5G多場景波束優(yōu)化研究

0 前言

2019 年中國工信部正式向移動、聯(lián)通、電信以及中國廣電發(fā)放5G 商用牌照，5G 網(wǎng)絡(luò)在中國正掀起快速建設(shè)狂潮，同時全球各國也非常重視5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)商用，5G建設(shè)成為國家建設(shè)信息大國的重要舉措。國際電信聯(lián)盟ITU 確定了5G 未來三大應(yīng)用場景：增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠與低延遲的通信（uRLLC）和大規(guī)模（海量）機器類通信（mMTC）。其中eMBB 側(cè)重于移動通信，uRLLC 和mMTC 側(cè)重于物聯(lián)網(wǎng)。目前5G 網(wǎng)絡(luò)處于建設(shè)發(fā)展初級階段，5G 業(yè)務(wù)應(yīng)用主要為eMBB類，目前5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化主要關(guān)注提升覆蓋和速率。

Massive MIMO 相對傳統(tǒng)的MIMO 技術(shù)，引入了垂直維度的空域利用，同時實現(xiàn)了在水平和垂直2 個維度的電磁波覆蓋，所以Massive MIMO 也稱為3D-MIMO。Massive MIMO 帶來了功率增益、陣列增益、分集增益三大多天線增益。Massive MIMO 天線陣列中布有大量天線陣子，能夠生成高增益、可調(diào)節(jié)的窄波束，不僅能提升小區(qū)的吞吐率，還能降低周邊基站的干擾，即波束賦形。隨著5G 建設(shè)速度加快，基站密度逐漸加大，5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化逐漸成為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員的首要優(yōu)化目標(biāo)，波束優(yōu)化將成為新的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化手段。

1 波束優(yōu)化技術(shù)原理及應(yīng)用

1.1 波束賦形實現(xiàn)原理

波束賦形（BF——Beamforming）是下行多天線技術(shù)之一，指基站對多天線加權(quán)后發(fā)送信號，形成窄的發(fā)射波束，將能量對準(zhǔn)目標(biāo)用戶。與傳統(tǒng)LTE 寬波束相比，BF主要有以下2個方面優(yōu)勢：

a）形成窄的發(fā)射波束，將能量對準(zhǔn)目標(biāo)用戶，提高用戶的信號強度。

b）波束對準(zhǔn)實時移動的用戶，提升用戶（特別是小區(qū)邊緣用戶）的信噪比。

BF 主要運用了信號傳播的空間相關(guān)性及電磁波的干涉原理，從而調(diào)整波束的寬度和方向（見圖1）。

圖1 波束賦形干涉原理示意圖

圖1 中弧線表示載波的波峰，波峰與波峰相遇位置疊加增強，波峰與波谷相遇位置疊加減弱。

a）未使用BF 時，波束形狀、能量強弱位置是固定的，對于疊加減弱點用戶，如果處于小區(qū)邊緣，信號強度低。

b）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，使主瓣對準(zhǔn)用戶，提高信號強度。

簡言之，BF 通過加權(quán)形成定向窄波束，集中接收能量。接收方享有分集增益，通道數(shù)越多，分集增益越大。其加權(quán)方式采用基帶將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)進行矢量相加，實現(xiàn)信號幅度和相位的改變。

圖2 為波束加權(quán)計算示意圖，設(shè)H是信道，w（i）是權(quán)值，x（i）是輸入信號，N是噪聲，則輸出信號為：

圖2 波束加權(quán)計算示意圖

BF 權(quán)值的計算采用基站基于下行信道特征計算得到的權(quán)值向量，用于改變波束形狀和方向。BF權(quán)值主要有控制信道靜態(tài)權(quán)值和數(shù)據(jù)信道動態(tài)權(quán)值，數(shù)據(jù)信道動態(tài)權(quán)值由SRS權(quán)和PMI權(quán)2個部分組成。

