5G網(wǎng)絡(luò)掃描波束規(guī)劃方案探討

印翀 馮偉

【摘 ?要】

在5G技術(shù)中，廣播消息和系統(tǒng)消息都是采用波束掃描的方式進(jìn)行傳輸，因此在5G網(wǎng)絡(luò)開通時(shí)需要對(duì)波束的掃描圖案進(jìn)行規(guī)劃，掃描波束的規(guī)劃成敗對(duì)用戶的體驗(yàn)有著明顯的影響。為了對(duì)波束資源進(jìn)行合理的規(guī)劃，通過(guò)對(duì)掃描波束特性進(jìn)行了分析和探討，列舉了若干在規(guī)劃中需重點(diǎn)考慮的準(zhǔn)則，并提出一種掃描波束規(guī)劃解決方案。研究證明，邊緣UE的SSB接收性能有極大提升。

【關(guān)鍵詞】5G;波束賦形;移動(dòng)性管理;大規(guī)模天線

0 ? 引言

隨著5G牌照的發(fā)放，為了確保2020年的商用計(jì)劃，國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商的5G試驗(yàn)網(wǎng)和商用網(wǎng)建設(shè)也加快了節(jié)奏。中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信這三大運(yùn)營(yíng)商今年的5G投資總額預(yù)計(jì)在300億左右，5G基站的建設(shè)數(shù)量將超過(guò)15萬(wàn)，分別會(huì)在至少40個(gè)城市覆蓋網(wǎng)絡(luò)并在部分城市率先推出5G服務(wù)。

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃是必不可少的，在規(guī)劃的過(guò)程中，除了頻譜、覆蓋、業(yè)務(wù)這些常規(guī)元素的規(guī)劃，5G網(wǎng)絡(luò)還需進(jìn)行波束的規(guī)劃，其中最典型的就是掃描波束的規(guī)劃，如果掃描波束規(guī)劃不合適，小區(qū)和用戶的性能將得不到保證。

1 ? 波束掃描

波束掃描是指基站在特定周期內(nèi)，波束采用預(yù)先設(shè)定的圖譜進(jìn)行發(fā)送和接收。為了保證獲得一定的增益，單個(gè)波束賦形時(shí)會(huì)采用增益大的定向天線來(lái)形成較窄的波束寬度，而窄波束容易產(chǎn)生覆蓋不足的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常會(huì)在時(shí)域上采用多個(gè)窄波束對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描，從而來(lái)滿足對(duì)小區(qū)的全面覆蓋，如圖1所示：

由圖1可見，基站在小區(qū)內(nèi)進(jìn)行波束掃描，在周期內(nèi)不同時(shí)間上，波束指向的角度是不同的，這樣從時(shí)間維度上來(lái)看，波束是一個(gè)掃描的過(guò)程。波束在預(yù)定義的方向上以固定的周期進(jìn)行傳送。

在5G技術(shù)中，一些重要的流程也運(yùn)用到了波束掃描，例如在小區(qū)搜索和初始隨機(jī)接入過(guò)程中，UE需要與基站進(jìn)行下行同步并接收系統(tǒng)消息，其中同步信號(hào)和系統(tǒng)消息塊（SSB）就是采用波束掃描技術(shù)以固定的周期進(jìn)行掃描和發(fā)送。特定位置的UE在其對(duì)應(yīng)的波束上接收SSB來(lái)獲得下行同步和系統(tǒng)消息，并在相同的波束方向上進(jìn)行隨機(jī)接入各消息的發(fā)送和接收。除了廣播和接入信息之外，系統(tǒng)消息、paging等信息也是采用波束掃描來(lái)發(fā)送。由此可見，波束規(guī)劃的成功與否將極大地影響到UE相關(guān)性能，進(jìn)而影響到5G用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，下文將對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)下掃描波束規(guī)劃的方案進(jìn)行研究和探討。

2 ? ?掃描波束規(guī)劃準(zhǔn)則

2.1 ?SSB系列波束

在5G技術(shù)里，SSB采用固定的周期發(fā)送，周期可以是5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms或者160 ms。無(wú)論選擇哪個(gè)周期，基站需在5 ms內(nèi)完成全部SSB掃描波束的發(fā)送，即在周期的一段5 ms范圍內(nèi)，基站對(duì)整個(gè)覆蓋范圍進(jìn)行一次SSB波束掃描，而下一次的掃描將在下個(gè)周期進(jìn)行。

