5G Massive MIMO智能優(yōu)化方法研究

曾 偉，李 菲，劉 哲（.中國(guó)聯(lián)通北京市分公司，北京 00038；.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033）

0 引言

Massive MIMO 作為5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)集成大規(guī)模天線陣列實(shí)現(xiàn)了更多的收發(fā)通道，能夠成倍提升系統(tǒng)容量，并支持通過(guò)調(diào)整天線權(quán)值改變小區(qū)的水平和垂直面覆蓋，受到運(yùn)營(yíng)商的高度關(guān)注。5G Mas?sive MIMO 設(shè)備一般可支持多種典型覆蓋場(chǎng)景，不同類型的AAU 可選覆蓋場(chǎng)景范圍不同；支持?jǐn)?shù)字方位角和數(shù)字傾角可調(diào)，不同覆蓋場(chǎng)景的可調(diào)范圍不同；同時(shí)支持傳統(tǒng)RF 調(diào)整手段，在大規(guī)模部署Massive MI?MO 的情況下，單純依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行廣播信道覆蓋優(yōu)化對(duì)人員技能要求高，工作量較大且難以保證調(diào)整結(jié)果最優(yōu)，所以需要智能化的Massice MIMO 優(yōu)化方法。

1 Massive MIMO基本原理

Massive MIMO 主要使用2個(gè)技術(shù)來(lái)提升路測(cè)用戶吞吐率性能：下行波束賦形和場(chǎng)景化波束。

1.1 下行波束賦形

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)加權(quán)后，形成了指向UE 的窄帶波束，這就是波束賦形。NR 多天線下行各信道默認(rèn)支持波束賦形（BF），可以形成更窄的波束，精準(zhǔn)地指向用戶，提升覆蓋和性能。

Massive MIMO 波束賦形主要分為通道矯正、權(quán)值計(jì)算、加權(quán)、波束賦形4個(gè)流程。

1.1.1 通道校正

5G 是基于上下行互易性進(jìn)行信道估計(jì)，基于SRS上報(bào)來(lái)做信道H 矩陣的估計(jì)和計(jì)算權(quán)值，但如果射頻通道收發(fā)存在幅度和相位差，即不同的收發(fā)通道的幅度和相位也不同，上下行信道就不嚴(yán)格互易，需要使用通道校正技術(shù)來(lái)保證射頻收發(fā)通道的幅度和相位一致性：

a）使用通道校正算法，計(jì)算信號(hào)經(jīng)過(guò)各個(gè)發(fā)射通道和接收通道后產(chǎn)生的相位和幅度變化。

b）依據(jù)計(jì)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。

如果通道校正失敗以后，不做上下行幅度和相位的補(bǔ)償。

1.1.2 權(quán)值計(jì)算

當(dāng)前5G Massive MIMO 常用權(quán)值主要有SRS 權(quán)、PMI權(quán)和DFT權(quán)3種。MaMIMO權(quán)值分類如表1所示。

表1 MaMIMO權(quán)值分類

1.1.3 加權(quán)

加權(quán)是指gNodeB 將計(jì)算出的權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)流和解調(diào)信號(hào)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。加權(quán)的過(guò)程如下。

假設(shè)天線通道序列為i，信道輸入信號(hào)為x（i），通過(guò)信道H 時(shí)引入的噪聲為N，信道輸出時(shí)信號(hào)為y（i），則：

加權(quán)就是對(duì)信號(hào)x（i）乘以一個(gè)復(fù)向量w（i），達(dá)到改變輸出信號(hào)y（i）的幅度和相位的目的，表示為：

如果W加權(quán)錯(cuò)誤或者沒(méi)有加權(quán)會(huì)導(dǎo)致UE 側(cè)空口解調(diào)性能下降，影響吞吐率。

1.1.4 賦形

賦形應(yīng)用了波的干涉疊加原理，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(shí)，波束形狀、能量強(qiáng)弱位置是固定的，對(duì)于疊加減弱點(diǎn)用戶，如果處于小區(qū)邊緣，信號(hào)強(qiáng)度低。使用BF 后，通過(guò)對(duì)信號(hào)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，使主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶，信號(hào)強(qiáng)度提高。

基于SRS加權(quán)或PMI權(quán)獲得的波束一般稱為動(dòng)態(tài)波束，而控制信道和廣播信道則采用預(yù)定義的權(quán)值（DFT 權(quán)）生成離散的靜態(tài)波束。波束賦形如圖1 所示。

