樓宇場(chǎng)景下的5G廣播波束研究

薛龍來(lái) 夏偉 魏俊毅

【摘要】 ? ?5G由于采用了Massive MIMO和波束賦形（Beamforming BF）等技術(shù)有效的解決城區(qū)不同場(chǎng)景下的覆蓋問(wèn)題，進(jìn)而覆蓋效果更加完善。5G天線數(shù)量可達(dá)16/32/64/128陣列，因此被稱為“大規(guī)?！钡腗IMO。本文研究高、中、低層樓宇場(chǎng)景下廣播波束權(quán)值規(guī)劃最佳方案，給出配置建議，供規(guī)劃優(yōu)化參考。

【關(guān)鍵詞】 ? ?Massive MIMO ? ?波束賦形 ? ?廣播波束權(quán)值規(guī)劃

引言

Massive MIMO技術(shù)是多天線演進(jìn)的一種高端形態(tài)，被業(yè)界公認(rèn)為4.5G和5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為一種新的站點(diǎn)形態(tài)，Massive MIMO通過(guò)集成更多的射頻通道和天線、實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)波束賦形和多流多用戶復(fù)用技術(shù)，從而達(dá)到比傳統(tǒng)的技術(shù)方案更好的覆蓋和更大的容量[1]。5G時(shí)代，城市熱點(diǎn)樓宇是覆蓋復(fù)雜多樣，例如商業(yè)CBD，住宅小區(qū)等，城中村，樓宇狀況復(fù)雜，是當(dāng)前5G覆蓋的難點(diǎn)。如何解決不同場(chǎng)景下小區(qū)的覆蓋受限，解決鄰區(qū)干擾，提升5G的樓宇覆蓋能力，是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

一、技術(shù)原理

1.1波束賦形與Massive MIMO之間的聯(lián)系

波束賦形與Massive MIMO是5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)。波束賦形是指根據(jù)特定場(chǎng)景自適應(yīng)的調(diào)整天線陣列，對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，形成指向UE的窄波束。Massive MIMO意味著基站天線陣列中具有大量天線而且天線陣列使用同一頻率資源和時(shí)間滿足空間上分離的多位用戶的需求。如何更加合理的應(yīng)用波束賦形和Massive MIMO技術(shù)解決當(dāng)前5G覆蓋中熱點(diǎn)樓宇覆蓋的難點(diǎn)將是本文討論的內(nèi)容。

波束賦形和Massive MIMO的優(yōu)點(diǎn)：

◆可以更好的覆蓋遠(yuǎn)端和近端小區(qū);

◆可以有效減少小區(qū)間的干擾;

◆3D波束賦形更加精確，提升終端接收信號(hào)強(qiáng)度;

◆由于同時(shí)同頻服務(wù)更多的用戶（多用戶空分），從而提高了網(wǎng)絡(luò)容量。

1.2 5G廣播波束場(chǎng)景化

在3D天線管理模塊中呈現(xiàn)天線3D視圖。天線在不同的Pattern配置下，不同數(shù)字下傾角、不同數(shù)字方向角的配置下，增益波形差異明顯。

目前廣播波束場(chǎng)景化配置加上默認(rèn)模式共計(jì)17種[2]，分別是小區(qū)間干擾場(chǎng)景（可以使用水平掃描范圍相對(duì)窄的波束，避免強(qiáng)干擾源）、廣場(chǎng)場(chǎng)景（近點(diǎn)使用寬波束，保證接入，遠(yuǎn)點(diǎn)使用窄波束，提升覆蓋）、高樓場(chǎng)景（使用垂直面覆蓋比較寬的波束，提升垂直覆蓋范圍）等三大場(chǎng)景。

二、高層樓宇場(chǎng)景測(cè)試分析

選擇有天線直接面對(duì)高樓覆蓋的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，天線與被測(cè)試高樓之間無(wú)遮擋且距離適當(dāng)， 本場(chǎng)景選取某高檔寫字樓進(jìn)行測(cè)試。該樓宇高度26層，測(cè)試樓層選取5、10、15、20、25層，測(cè)試地點(diǎn)選取電梯邊靠窗位。占用的小區(qū)某基站第二小區(qū)（PCI=14），天線高度31米，對(duì)被測(cè)樓宇采用隔層測(cè)試的方式，采用定點(diǎn)下行灌包的方式進(jìn)行測(cè)試，單次測(cè)試時(shí)間顆粒度為1分鐘，最終以平均值作為統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

本次覆蓋的樓宇為高層樓宇，需要重點(diǎn)關(guān)注高層樓宇覆蓋效果。因?yàn)闇y(cè)試地點(diǎn)位于第二小區(qū)天線的正對(duì)方向，觀察垂直波寬對(duì)樓宇的不同樓層的覆蓋效果。