周期內(nèi)SSB的最大數(shù)目和時(shí)域發(fā)送位置由子載波間隔和頻段決定，以圖2為例，5G小區(qū)子載波間隔為30 kHz，頻段范圍在3 GHz到6 GHz之間，規(guī)劃了8個(gè)SSB，根據(jù)以上設(shè)置，所有SSB的發(fā)送圖案由3GPPP協(xié)議中對(duì)應(yīng)的公式{4， 8， 16， 20}+28×n生成，其中n=1和2，得到在一個(gè)半幀即5 ms內(nèi)8個(gè)SSB起始符號(hào)數(shù)為{4， 8， 16， 20， 32， 36， 44， 48}，SSB索引=0～7。在時(shí)域上，每5 ms中的所有SSB稱為ss burst，其按照SSB發(fā)送周期進(jìn)行周期性傳輸。SSB周期是5 ms的倍數(shù)，因此在SSB周期大于5ms時(shí)，周期內(nèi)ss burst的起始點(diǎn)也會(huì)有多種選擇。在空域上，基站采用預(yù)設(shè)基帶數(shù)字權(quán)值來(lái)生成多個(gè)不同方向的窄波束，結(jié)合時(shí)域上的SSB索引進(jìn)行波束掃描，UE也根據(jù)接收到的SSB所標(biāo)識(shí)的波束來(lái)發(fā)起后續(xù)的過(guò)程。

當(dāng)SSB波束及索引規(guī)劃完成后，5G下的系統(tǒng)消息和paging消息也會(huì)與各個(gè)SSB波束進(jìn)行關(guān)聯(lián)，一個(gè)SSB索引也會(huì)對(duì)應(yīng)有一個(gè)系統(tǒng)消息波束和paging波束，其波束方向與所對(duì)應(yīng)的的SSB波束是一樣的，但發(fā)送時(shí)機(jī)會(huì)在時(shí)域上錯(cuò)開。

由上文可知，在同步信號(hào)接收以及后續(xù)的系統(tǒng)消息接收、paging、隨機(jī)接入、切換、波束管理等過(guò)程，都會(huì)受波束的信號(hào)質(zhì)量的影響，所需的信道相關(guān)信息如RSRP、RSRQ、Sinr等都是根據(jù)相應(yīng)的掃描波束測(cè)量獲得，因此掃描波束規(guī)劃的優(yōu)劣將直接影響到測(cè)量值，進(jìn)而影響到相關(guān)重要流程。

2.2 ?規(guī)劃準(zhǔn)則

掃描波束規(guī)劃的主要目的是優(yōu)化小區(qū)內(nèi)系統(tǒng)廣播信號(hào)的強(qiáng)度和覆蓋，要保證小區(qū)中心和邊緣用戶都能夠接收到信號(hào)質(zhì)量足夠好的系統(tǒng)廣播消息，不至于影響到相關(guān)流程。為了達(dá)成此目標(biāo)，以下問(wèn)題需要重點(diǎn)進(jìn)行考慮：

（1）小區(qū)SSB上的參考信號(hào)在頻域上與相鄰小區(qū)錯(cuò)開

根據(jù)3GPP協(xié)議，SSB上參考信號(hào)的頻域偏移計(jì)算如表1所示：

表中的v值表示小區(qū)物理ID模4的結(jié)果，由此可見SSB中，參考信號(hào)的頻域偏移值有4個(gè)，并且與小區(qū)規(guī)劃的物理ID（PCI）強(qiáng)相關(guān)。因此在做小區(qū)PCI規(guī)劃時(shí)需保證相鄰小區(qū)的PCI模4不相等即可。

（2）小區(qū)ss Burst所在的5 ms起始點(diǎn)與鄰小區(qū)錯(cuò)開

SSB發(fā)送周期是5 ms的倍數(shù)，當(dāng)本小區(qū)周期配置大于5 ms時(shí)，ss Burst所在5 ms起始點(diǎn)會(huì)有多個(gè)選擇，如現(xiàn)階段各廠商的SSB默認(rèn)周期為20 ms，那么SSB起始點(diǎn)會(huì)有1 ms、6 ms、11 ms、16 ms這4個(gè)選擇。在ss Burst規(guī)劃時(shí)，盡量保證能夠鄰小區(qū)的ss Burst起始點(diǎn)位置錯(cuò)開。如果實(shí)在錯(cuò)不開，那么只有依賴單個(gè)SSB的掃描波束規(guī)劃來(lái)做時(shí)域錯(cuò)開。