圖1 波束賦形

1.2 場(chǎng)景化波束

通過(guò)不同的場(chǎng)景化波束設(shè)置，改變用戶SSB RSRP覆蓋，減少小區(qū)間乒乓切換，從而改善用戶的吞吐率。

5G Massive MIMO 天線的一個(gè)顯著特征是可以通過(guò)調(diào)整權(quán)值改變廣播波束的水平波寬、垂直波寬、方向角和下傾角，不同AAU 所支持的波束場(chǎng)景及傾角/方位角可調(diào)范圍存在差異。以華為AAU5613為例，產(chǎn)品支持的波束場(chǎng)景及可調(diào)范圍如表2所示。

通過(guò)設(shè)備廠家產(chǎn)品提供的天線文件，可以計(jì)算出在不同覆蓋場(chǎng)景、數(shù)字方位角和數(shù)字傾角下，Massive MIMO AAU 在空間各個(gè)角度上的天線增益，提供給智能優(yōu)化用于Pattern尋優(yōu)。

1.2.1 MM權(quán)值優(yōu)化基本流程

在方案初期，建議分2 步走，即先完成MM 權(quán)值優(yōu)化，然后再針對(duì)剩余問(wèn)題進(jìn)行RF 優(yōu)化。優(yōu)化流程如圖2所示。

在方案后期，將整合MM 權(quán)值優(yōu)化和RF 優(yōu)化，各參數(shù)的優(yōu)化將按下面的順序進(jìn)行尋優(yōu)。后期MM 優(yōu)化步驟如圖3所示。

表2 AAU5613波束場(chǎng)景和可調(diào)范圍（°）

圖2 初期MM優(yōu)化步驟

圖3 后期MM優(yōu)化步驟

a）優(yōu)先調(diào)整權(quán)值下傾和波束權(quán)值，避免上站。

b）波束權(quán)值的調(diào)整對(duì)覆蓋范圍改變較大，如果能通過(guò)權(quán)值下傾解決問(wèn)題，就優(yōu)先采用。

c）權(quán)值調(diào)整后，如還存在覆蓋問(wèn)題，則繼續(xù)調(diào)整方位角。

d）由于方位角調(diào)整會(huì)改變覆蓋區(qū)域，因此需要再次進(jìn)行下傾角的調(diào)整，優(yōu)先權(quán)值下傾，如果需要大幅度調(diào)整下傾角時(shí)，再選擇機(jī)械下傾。

1.2.2 MM權(quán)值優(yōu)化基本原則

在路測(cè)優(yōu)化場(chǎng)景下的權(quán)值優(yōu)化方法可參考以下原則進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)整權(quán)值場(chǎng)景，就是調(diào)整MM 小區(qū)的水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度。用戶可根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)的情況配置自己的覆蓋場(chǎng)景。

通過(guò)參數(shù)NRDUCellTrpBeam.CoverageScenario 可以配置覆蓋場(chǎng)景。配置建議：

一般情況下，推薦配置為場(chǎng)景DEFAULT，適合典型三扇區(qū)組網(wǎng)。

當(dāng)水平覆蓋要求比較高時(shí)，推薦配置為場(chǎng)景SCE?NARIO_1、SCENARIO_6、SCENARIO_12，遠(yuǎn)點(diǎn)可以獲得更高的波束增益，提升遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋。

當(dāng)小區(qū)邊緣存在固定干擾源時(shí)，可以考慮場(chǎng)景SCENARIO_2、SCENARIO_3、SCENARIO_7、SCENAR?IO_8、SCENARIO_13，縮小水平覆蓋范圍，避開(kāi)干擾。

當(dāng)只有孤立的建筑時(shí)，推薦配置為場(chǎng)景SCENAR?IO_4、SCENARIO_5、SCENARIO_9、SCENARIO_10、SCENARIO_11、SCENARIO_14、SCENARIO_15、SCE?NARIO_16，可以獲得水平面覆蓋較小，不適合連續(xù)組網(wǎng)。

當(dāng)只有低層樓宇時(shí)，可以從場(chǎng)景SCENARIO_1～SCENARIO_5中選擇。

當(dāng)存在中層樓宇時(shí)，可以從場(chǎng)景SCENARIO_6～SCENARIO_11中選擇。

當(dāng)存在高層樓宇時(shí)，可以從場(chǎng)景SCENARIO_12～SCENARIO_16中選擇。

2 Massive MIMO智能優(yōu)化方案

2.1 MassiveMIMO優(yōu)化目標(biāo)

5G 覆蓋干擾優(yōu)化需同時(shí)考慮SSB 和CSI-RS 的優(yōu)化。其中SSB 在空閑態(tài)和連接態(tài)都發(fā)送，SSB RSRP 和SINR 反映廣播信道的質(zhì)量，影響5G 終端的初始接入和切換性能，決定小區(qū)在路面及整網(wǎng)的覆蓋范圍；CSI-RS 僅在連接態(tài)發(fā)送，CSI-RS RSRP 和SINR 反映業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量，影響5G 終端的MCS 選階、調(diào)制方式、RANK 等，決定實(shí)際的用戶體驗(yàn)速率。SSB 和CSIRS 均對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)有著顯著影響，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)SSB 和CSI-RS 信道的評(píng)估和優(yōu)化。