SRS 權(quán)：一般中、近點使用SRS 權(quán)，獲取UE 上行SRS信號，根據(jù)互易原理計算出對應(yīng)下行信道特征。

PMI 權(quán)：一般遠(yuǎn)點使用PMI 權(quán)，基于UE 上行反饋的PMI選擇最佳權(quán)值。

1.2 波束賦形實現(xiàn)流程

BF 的完整實現(xiàn)流程包括數(shù)據(jù)流處理流程和Beamforming流程2個環(huán)節(jié)。

1.2.1 數(shù)據(jù)流處理流程

圖3給出了數(shù)據(jù)流處理流程。

a）碼字：對應(yīng)Transport Block，即物理層需要傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)塊。支持在同一塊資源同時傳輸2個相對獨立的codeword。

b）層映射：編碼數(shù)據(jù)流和空間復(fù)用數(shù)據(jù)流層數(shù)通過層映射過程建立起對應(yīng)關(guān)系?？臻g復(fù)用最大層數(shù)≤min（發(fā)射天線數(shù)，接收天線數(shù)）。

c）預(yù)編碼：將天線域的處理轉(zhuǎn)換為波束域進行處理（利用已知的空間信道信息，即加權(quán)）。

1.2.2 Beamforming流程

圖3 數(shù)據(jù)流處理流程

波束賦形流程主要包括如下4個步驟。

a）通道校正：保證收發(fā)通道的互易性和通道間的一致性。

b）權(quán)值計算：gNodeB 基于下行信道特征計算得到一個權(quán)值向量，用于改變波束的形狀和方向。

c）加權(quán)：在基帶將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)進行矢量相加，實現(xiàn)信號幅度和相位的改變。

d）賦形：應(yīng)用干涉原理，調(diào)整波束的寬度和方向。

1.3 波束優(yōu)化作用

1.3.1 提升覆蓋

波束賦形通過形成窄的發(fā)射波束，將能量對準(zhǔn)目標(biāo)用戶，提升用戶的信號強度。在各類場景中，基于場景的建筑特性及用戶的行為習(xí)慣，使用不同的波束，可有效提高各種場景下的5G覆蓋率，如：

a）廣場場景：近點可使用寬波束保證用戶的接入，遠(yuǎn)點則使用窄波束，盡量提升覆蓋。

b）高樓場景：由于樓層比較多，用戶分散在各樓層中，可使用垂直面比較寬的波束，可有效提升垂直覆蓋范圍，保證全量用戶都在覆蓋范圍內(nèi)。

c）商業(yè)區(qū)場景：一般來說這類區(qū)域既有廣場又有高樓，要想同時保持各處的覆蓋能力，需要同時兼顧水平方向及垂直方向的覆蓋，基于此，當(dāng)我們采用水平、垂直覆蓋角度都比較大的波束可同時滿足該類場景的覆蓋需求。

1.3.2 降低干擾

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，考慮到用戶的移動性及分散性，為了保證全量用戶的有效接入，天饋往往是全向覆蓋。但是在部分信號源較多且雜的場景中，如城中村場景，同頻信號間的干擾往往會導(dǎo)致信號質(zhì)量的下降，極大影響用戶端感知?；诖耍?G 運用波束賦形技術(shù)，在小區(qū)間干擾較為嚴(yán)重的區(qū)域，使用水平掃描范圍相對窄的波束，將波束實時對準(zhǔn)用戶，減少與相鄰信號的接觸，避免強干擾源，提升用戶（尤其是小區(qū)邊緣用戶）的SINR（信號干擾噪聲比）。

1.3.3 提高速率

運用5G 波束賦形技術(shù)，提升5G 覆蓋和降低小區(qū)間干擾后，使用戶使用的5G 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更好，從而達(dá)到提高速率的效果。另一方面5G 波束優(yōu)化可以發(fā)射窄波束，采用窄波束輪詢掃描覆蓋整個小區(qū)的機制，精準(zhǔn)定位用戶位置，可將能量對準(zhǔn)目標(biāo)用戶發(fā)射，用戶收到的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更加集中，從而有效增加用戶端的感知速率。

2 波束優(yōu)化管理

2.1 波束優(yōu)化場景分類

波束管理主要包含小區(qū)級波束管理和用戶級波束管理，小區(qū)級波束管理是波束賦形時采用預(yù)定義的權(quán)值，即小區(qū)下會形成固定的波束，比如波束的數(shù)目、寬度、方向等都是確定的；而用戶級波束管理是波束賦形時的權(quán)值是根據(jù)用戶信道質(zhì)量計算得到，會動態(tài)調(diào)整波束的寬度和方向。在開展5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中波束管理指小區(qū)級波束的配置與管理（見表1）。

