Massive MIMO波束優(yōu)化提升5G分流比研究與應(yīng)用

杜 暉

（中國(guó)電信集團(tuán)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210008）

引言

5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)達(dá)到一定規(guī)模，5G 分流比是衡量5G 用戶及業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵性能指標(biāo)，電信集團(tuán)的目標(biāo)是到2022 年底5G 分流比達(dá)到50%。提升分流比的關(guān)鍵要點(diǎn)：5G 終端滲透率、5G 開(kāi)關(guān)打開(kāi)率、DOU 系數(shù)、5G 機(jī)網(wǎng)匹配率、5G 流量駐留比，其中前三項(xiàng)主要與前端市場(chǎng)發(fā)展相關(guān)，后兩項(xiàng)主要與網(wǎng)絡(luò)側(cè)相關(guān)。

本研究在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合Massive MIMO 波束賦形特點(diǎn)，針對(duì)不同的覆蓋場(chǎng)景，建立Pattern 尋優(yōu)體系，確保更多的5G 終端用戶能夠體驗(yàn)5G 網(wǎng)絡(luò)，提升5G 分流比。

1 波束賦形基本原理

NR 系統(tǒng)采用波束賦形技術(shù)，對(duì)各個(gè)信道和信號(hào)使用波束更聚集，方向性更好的窄波束。相比于寬波束（比如4G 波束），窄波束的覆蓋區(qū)域較小，單波束沒(méi)辦法全面覆蓋扇區(qū)里所有用戶，因此必須波束管理，根據(jù)不同信道和信號(hào)的各特點(diǎn)，基站對(duì)不同信道和信號(hào)分別進(jìn)行波束管理，為使用者選擇最好的波束，提升覆蓋效能及用戶速率。

（1） 5G 與4G 基站的廣播波束配置不同，5G 的波束為不同方向固定的窄波束[4]。

a.5G 基站在不同時(shí)間發(fā)送不同方向的窄波束完成扇區(qū)的廣播波束區(qū)域覆蓋。具體波束掃描形式見(jiàn)圖1。

圖1 NR TDD 廣播波束掃描范圍

b.4G 的SSB 用的是寬波束，沒(méi)有掃描；相對(duì)于窄波束，能量不夠集中，因此覆蓋肯定不如NR。

（2） SSB 和CSI 波束功能不同。

a.SSB 反映廣播信道的質(zhì)量，決定小區(qū)的覆蓋范圍，控制面。

b.CSI-RS 反映業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量，決定用戶的體驗(yàn)速率，業(yè)務(wù)面。

（3） SSB 與CSI 波束包絡(luò)差異大，覆蓋范圍也存在差異。

其中，SSB 波束為扇區(qū)級(jí)輪詢波束，最大為8 波束，和SSB 波束不同，CSI 波束是用戶級(jí)波束，64TR 設(shè)備可支持32 波束，具體覆蓋差異性見(jiàn)圖2。

圖2 SSB 與CSI 覆蓋差異

2 5G 波束（Pattern）尋優(yōu)原理

5G 波束尋優(yōu)主要有以下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：

（1） Massive MIMO 波束賦形，大幅提升天線增益，擴(kuò)展覆蓋距離。

（2） Massive MIMO 支持3D 波束塑形，應(yīng)對(duì)各種覆蓋場(chǎng)景需求。不容波束賦型覆蓋示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 SSB 立體波束覆蓋

覆蓋場(chǎng)景由水平3dB 波寬、垂直3dB波寬、傾角可調(diào)范圍和方位角可調(diào)范圍四個(gè)要素共同決定。通過(guò)調(diào)整傾角和方位角可以實(shí)現(xiàn)更多的波束指向，滿足不同覆蓋要求，實(shí)現(xiàn)靈活的組網(wǎng)。

覆蓋場(chǎng)景與選取規(guī)則：5G 基站廣播波束可以應(yīng)用于不同場(chǎng)景的覆蓋，主要為廣覆蓋和室內(nèi)場(chǎng)景，不同覆蓋場(chǎng)景波瓣設(shè)置情況見(jiàn)表1。