（3）小區(qū)邊緣SSB波束時(shí)域上與鄰小區(qū)錯(cuò)開

如果無(wú)法避免本小區(qū)與鄰區(qū)的ss Burst起始點(diǎn)重合，那么可以在規(guī)劃本小區(qū)掃描波束時(shí)，聯(lián)合鄰小區(qū)來(lái)一起規(guī)劃，協(xié)作制定掃描波束圖譜，目標(biāo)是保證多個(gè)小區(qū)的波束不會(huì)同一時(shí)間掃向某一邊緣區(qū)域，盡量保證同一時(shí)間上只有一個(gè)小區(qū)的掃描波束掃過(guò)。

圖3是掃描波束聯(lián)合規(guī)劃示意圖，同一時(shí)間發(fā)送的波束用相同底色表示，可以看到當(dāng)經(jīng)過(guò)聯(lián)合規(guī)劃，同一時(shí)間上，兩個(gè)相鄰小區(qū)掃描波束打向的區(qū)域是不同的，而在同一邊緣區(qū)域上，不同小區(qū)掃描波束到達(dá)的時(shí)間也是不同，這樣就能夠保證小區(qū)間掃描波束的時(shí)域錯(cuò)開。

（4）系統(tǒng)消息、paging消息發(fā)送波束的錯(cuò)開

系統(tǒng)消息和paging消息也是以掃描波束的形式進(jìn)行發(fā)送，波束的個(gè)數(shù)和圖案與SSB波束一致，即每一個(gè)SSB波束都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)消息波束和paging波束，只是發(fā)送周期和發(fā)送時(shí)刻不同。因此小區(qū)間在錯(cuò)開ss Burst之外，系統(tǒng)消息和paging消息也盡量錯(cuò)開，如果實(shí)在無(wú)法錯(cuò)開，那么系統(tǒng)消息和paging消息的掃描波束圖樣順序可以沿用SSB掃描波束相同的規(guī)劃圖樣，只是沿用掃描波束順序相同即可，波束掃描的周期和起始點(diǎn)可自行規(guī)劃。

（5）掃描波束頻域錯(cuò)開

SSB波束頻域位置可配，但僅位于同步raster上。在3GPP協(xié)議中，GSCN（Global Synchronization Channel Number）對(duì)應(yīng)同步raster，UE在GSCN頻點(diǎn)上，對(duì)SSB進(jìn)行搜索。因此相鄰小區(qū)的GSCN可以配置有一定間隔以保證SSB在頻域上錯(cuò)開。

同理，在資源調(diào)度中，也可以對(duì)系統(tǒng)消息和paging消息調(diào)度頻帶位置進(jìn)行規(guī)劃以保證在小區(qū)間的掃描波束在頻域上能錯(cuò)開。

3 ? 掃描波束規(guī)劃方案

本文提出的方案將整個(gè)掃描波束的規(guī)劃分為三個(gè)步驟：場(chǎng)景化波束初調(diào)、波束時(shí)頻域資源劃分、波束空間域動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（1）場(chǎng)景化波束初調(diào)

根據(jù)外場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在波束掃描規(guī)劃中引入例如場(chǎng)景化機(jī)制，即根據(jù)不同場(chǎng)景配置不同的初始波束圖樣來(lái)適配各種典型的覆蓋場(chǎng)景，如空曠地場(chǎng)景、密集城區(qū)室外場(chǎng)景、高層樓宇場(chǎng)景等。并根據(jù)各場(chǎng)景的特征和覆蓋需求來(lái)初始化波束數(shù)量和方向，如覆蓋高樓時(shí)要以垂直波束為主，垂直波束的數(shù)量與樓高有關(guān)。覆蓋空曠區(qū)域以水平波束為主，水平波束的數(shù)量與覆蓋角度有關(guān)。

