基于SSB廣播權(quán)值的5G網(wǎng)絡基站覆蓋規(guī)劃研究

楊 新，鄧 巍，賀肖榮（中國聯(lián)通重慶分公司，重慶 400000）

1 概述

相比2G/3G/4G 基站，5G NR 基站有較大的變化，常規(guī)的RRU+天饋系統(tǒng)被AAU 替代，天線的波束由常規(guī)的單寬波束變化為多波束掃描的形式，如圖1所示，傳統(tǒng)的天線方位角和下傾角決定覆蓋范圍的理論發(fā)生了變化，AAU的實際覆蓋波形由AAU的大規(guī)模矩陣天線波束賦形+物理參數(shù)共同決定。因此，AAU 的覆蓋規(guī)劃是網(wǎng)絡規(guī)劃的重要組成部分，其對網(wǎng)絡建設效果有較大的影響，應當給予足夠的重視。本文將重點探討5G NR基站SSB廣播權(quán)值的規(guī)劃原理和方法。

圖1 傳統(tǒng)天線與5G AAU波束覆蓋對比示意圖

2 5G MM和SSB廣播權(quán)值

2.1 Massive MIMO天線干擾與傾角規(guī)劃

Massive MIMO 是5G 的關鍵核心技術之一，基站利用上百個天線的空分復用優(yōu)勢，成倍提升系統(tǒng)容量，MM 技術是5G 容量提升的核心技術。大規(guī)模矩陣天線具有如下特性。

a）天線數(shù)量的增加，可以使波束更窄，天線增益更高。

b）大規(guī)模天線的波束賦形，使波束賦形更加精準。

c）水平面可以空分更多用戶，有效降低用戶間干擾。

d）垂直面可以實現(xiàn)立體賦形，有效降提升立體覆蓋效果。

e）可以顯著地降低系統(tǒng)內(nèi)干擾，提升信噪比。

f）窄波束賦形有利于控制干擾，更加容易達成多流多用戶MIMO（MU-MIMO），提升頻譜效率，64TR 最多支持32流，可以提升5倍+的頻譜效率。

2.1.1 波束四元組

5G 典型的Massive MIMO 天線是64 通道192 天線振子，為8列×4行×2極化，2個極化方向的天線使用相同的權(quán)值，總共是32 組權(quán)值數(shù)據(jù)生成一個波束，通過設置每個端口的權(quán)值，可以形成需要的子波束形態(tài)。

波束可用4元組進行刻畫，由水平波束寬度、垂直波束寬度、方位角、傾角來實現(xiàn)每個子波束的覆蓋信息。

2.1.2 MM天線干擾

Massive MIMO 天線垂直面的3 dB 寬度角與振子倍數(shù)成反比，每增加一倍振子數(shù)，則垂直3 dB 寬度減小一半。64TR 天線，采用12×8×2=192個半波振子，其中垂直維度采用3振子合一組成1個通道，總共4×2×8=64 個通道。8TR 天線，采用12×4×2=96 個半波振子，其中垂直維度采用12 振子合一組成1 個通道，總共1×4×2=8 個通道。垂直面每通道振子數(shù)，8TR 是64TR 的4 倍，所以垂直面3 dB 角度，64TR 是8TR 的4 倍。8TR宏站的垂直面3 dB 寬度很小，一般只有6～8°，無需設置較大物理下傾角，即可避免鄰區(qū)UE 的上行干擾落入3 dB主瓣范圍。

對于64TR AAU 來說，垂直面單元3 dB 寬度達到26～28°，并且上、下行波形不一致，對于工參有著不同的需求。

下行：信號經(jīng)過多端口數(shù)字權(quán)值賦形后，再從天線發(fā)射，波形已經(jīng)是各通道加權(quán)后的結(jié)果，此時波束垂直寬度和傳統(tǒng)天線近似，所對應的工參也與傳統(tǒng)天線相近。