當(dāng)前受產(chǎn)業(yè)鏈限制，商用終端暫不支持CSI-RS RSRP 和SINR 的測(cè)量。同時(shí)，在5G 商用前，路測(cè)終端CSI-RS 不存在鄰區(qū)干擾（CSI-RS SINR＞30 dB），因此現(xiàn)階段Massive MIMO 覆蓋優(yōu)化以降低SSB 質(zhì)差路段占比為主，保證5G 連續(xù)覆蓋，減少掉線以及不必要的切換。

2.2 MassiveMIMO優(yōu)化手段

5G網(wǎng)絡(luò)的室外站型主要為Massive MIMO，相比傳統(tǒng)站型，5G Massive MIMO 廣播信道采取窄波束輪詢發(fā)射方式，天線增益較傳統(tǒng)天線大幅提升，同時(shí)支持廣播信道外包絡(luò)Pattern 多維調(diào)整，包括覆蓋場(chǎng)景（控制水平波束寬度和垂直波束寬度）、數(shù)字方位角和數(shù)字下傾角，單個(gè)Massive MIMO AAU 設(shè)備（以64T 為例）支持的廣播信道波束形態(tài)多達(dá)上萬(wàn)種。加上傳統(tǒng)手段，當(dāng)前Massive MIMO 產(chǎn)品常用的RF 優(yōu)化手段有7種，如表3所示。

表3 Massive MIMO產(chǎn)品常用的RF優(yōu)化手段

2.3 Massive MIMO優(yōu)化原則

DT 場(chǎng)景下，常見(jiàn)的覆蓋問(wèn)題主要包括弱覆蓋、重疊覆蓋和越區(qū)覆蓋，覆蓋優(yōu)化的主要原則如下。

a）先主后次原則：優(yōu)先解決面的問(wèn)題，再解決點(diǎn)的問(wèn)題，由主及次。

b）成本優(yōu)先原則：從成本和效率方面考慮，應(yīng)減少不必要的天饋機(jī)械參數(shù)調(diào)整，優(yōu)先考慮通過(guò)調(diào)整Pattern及電子傾角等參數(shù)解決覆蓋問(wèn)題。

c）預(yù)期明確原則：對(duì)優(yōu)化方案預(yù)期達(dá)到的效果和可能產(chǎn)生的影響要有清楚的認(rèn)識(shí)，盡量借助工具進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證。

d）測(cè)試驗(yàn)證原則：所有的RF 調(diào)整方案要及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)驗(yàn)證，由于RF 調(diào)整結(jié)果的不確定性較高，條件允許的情況下，調(diào)整與測(cè)試可同時(shí)進(jìn)行。

e）問(wèn)題收斂原則：RF 優(yōu)化過(guò)程中，要避免解決一個(gè)問(wèn)題又引入新的問(wèn)題。對(duì)于優(yōu)化動(dòng)作的影響要進(jìn)行仔細(xì)的評(píng)估，確保覆蓋問(wèn)題的數(shù)量是收斂的。

f）瞄準(zhǔn)GAP 原則：RF 優(yōu)化過(guò)程中，除了關(guān)注覆蓋問(wèn)題外，還要兼顧對(duì)速率的影響，優(yōu)化時(shí)如果二者出現(xiàn)矛盾，應(yīng)瞄準(zhǔn)整體優(yōu)化目標(biāo)GAP，確定覆蓋或速率優(yōu)先方案。

2.4 Massive MIMO智能優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

Massive MIMO 智能優(yōu)化能夠基于DT 數(shù)據(jù)和設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)SSB 弱覆蓋、SINR 質(zhì)差和重疊覆蓋路段進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)Pattern 和RF 參數(shù)迭代尋優(yōu)提升道路覆蓋。MaMIMO自動(dòng)尋優(yōu)方案如圖4所示。

MaMIMO 智能優(yōu)化的核心功能包括網(wǎng)絡(luò)評(píng)估和迭代尋優(yōu)。

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)評(píng)估

圖4 MaMIMO自動(dòng)尋優(yōu)方案思路

a）路損建模：采用5 m精度對(duì)DT數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，建立柵格的路損模型（見(jiàn)圖5）。