掃描波束場(chǎng)景化示意表如表2所示：

在掃描波束初始規(guī)劃時(shí)，針對(duì)不同的場(chǎng)景，可以選擇對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景波束進(jìn)行初步波束規(guī)劃，即在確定規(guī)劃場(chǎng)景后選擇相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景波束，如在樓宇場(chǎng)景就直接調(diào)用場(chǎng)景2的配置，此時(shí)配置少量個(gè)水平波束，根據(jù)樓高配置多個(gè)垂直波束，波束偏向于對(duì)高樓進(jìn)行掃描大范圍垂直角度的掃描。

（2）波束時(shí)頻域資源劃分

在初步選定場(chǎng)景配置后，波束數(shù)量和波束方向大致已確定，此時(shí)對(duì)個(gè)各個(gè)波束進(jìn)行時(shí)頻資源規(guī)劃，規(guī)劃的原則按照2.2節(jié)介紹的五個(gè)準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行。盡量保證各個(gè)小區(qū)掃描波束的時(shí)頻資源都能夠滿足要求。

（3）波束空間域動(dòng)態(tài)調(diào)整

根據(jù)方案的前兩步能夠完成掃描波束的靜態(tài)規(guī)劃，在理論上能夠規(guī)劃出掃描波束合適的時(shí)頻域資源來(lái)減少鄰區(qū)干擾等問(wèn)題。但在空域上，波束規(guī)劃與實(shí)際現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境緊密聯(lián)系，首次的規(guī)劃往往達(dá)不到預(yù)期的效果，每個(gè)小區(qū)都需要進(jìn)行多次的測(cè)試和上站調(diào)整來(lái)完成波束方向的細(xì)化，這樣對(duì)人力成本和時(shí)間成本提出了較高的要求。針對(duì)此問(wèn)題，方案在步驟3引入了一種動(dòng)態(tài)的掃描波束調(diào)整方案，能夠根據(jù)UE路測(cè)上報(bào)數(shù)據(jù)來(lái)動(dòng)態(tài)的調(diào)整掃描波束的覆蓋范圍，以達(dá)到減少越區(qū)覆蓋、乒乓切換以及鄰區(qū)干擾等問(wèn)題，能夠極大地減少人力和時(shí)間成本。

在步驟3波束動(dòng)態(tài)調(diào)整之前，小區(qū)邊緣重疊區(qū)的波束構(gòu)成基本確定，該區(qū)域內(nèi)UE能夠識(shí)別出各小區(qū)最優(yōu)SSB索引，基站也能夠通過(guò)UE的切換和隨機(jī)接入來(lái)獲取此處最優(yōu)波束索引。因此路測(cè)中UE在此重疊區(qū)的行為和性能就能夠反映出最優(yōu)波束規(guī)劃的效果?；就ㄟ^(guò)對(duì)UE接入和切換性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)得到掃描波束調(diào)整策略，從而能做到動(dòng)態(tài)的對(duì)掃描波束進(jìn)行調(diào)整以達(dá)成預(yù)期的目標(biāo)。

圖4是波束動(dòng)態(tài)調(diào)整示意圖，基站根據(jù)UE接入和切換統(tǒng)計(jì)量來(lái)確定波束調(diào)整方向，通過(guò)動(dòng)態(tài)的調(diào)整窄波束的賦形權(quán)值來(lái)改變波束水平和垂直角度，消除非必要的覆蓋，減少重疊覆蓋區(qū)域，以避免乒乓切換。

UE在重疊區(qū)行為包括切換以及切換過(guò)程中的隨機(jī)接入，基站需要對(duì)進(jìn)出方向的乒乓切換概率、切換成功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)基站范圍內(nèi)的UE行為進(jìn)行加權(quán)統(tǒng)計(jì)：

當(dāng)出現(xiàn)一次接入失敗時(shí)，統(tǒng)計(jì)值=統(tǒng)計(jì)值+5;

當(dāng)出現(xiàn)一次切出乒乓切換時(shí)，統(tǒng)計(jì)值=統(tǒng)計(jì)值-1;

對(duì)統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行維護(hù)，設(shè)定門限1和門限2。