上行：信號在單個通道接收后，再通過權(quán)值加權(quán)合并產(chǎn)生賦形增益；在進入天線時，波形是單通道的大垂直寬度，因此需要大機械下傾，才能避免鄰區(qū)的NI落入3 dB主瓣接收范圍（見圖2）。

圖2 64TR上行干擾原理圖

2.1.3 MM天線大傾角規(guī)劃

由于MM 天線的干擾問題，建議的工參設計原則為：基于大下傾策略進行MM 機械下傾角規(guī)劃，主要有2種情況。

a）5G工參繼承現(xiàn)網(wǎng)4G網(wǎng)絡。

（a）5G 初始下傾角為4G 機械下傾角+電子下傾角。

（b）初始總下傾角小于等于12°，則AAU 機械下傾角等同初始總傾角-3°，下行廣播電子傾角為3°。

（c）初始總下傾角大于12°，則AAU 機械下傾角固定為12°，不足采用廣播電子下傾補充。

b）4G/5G 非1∶1 共站或現(xiàn)網(wǎng)4G 工參準確度較差。5G初始下傾角參考理論建議值（基于站間距及站高關系）如表1 所示，全部采用機械下傾方式，SSB 電子下傾配置為0°。

表1 MM天線機械傾角推薦設置（單位：°）

2.2 SSB廣播權(quán)值原理與規(guī)劃

2.2.1 SSB與廣播權(quán)值覆蓋模型

在5G 空口設計中，為了節(jié)省系統(tǒng)資源，降低系統(tǒng)間干擾，取消了4G 空口中核心的CRS 參考信號，引入了SSB 塊來進行覆蓋的測量；協(xié)議規(guī)定，SSB 塊由PBCH+PSS+SSS 塊組成，一個SSB 塊由時域上4 個OFDM符號和頻域上20個PRB來組成。

SSB塊具有如下特性。

a）時域可以靈活配置，時域發(fā)送周期靈活可配，發(fā)送周期可配5/10/20/40/80/160共6種周期配置，最短為5 ms，最大間隔為160 ms。

b）頻域發(fā)送位置靈活，只占用20個RB。

c）可以達成時域+空域波束掃描：SUB6G 最大支持8 波束輪發(fā)（掃描）、不同的SSB 塊波束按時間輪發(fā)（掃描）、每個子波束可以自定義水平和垂直方向與波瓣寬度。

d）小區(qū)廣播預先定義N個子波束后，各子波束之間通過時分的方式依次輪詢發(fā)送，終端在搜索小區(qū)的時候，通過測量各子波束的信號強度，選擇信號強度最強的子波束作為自己的駐留波束。

e）用于覆蓋測量，測量值為SS-RSRP 和SSSINR；用于重選、切換、波束選擇與判決；空閑態(tài)、業(yè)務態(tài)均可測量。

協(xié)議規(guī)定，在每個SSB 發(fā)送周期（常用20 ms）內(nèi)，SSB脈沖需要在前2 ms內(nèi)發(fā)送完畢（見圖3），而SSB在每個SLOT 的時域位置固定為symbol2-5 和symbol8-11，所以在中國聯(lián)通/中國電信2.5 ms 雙周期幀結(jié)構(gòu)、子載波間隔30 kHz模式下，中國聯(lián)通/中國電信支持最大7個SSB。

圖3 SSB時域位置圖

在一個AAU 下，通過不同子波束組合而形成整個小區(qū)的覆蓋波束圖形，靈活的波束可以按需達成水平、垂直或者水平+垂直的立體覆蓋，這就是SSB 廣播權(quán)值掃描覆蓋模型。

廣播權(quán)值的設置，可以使用固定常用配置，也可以按需自定義個性配置，支持在網(wǎng)絡后臺靈活自動調(diào)整相關波束信息，常用廣播權(quán)值覆蓋模型如表2所示。