表1 不同建筑波束差異化設(shè)置方案

（1） 通常，配置可設(shè)置為默認(rèn)，用于三扇區(qū)場(chǎng)景。

（2） 在水平方向覆蓋要求較高場(chǎng)景，采用水平波瓣最寬波束，遠(yuǎn)點(diǎn)可有更好的增益，提升遠(yuǎn)處覆蓋能力。

（3） 當(dāng)小區(qū)邊緣受到干擾，建議略微降低水平波寬，降低水平覆蓋范圍，避免受擾。

（4） 對(duì)于獨(dú)立建筑物，建議采用水平波瓣較窄波束，垂直方向增益較高，此種情況不利于廣覆蓋場(chǎng)景，特別是道路覆蓋。

（5） 對(duì)于覆蓋目標(biāo)建筑高度有差異，可采用不同的垂直波瓣寬度的場(chǎng)景進(jìn)行配置[3]。

3 基于覆蓋場(chǎng)景的波束選擇方法

在優(yōu)化過(guò)程中需要綜合考慮站高、站間距、用戶分布情況、覆蓋范圍、射頻模塊能力等各方面要素來(lái)確定覆蓋場(chǎng)景。

由圖4 所示，其中D 是基站到建筑物的水平距離；h 是天線高度；H 是建筑物高度；B 是建筑物面對(duì)基站側(cè)的寬度；b 是站點(diǎn)相對(duì)建筑物一側(cè)的映射距離；α 和β 分別是水平波寬和垂直波寬。

圖4 基站與建筑物模擬

通過(guò)簡(jiǎn)單的三角函數(shù)運(yùn)算可計(jì)算出大致的水平波寬和垂直波寬所應(yīng)選取的范圍，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合選取設(shè)備所支持的最優(yōu)一種模式[1]。

計(jì)算方法：

α=DEGREES(ATAN (h/D))+DEGREES(ATAN((H-h)/D))

β=DEGREES(ATAN(B/2/D))*2

E=-(DEGREES(ATA N((H-7-h)/D))-A/2)

F=E-6

注：E 為 總 傾 角，F(xiàn)為機(jī)械下傾角。

4 南京新街口區(qū)域Pattern 優(yōu)化舉例

南京新街口位于南京中心區(qū)域?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)線環(huán)境見(jiàn)圖5。

圖5 南京新街口無(wú)線環(huán)境

選取4 個(gè)覆蓋不同場(chǎng)景的小區(qū)，建議選擇AAU的覆蓋場(chǎng)景為“SCENARIO_7”，對(duì)應(yīng)的垂直波瓣角為12°，水平波瓣角為90°，再計(jì)算出總下傾角為16°，其中機(jī)械傾角10°，數(shù)字傾角6°。

計(jì)算過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)表2[2]。以此類推，計(jì)算出其他小區(qū)波束場(chǎng)景覆蓋方案，波束調(diào)整后差異化參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。華新大廈室外AAU-1 小區(qū)覆蓋金陵飯店亞太商務(wù)樓（無(wú)5G 室分覆蓋），波束覆蓋場(chǎng)景從“默認(rèn)場(chǎng)景”調(diào)整成“SCENARIO_13”，室內(nèi)CQT 測(cè)試，覆蓋電平平均提升4dB，樓層越高提升越明顯[5]。Pattern 優(yōu)化后，調(diào)整區(qū)域5G 日均流量從3270GB 提升到3694GB，漲幅12.96%；5G 分流比從27.73%提升到29.12%，提升1.39%，提升明顯。優(yōu)化完成后指標(biāo)提升見(jiàn)圖6。

圖6 波束調(diào)優(yōu)后5G 分流比變化

表2 波束計(jì)算表

表3 波束調(diào)整后設(shè)置表格

5 結(jié)論

本研究利用Massive MIMO 多維覆蓋的特點(diǎn)，根據(jù)水平和垂直下差異化覆蓋需求，采用不同組網(wǎng)場(chǎng)景下的廣播波束覆蓋，根據(jù)站高、站樓距、覆蓋范圍、射頻模塊能力等各方面要素綜合計(jì)算對(duì)Pattern 進(jìn)行尋優(yōu)，進(jìn)一步提升SSB 覆蓋范圍，在當(dāng)前5G 深度覆蓋未完善的條件下，通過(guò)Pattern 尋優(yōu)，進(jìn)一步擴(kuò)大5G 覆蓋范圍，提升5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，助力5G分流體持續(xù)提升，支撐5G 市場(chǎng)及業(yè)務(wù)發(fā)展。