當(dāng)統(tǒng)計(jì)值大于門限1時(shí)，說(shuō)明切換重疊區(qū)的掃描波束覆蓋不足，需要對(duì)最優(yōu)波束進(jìn)行調(diào)整，波束的索引值通過(guò)UE切換測(cè)量上報(bào)和切換隨機(jī)接入獲取，對(duì)此SSB索引值對(duì)應(yīng)的波束方向進(jìn)行調(diào)整，首先減少垂直方位角1°，如一段時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)值還未降到門限1以下，則通過(guò)修改波束權(quán)值來(lái)調(diào)整水平波束，將切換區(qū)源小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的最優(yōu)波束夾角增加1°，以此循環(huán)，最終達(dá)到增大兩個(gè)波束的重疊覆蓋區(qū)域。

當(dāng)統(tǒng)計(jì)值小于門限2時(shí)，說(shuō)明源小區(qū)在重疊區(qū)的掃描波束過(guò)覆蓋，需要對(duì)最優(yōu)波束進(jìn)行調(diào)整，波束的索引值通過(guò)UE切換測(cè)量上報(bào)和切換隨機(jī)接入獲取，對(duì)此SSB索引值對(duì)應(yīng)的波束方向進(jìn)行調(diào)整，首先增大垂直方位角1°，如一段時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)值還未升到門限2以上，則通過(guò)修改波束權(quán)值來(lái)調(diào)整水平波束，將切換區(qū)源小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的最優(yōu)波束夾角減少1°，以此循環(huán)，最終達(dá)到降低兩個(gè)波束的重疊覆蓋區(qū)域。

當(dāng)通過(guò)N次調(diào)整統(tǒng)計(jì)值仍然不能滿足門限要求時(shí)，基站需切換掃描波束場(chǎng)景進(jìn)行重新規(guī)劃。

為了驗(yàn)證本方案的性能，我們選擇某一場(chǎng)景通過(guò)路測(cè)軟件來(lái)對(duì)比規(guī)劃前后邊緣波束的信號(hào)強(qiáng)度，最終的比較數(shù)據(jù)如圖5所示。

根據(jù)所選擇場(chǎng)景為空曠平地的特點(diǎn)，場(chǎng)景化機(jī)制為小區(qū)初始化配置了7個(gè)水平波束。此時(shí)固化的初始波束時(shí)頻域未經(jīng)過(guò)與鄰區(qū)錯(cuò)開，空間域也與環(huán)境不匹配，因此在小區(qū)地理邊緣波束0上接收到的SSB波束性能比較差。在經(jīng)過(guò)了時(shí)頻資源劃分和波束動(dòng)態(tài)調(diào)整后，SSB波束時(shí)頻資源和方向角度趨于合理，小區(qū)邊緣上SSB的接收性能也達(dá)到很好的效果。

4 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中掃描波束的規(guī)劃方案進(jìn)行了探討和分析，列舉了掃描波束規(guī)劃的時(shí)頻資源劃分準(zhǔn)則，并介紹了一種掃描波束規(guī)劃解決方案。方案通過(guò)場(chǎng)景化波束初調(diào)、波束時(shí)頻域資源劃分、波束空間域動(dòng)態(tài)調(diào)整這三個(gè)步驟來(lái)完成掃描波束的規(guī)劃，能夠極大地提升邊緣UE接收SSB的性能和移動(dòng)性管理性能。依照本文所提出的方案，同樣可以適用于小區(qū)中心區(qū)域的波束規(guī)劃調(diào)整，但需要UE或鄰區(qū)能夠提供更多的輸入值，這也是下一階段研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] ? 3GPP. 3GPP R1-1807689： Summary of Offline Discussion for NR RRM measurements[S]. 2018.

[2] ? 3GPP. 3GPP R1-1806703： Corrections on Paging Design[S]. 2018.

[3] ? 3GPP. 3GPP R1-1903686： Feature summary of Enhancements on Multi-beam Operations[S]. 2019.

[4] ? 3GPP. 3GPP TS 38.211： Physical Channel and Modulation （Release 15）[S]. 2019.

[5] ? ?3GPP. 3GPP TS38.213： Physical layer procedures for control （Release 15）[S]. 2019.

[6] ? ?3GPP. 3GPP TS38.214： Physical layer procedures for date （Release 15）[S]. 2019.

[7] ? ?高秋彬. 5G新空口大規(guī)模波束賦形技術(shù)研究[J]. 信息通信技術(shù)與政策， 2018（11）： 7-14.

[8] ? ?王舟. 毫米波大規(guī)模陣列天線波束掃描研究[J]. 通信技術(shù)， 2019，52（3）： 557-561.