表2 常用廣播權(quán)值覆蓋模型

2.2.2 廣播權(quán)值功率分配

在5G 網(wǎng)絡中，功率分配化繁為簡，原因之一是沒有了CRS 參考信號，之二是沒有了LTE 網(wǎng)絡中的PA/PB 功率分配方式，5G 功率分配原則是在頻率資源上，所有RE平均分配功率。

5G 網(wǎng)絡的PRB 分配規(guī)則與4G 一致，頻域上的12個連續(xù)的子載波組成一個RB，時域上是一個OFDM 符號（見圖4）。

圖4 5G網(wǎng)絡的RB和RE劃分

在3GPP TS 38.101 的第5.3.2 條中詳細規(guī)定了每種子載波間隔下的RB 數(shù)量，在中國聯(lián)通/中國電信100 MHz 帶寬30 kHz 的子載波間隔模式下，一共有273 個PRB。以常規(guī)200 W AAU 在100 MHz 帶寬的工作模式下計算，每RE 的最大可用發(fā)射功率為200 W/（273×12）=0.061 05 W=17.8 dBm，每RE 的發(fā)射功率也即代表了SSB的發(fā)射功率。

常用AAU SSB 發(fā)射功率計算公式：SSB RS=AAU發(fā)射功率（dBm）-10×lg（載波數(shù)量×12×PRB數(shù)量）=SSB發(fā)射功率（dBm）；常用載波類型和帶寬類型SSB 功率配置如表3所示。

表3 SCS=30 kHz情況下SSB功率配置表

3 SSB廣播權(quán)值計算和規(guī)劃方法

3.1 廣播權(quán)值計算

3.1.1 權(quán)值四元組計算原則

水平波瓣寬度計算。參考目標覆蓋場景建筑寬度占比進行計算：水平覆蓋需求場景，底層子波束作為基礎覆蓋層，同層建議使用65°常規(guī)寬度；高層覆蓋場景，根據(jù)高層建筑物的分布和高度來實際評估計算；整個覆蓋目標區(qū)域內(nèi)與最高建筑相差較?。ㄈ绺叨炔钪?0%）的建筑占據(jù)整個目標區(qū)域?qū)挾鹊谋壤齺頉Q定水平波瓣寬度，寬度占比越大則水平波瓣寬度規(guī)劃越大。

垂直波瓣寬度計算。參考目標覆蓋高度為計算原則：最高垂直覆蓋需求，以區(qū)域內(nèi)需要宏覆蓋的最高建筑為參考；垂直波束層數(shù)規(guī)劃，單層波束的垂直波瓣寬度規(guī)劃以7°為參考，通過整體垂直所需的角度除以7計算所需層數(shù)。

波束俯仰角。綜合目標覆蓋場景垂直波寬和高度來進行計算：首先確定各波束垂直覆蓋范圍，分別計算單層子波束所需的傾角，垂直方向的頂層和底層波束半功率角度的上沿和下沿分別對準建筑群體的頂層和底層，減少信號泄露對周邊小區(qū)的干擾。

方位角按需計算。通過在線地圖、谷歌地圖確定覆蓋方位，結(jié)合主覆蓋方位和水平波瓣寬度，單獨計算每個子波束需要的方位角。

3.1.2 權(quán)值數(shù)學計算方法

廣播權(quán)值可以使用三角函數(shù)進行規(guī)劃，通過計算來得到覆蓋建筑群體所需的水平和垂直方向需要的半功率角度和俯仰角。

圖5 為覆蓋模型示意圖。令建筑物高度為HB，建筑物覆蓋下限為HL，建筑物長度為LB，天線高度為HA，天線與建筑物的水平距離為D，天線垂直方向上所需半功率角度為2α，天線水平方向上所需半功率角2β，天線機械上傾角為γ，由三角函數(shù)可計算出α、β和γ。通過計算可以得到幾類常規(guī)覆蓋模型需要的水平和垂直方向需要的小區(qū)半功率角度和機械傾角信息，如表4所示。

表4 常用模型計算參數(shù)

