11 層板樓，高層信號好，對于電梯建議室分覆蓋。

整體測試結(jié)論：中層居民區(qū)推薦使用S6，整體測試性能排序：S6＞S8＞S12＞S13＞S0。

分層測試結(jié)論：

a）低層：S6最優(yōu)，其次S8＞S12＞S13＞S0。

b）中層：S6最優(yōu)，其次S12＞S8＞S13＞S0。

c）高層：S6最優(yōu)，其次S8＞S12＞S13＞S0。

4.2.4 居民區(qū)/低層場景——滬東新村

場景描述：滬東新村小區(qū)為6層老式樓房，樓低站高（樓高19 m，樓頂站84）。

整體測試結(jié)論：低層密集居民區(qū)或廠房推薦使用S6。整體性能排序：S6＞S8＞S12＞S13＞S0。

分層測試結(jié)論：

a）低層：S6最優(yōu)，其次S8＞S12＞S13＞S0。

b）中層：S6最優(yōu)，其次S8＞S13＞S12＞S0。

4.2.5 居民區(qū)/低層/別墅場景——東源麗晶別墅

場景描述：東源麗晶別墅為3 層別墅，樓低站高（樓高9.27 m，樓頂站53）。

整體測試結(jié)論：對于非密集別墅居民區(qū)建議使用S6或S3。整體測試性能排序：S6＞S3＞S8＞S0。

分層測試結(jié)論：

a）淺層（窗戶）：S6最優(yōu)，其次S3＞S8＞S0。

b）深層（室內(nèi)）：S3最優(yōu)，其次S6＞S8＞S0。

4.2.6 高層/酒店場景——湯臣洲際酒店

場景描述：湯臣洲際酒店為24 層塔樓，室外信號僅能覆蓋淺層，深度覆蓋建議建設(shè)室分。

整體測試結(jié)論：裙樓加高層密集樓宇推薦使用S12或S13，整體性能排序：S12＞S13＞S8＞S6＞S0。

分層測試結(jié)論：

a）低層：S12最優(yōu)，其次S8＞S13＞S6＞S0。

b）中層：S12最優(yōu)，其次S8＞S13＞S6＞S0。

c）高層：S12最優(yōu)，其次S13＞S6＞S8＞S0。

4.2.7 中層/商場場景——八佰伴

場景描述：八佰伴商場為10層商場，樓低站高（樓高31 m，樓頂站85），室外信號僅能覆蓋低層淺層區(qū)域，深度覆蓋建議室分覆蓋。

整體測試結(jié)論：密集中層樓寬場景淺層覆蓋推薦使用S6，深度覆蓋建議建設(shè)室分。

分層測試結(jié)論：

a）淺層（入口處）：S6最優(yōu)，其次S0；

b）深層（內(nèi)部餐飲區(qū)）：S6最優(yōu)，其次S0；

4.3 七大場景優(yōu)選Pattern

根據(jù)測試結(jié)果，針對七大樓宇場景，配置不同Pattern 參數(shù)下，以RSRP 值為主，參考SINR 和Thoughput指標(biāo)進(jìn)行比較，給出如表2所示建議。

5 結(jié)論與展望

本文結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)際，對5G 深度覆蓋場景采用不同的Pattern 選型進(jìn)行分析測試。驗(yàn)證了七大場景、31 個Pattern 模式，依據(jù)對比驗(yàn)證結(jié)果，最終成功梳理出不同樓宇深度覆蓋場景下的Pattern 選型建議，總結(jié)輸出七大場景的Pattern 優(yōu)選模式，有效指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋優(yōu)化工作，在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時，改善用戶感知。

表2 七大場景Pattern選型建議