表1 波束優(yōu)化分類

5G 波束除了預(yù)定義覆蓋場景，不同廠家的5G AAU 還具備不同的波束覆蓋可設(shè)置場景，不同覆蓋場景廣播波束有不同的傾角、方位角、水平波寬、垂直波寬。此特性可解決或降低不同場景下小區(qū)覆蓋受限以及鄰區(qū)干擾問題。例如廠家A 某型號5G AAU 可以再支持配置16 種覆蓋場景（見表2）；廠家B 某型號5G AAU可再支持配置3種覆蓋場景（見表3）。

2.2 波束場景選擇

可以通過計算覆蓋需求區(qū)域的寬度、高度與基站距離、高度、下傾角之間的關(guān)系，求出匹配場景覆蓋需求的波束覆蓋場景方案。

a）垂直波寬確定。如圖4所示，通過輸入站高、樓高以及樓站距離可以算出所需垂直波寬A：

b）水平波寬確定。如圖5 所示，通過輸入樓寬以及樓站距離可以算出所需水平波寬B：

上述2個步驟是小區(qū)在理想方位和下傾角覆蓋條件下，求出的是理想垂直和水平波寬需求。波束優(yōu)化不同場景選擇里面具備不同的下傾角、方位角可調(diào)范圍，結(jié)合實際的小區(qū)方位角和下傾角進行補償后即可求出實際所需垂直和水平波寬。在方位角和下傾角與實際需求相差過大時，還需要結(jié)合RF優(yōu)化調(diào)整。

表2 廠家A 某型號5G AAU（64T64R）支持的波束場景表

表3 廠家B某型號5G AAU（64T64R）支持的波束場景

圖4 垂直波寬計算示意圖

3 多場景波束優(yōu)化應(yīng)用案例

3.1 高樓場景

圖5 水平波寬計算示意圖

為研究波束優(yōu)化在高樓場景中的應(yīng)用效果，選取某小區(qū)進行試驗，該小區(qū)內(nèi)包含高、中、低層樓宇，外圍已開通5G 宏站，小區(qū)樓宇建有4G 室分，5G NSA 組網(wǎng)模式下需4G作為錨點，因此選取該住宅小區(qū)具有很好的高樓場景代表性。

3.1.1 小區(qū)概況

該小區(qū)共8 棟樓，其中A1、A2、A3、B 這4 棟樓為15 層，C1、C2、C3 這3 棟樓為10 層，D 棟樓為25 層高樓。

該小區(qū)由2 個5G 64TR 宏站（天線振子數(shù)192 個）覆蓋，分別為：263702-1-1-ONR、263693-1-1-ONR。

3.1.2 波束優(yōu)化調(diào)整方案

根據(jù)波束優(yōu)化原理對星匯雅苑覆蓋樓棟進行場景選擇計算，得出優(yōu)化方案如表4所示。

表4 波束優(yōu)化方案

3.1.3 波束優(yōu)化前后仿真對比

根據(jù)優(yōu)化前后站點參數(shù)進行仿真效果對比分析，優(yōu)化后小區(qū)5G 覆蓋率由59.95%提升至92.7%，速率≥50 Mbit/s占比由58.47%提升至87.4%，速率≥100 Mbit/s占比由46.72%提升至82.35%。

3.1.4 波束優(yōu)化前后測試對比

選取A1 棟、B 棟、C3 棟、D 棟的高、中、低層進行優(yōu)化前后測試對比分析，測試情況如表5所示。

3.1.5 高樓場景案例分析小結(jié)

根據(jù)仿真效果及實際測試情況分析，波束優(yōu)化對高樓場景影響如下。

a）從整體上看，波束優(yōu)化后5G 覆蓋率及速率都得到了顯著提升。

b）波束優(yōu)化對低中高層影響不同，低層樓宇覆蓋及速率有升有降；中層樓宇覆蓋大幅提升，速率有明顯提升；高層樓宇優(yōu)化前為覆蓋盲區(qū)，優(yōu)化后覆蓋和速率均大幅提升。

3.2 廣場場景

廣場場景通常為大面積無阻擋的廣場，并由多個基站小區(qū)覆蓋。為研究廣場場景的波束優(yōu)化效果，結(jié)合實際工作，選取某機場3F作為廣場場景進行波束優(yōu)化。

3.2.1 機場整體概況

該機場層高樓闊，節(jié)假日期間人群密集，覆蓋和容量需求高。5G 室分方案由于樓層過高的原因無法較好用于機場覆蓋，因此采用5G AAU 方案，AAU 天線不同于室分天線，具有非常強烈的方向性和覆蓋穿透能力，故機場3F 使用了4 個5G AAU 進行全面覆蓋（見圖6），劃分之后4個小區(qū)AAU信息如表6所示。