圖5 覆蓋模型示意圖

3.2 廣播權(quán)值規(guī)劃方法

廣播權(quán)值規(guī)劃可以使用如圖6 所示的“五步法”，通過站址信息搜集、場景識別、覆蓋范圍識別計算覆蓋所需權(quán)值，自動匹配權(quán)值庫或者新建權(quán)值庫。

圖6 連片中高層覆蓋示意圖

廣播權(quán)值可以采用如表5 所示的4 種方式進行快速規(guī)劃，其中快速權(quán)值規(guī)劃方案是目前最便捷的方式，精細權(quán)值規(guī)劃是目前最精準的方式，其依靠3D 地圖和權(quán)值規(guī)劃工具來開展精細規(guī)劃，實現(xiàn)上略為復雜。

表5 權(quán)值計算方式

3.3 分場景廣播權(quán)值規(guī)劃建議

廣播權(quán)值需要分場景來進行規(guī)劃與分析，通過覆蓋的目標場景界定識別權(quán)值庫，以快速達成站點廣播權(quán)值的規(guī)劃與設計，默認的權(quán)值庫可應用在常規(guī)宏覆蓋、連片中高層覆蓋和高層覆蓋等場景。

常規(guī)宏覆蓋，常用于普通道路、連片矮層覆蓋場景，使用水平寬波束來進行規(guī)劃和覆蓋。

對于連片的中高層建筑群體，可以使用水平+垂直立體覆蓋方式來進行規(guī)劃和覆蓋（見圖6）。

對于超高層建筑，可以使用垂直覆蓋方式來進行規(guī)劃和覆蓋（見圖7）。

圖7 超高層覆蓋示意圖

在5G網(wǎng)絡規(guī)劃建設初期，各典型場景的權(quán)值規(guī)劃可參考表6所示的建議。

表6 覆蓋模型建議

3.4 高層覆蓋權(quán)值規(guī)劃實例

以某公司7 號樓為例，覆蓋場景如圖8 所示。該樓高約60 m，5G 基站位于120 m 外的鐵塔總公司，該站點天線掛高約50 m，默認機械下傾角10°，覆蓋方位角95°。站點開通時，默認使用水平7波束做宏覆蓋。

圖8 高層覆蓋權(quán)值規(guī)劃示例場景圖

由于該樓內(nèi)無5G 室分，鐵塔公司5G 基站做宏覆蓋無法覆蓋到該樓。對該小區(qū)進行SSB 波束重新規(guī)劃，按照四元組計算方法，設置三層波束來進行覆蓋，由于是窄體樓宇，水平層面單波束即可覆蓋，每層波束水平波寬25°，垂直波寬6°，通過垂直傾角相差6°來進行立體賦形。

在立體規(guī)劃調(diào)整前，該樓內(nèi)3 層以上無法接收到5G 信號。在立體規(guī)劃賦形調(diào)整后，3 層以上的樓層均能接收到5G 信號，強度為-110～-90 dBm，整體覆蓋有了很大提升。

4 總結(jié)

在5G網(wǎng)絡中，大規(guī)模天線陣列的引入和廣播波束的變化，使網(wǎng)絡規(guī)劃工作更加復雜、要求也更高，為保證良好的覆蓋效果，必須做好SSB廣播權(quán)值的規(guī)劃，這需要借助精細化的3D 地圖和規(guī)劃工具來進行。本文結(jié)合5G MM 天線的新特性以及廣播權(quán)值的規(guī)劃原理，對SSB廣播權(quán)值的計算、規(guī)劃方法進行了探討，并給出了各典型場景的規(guī)劃建議，同時結(jié)合實際案例對廣播權(quán)值的規(guī)劃調(diào)整方法和效果進行了驗證。下一步，我們將繼續(xù)聚焦5G SSB 廣播權(quán)值規(guī)劃方法和規(guī)劃效率的提升，助力5G精品網(wǎng)絡的規(guī)劃和建設。