圖5 路損建模示意圖

b）基于設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行問(wèn)題柵格識(shí)別，包括弱覆蓋柵格、重疊覆蓋柵格和SINR質(zhì)差柵格。

c）根據(jù)問(wèn)題柵格的類型和分布將其匯聚為小的polygon并自動(dòng)生成polygon 邊界。

2.4.2 迭代尋優(yōu)

Massive 智能優(yōu)化針對(duì)覆蓋尋優(yōu)的調(diào)整優(yōu)先級(jí)為：波束場(chǎng)景＞數(shù)字傾角＞數(shù)字方位角＞機(jī)械傾角＞機(jī)械方位角，迭代尋優(yōu)流程如圖6所示。

圖6 迭代尋優(yōu)流程圖

智能優(yōu)化基于SSB波束的分布，判斷水平波寬、數(shù)字方位角和方位角的調(diào)整方向，基于問(wèn)題類型（弱覆蓋、重疊覆蓋、越區(qū)覆蓋），判斷垂直波寬、數(shù)字傾角和機(jī)械傾角的調(diào)整方向，按照Pattern 和RF 參數(shù)設(shè)定的調(diào)整步長(zhǎng)進(jìn)行覆蓋尋優(yōu)。智能優(yōu)化根據(jù)路損矩陣和天線文件計(jì)算出調(diào)整后polygon SBB RSRP、SSB SINR和重疊覆蓋的變化情況，結(jié)合設(shè)定的權(quán)重計(jì)算出優(yōu)化目標(biāo)的滿足度Fitness。

對(duì)比尋優(yōu)前后的Fitness，即可得出預(yù)期增益值。

經(jīng)過(guò)多輪迭代后，可得出預(yù)期增益最大的一組Pattern和RF參數(shù)調(diào)整建議。

3 典型優(yōu)化案例

下面針對(duì)北郵5G精品路線，分別按照覆蓋最優(yōu)和速率最優(yōu)2種方案進(jìn)行尋優(yōu)。

本次通過(guò)智能優(yōu)化平臺(tái)對(duì)北郵精品路線沿線6個(gè)站點(diǎn)，共16 個(gè)小區(qū)進(jìn)行Pattern 尋優(yōu)，2 種方案Pattern調(diào)整和效果對(duì)比情況詳見(jiàn)表4。

表4 北郵精品路線MaMIMO速率最優(yōu)和覆蓋最優(yōu)尋優(yōu)結(jié)果

分別按2 種尋優(yōu)方式調(diào)整后的測(cè)試結(jié)果、對(duì)比詳見(jiàn)表5和圖7、8、9。

對(duì)比上述的覆蓋最優(yōu)和速率最優(yōu)2 種方案結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)速率最優(yōu)方案的測(cè)試速率提升10%左右，覆蓋最優(yōu)方案平均RSRP提升5 dBm左右。在NR和LTE建站比例1∶1 連續(xù)覆蓋的場(chǎng)景下，建議采取速率優(yōu)先的方案，控制NR 小區(qū)的重疊覆蓋，重點(diǎn)提升用戶速率感知。

表5 北郵精品路線MaMIMO自動(dòng)尋優(yōu)測(cè)試結(jié)果

4 總結(jié)

圖7 北郵精品路線MaMIMO尋優(yōu)方案結(jié)果對(duì)比分布圖

圖8 北郵精品路線MaMIMO尋優(yōu)方案結(jié)果PDF對(duì)比分布圖

圖9 北郵精品路線MaMIMO尋優(yōu)方案結(jié)果CDF對(duì)比分布圖

在5G 建網(wǎng)初期，主要根據(jù)路測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋優(yōu)化，5G 智能優(yōu)化工具結(jié)合站點(diǎn)工參、電子地圖、DT 測(cè)試數(shù)據(jù)、天線文件等數(shù)據(jù)，按照最優(yōu)搜索算法給出Massive MIMO 小區(qū)廣播波束最優(yōu)Pattern 和RF 參數(shù)建議，可以顯著提升Massive MIMO 優(yōu)化效率，降低上站調(diào)整率，提升5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平。RF優(yōu)化過(guò)程中，除了關(guān)注覆蓋問(wèn)題外，還要兼顧對(duì)速率的影響，優(yōu)化時(shí)如果二者出現(xiàn)矛盾，應(yīng)瞄準(zhǔn)整體優(yōu)化目標(biāo)GAP，確定覆蓋或速率優(yōu)先方案。