在優(yōu)化前，默認(rèn)波束場景下對機場進第一輪全面測試，結(jié)果顯示：機場整體3F 覆蓋良好，由于4 個5GAAU 方位角距離較近，其中東西2 個方向有2 個小區(qū)覆蓋方位角重合度較高，且機場大廳過于空曠，4 個小區(qū)之間存在嚴(yán)重的重疊干擾，小區(qū)覆蓋的區(qū)域存在交叉，未能較好覆蓋初始規(guī)劃區(qū)域，存在干擾嚴(yán)重區(qū)域點位，下行速率低的情況。

表5 波束優(yōu)化前后測試情況對比

3.2.2 波束優(yōu)化方案

機場5G 覆蓋包括室外和室內(nèi)，分別由不同的5G AAU 覆蓋，由于3F 采用4 個200 W 的小區(qū)，功率過大，導(dǎo)致室外存在越區(qū)干擾，故開展波束優(yōu)化前應(yīng)先整體降低功率。且由于5G AAU 東西方向并非完全對稱，故需采取差異化功率配置。

圖6 機場3F的4臺5GAAU覆蓋示意圖

表6 機場5G小區(qū)工參

由機場覆蓋示意圖可知，3F 整體面積不大，且可以忽略景點的覆蓋問題，根據(jù)波束場景選擇公式，為最大程度降低水平方位干擾，計算出4 個采用華為5G AAU5613的波束場景設(shè)置為11，水平波瓣寬度為15°，并對方位角進行修改，可以滿足覆蓋需求，具體參數(shù)設(shè)置如表7所示。

表7 機場波束優(yōu)化調(diào)整方案

3.2.3 波束優(yōu)化效果

按照設(shè)置方案修改功率、波束場景和波束數(shù)字方位角后進行測試，結(jié)果如下：

a）覆蓋電平有所降低，平均RSRP由-75.3 dBm 降低為-84.6 dBm，覆蓋情況仍為良好。在滿足機場3F覆蓋需求前提下，通過降低覆蓋電平可以減少室內(nèi)5G AAU覆蓋到機場外導(dǎo)致的越區(qū)覆蓋范圍。

b）覆蓋質(zhì)量：平均SINR 有所提升，平均SINR 由5.2 dB提升至11.4 dB，下行干擾降低，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升。

c）覆蓋范圍更規(guī)整，各小區(qū)按規(guī)劃范圍覆蓋，減少小區(qū)之間的重疊覆蓋。

d）感知速率有所提升，下行平均速率由749 Mbit/s提升至826 Mbit/s，5G網(wǎng)絡(luò)性能提升。

由以上對比可知，除了降低功率導(dǎo)致信號覆蓋強度降低外，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、小區(qū)覆蓋范圍以及用戶感知速率都有不同程度的提升，波束優(yōu)化效果明顯。

4 總結(jié)

5G 網(wǎng)絡(luò)初期應(yīng)用主要為eMBB 類業(yè)務(wù)，而為了提高5G上下行速率就需提升目標(biāo)區(qū)域覆蓋、降低小區(qū)間干擾。5G波束優(yōu)化是波束賦形技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)實際場景覆蓋需求，靈活配置不同垂直、水平波瓣的場景方案，以及進行方位角、下傾角的遠(yuǎn)程調(diào)整。垂直方向的波束優(yōu)化為傳統(tǒng)宏站無法覆蓋高層樓宇的難題提供了解決方案，5G AAU 高層波束覆蓋場景可以替代部分傳統(tǒng)高層室分建設(shè)，為運營商節(jié)約室分建設(shè)成本。同時，5G 波束優(yōu)化不僅可以為5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供多樣的選擇方案，還可以方便后期進行遠(yuǎn)程優(yōu)化調(diào)整，節(jié)省塔工調(diào)整等方面勞動力。

5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，隨著5G 基站密度越來越大，降低小區(qū)間干擾問題尤為重要。5G 網(wǎng)絡(luò)2B 市場應(yīng)用，確保網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和靈活優(yōu)化逐漸成為常態(tài)化，5G波束優(yōu)化提供了一種方便且高效的方法，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中起到重要的作用。