保持水平波寬65度不變，對(duì)比垂直波寬，將第二小區(qū)的廣播波束場(chǎng)景分別設(shè)置為：

◆SCENARIO_3（水平波寬65度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_8（水平波寬65度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_13（水平波寬65度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

結(jié)果表明，對(duì)比同一樓層、不同的垂直波寬對(duì)覆蓋的影響發(fā)現(xiàn)，垂直波寬的變化對(duì)中、低層（1-20樓）樓宇的覆蓋效果差距不大，高層樓宇（25樓以上）垂直波寬對(duì)覆蓋效果影響較大。本次測(cè)試中，高層樓宇中垂直波寬選擇25度覆蓋效果最佳，同時(shí)考慮SINR值，選擇垂直波束25度的波束在高層優(yōu)勢(shì)明顯。綜合考慮選擇SCENARIO_13波束，覆蓋達(dá)到最優(yōu)。

三、中層樓宇場(chǎng)景測(cè)試分析

本次選取某辦公大樓進(jìn)行測(cè)試。本樓宇高度16層，測(cè)試樓層選取2、9、16層低中高層進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)選取辦公室靠窗位置。占用的小區(qū)為第一小區(qū)（PCI=4），天線高度28米。

3.1水平波寬110度，對(duì)比垂直波寬

保持水平波寬110度不變，對(duì)比垂直波寬，將第一小區(qū)的廣播波束場(chǎng)景分別設(shè)置為：

◆SCENARIO_1（水平波寬110度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_6（水平波寬110度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_12（水平波寬110度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

3.2水平波寬65度，對(duì)比垂直波寬

保持水平波寬65度不變，對(duì)比垂直波寬，將第一小區(qū)的廣播波束場(chǎng)景分別設(shè)置為：

◆SCENARIO_3（水平波寬65度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_8（水平波寬65度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_13（水平波寬65度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

3.3水平波寬25度，對(duì)比垂直波寬

保持水平波寬25度不變，對(duì)比垂直波寬，將HF-市區(qū)-省實(shí)業(yè)大樓-HA-6881291-4的廣播波束場(chǎng)景分別設(shè)置為：

◆SCENARIO_5（水平波寬25度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_10（水平波寬25度，垂直波寬12度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_15（水平波寬25度，垂直波寬25度，方位角0度，傾角6度）;

本次測(cè)試為中層16層樓宇，保持水平波寬110度不變，垂直波寬從6到調(diào)整到25度，低層樓宇覆蓋效果差距不大，中層樓宇選擇垂直波束12度和25度覆蓋效果稍微優(yōu)于垂直波束6度的覆蓋，高層采用垂直波寬12度時(shí)，覆蓋效果最佳。

保持水平波寬65度不變，垂直波寬從6到調(diào)整到25度，測(cè)試結(jié)果同A測(cè)試類似，垂直波寬從6到調(diào)整到25度，低層樓宇覆蓋效果差距不大，中層樓宇選擇垂直波束12度和25度覆蓋效果稍微優(yōu)于垂直波束6度的覆蓋，高層采用垂直波寬12度時(shí)，覆蓋效果最佳。

保持水平波寬25度不變，垂直波寬從6到調(diào)整到25度，低層選擇垂直波寬6度覆蓋最好，但中高層覆蓋較差，中層和高層垂直波寬選擇12度和25度覆蓋更好。

綜合考慮所有樓層， RSRP三個(gè)樓層均值最大的波束是SCENARIO_6，垂直波束選擇12度，水平波束選擇110度，此時(shí)RSRP均值為：-89.67dBm，在測(cè)試中既能保證低層覆蓋，也能保證中高層的較好覆蓋。同時(shí)考慮小區(qū)間干擾，選擇水平波寬110度的波形時(shí)，SINR值較好，無(wú)明顯的下降，綜合考慮選擇SCENARIO_6波束覆蓋，達(dá)到最優(yōu)。

四、多層樓宇場(chǎng)景測(cè)試分析

本次選取某住宅小區(qū)進(jìn)行測(cè)試。本小區(qū)樓宇高度6層，樓宇較密集。進(jìn)行樓宇內(nèi)CQT測(cè)試。

測(cè)試方法同前述，該測(cè)試樓宇主要由某基站第一小區(qū)覆蓋，天線高度31米， 選取14～18號(hào)樓宇進(jìn)行測(cè)試，樓宇總高6層，選取中間單元第3層進(jìn)行測(cè)試。

將基站第一小區(qū)的廣播波束場(chǎng)景分別設(shè)置為：

◆SCENARIO_1（水平波寬110度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_3（水平波寬65度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

◆SCENARIO_5（水平波寬25度，垂直波寬6度，方位角0度，傾角6度）;

從RSRP角度分析：14棟到18棟，樓宇位置從基站第一小區(qū)的主瓣方向到旁瓣方向過(guò)渡，在主瓣方向的14棟，水平波寬的變化對(duì)RSRP影響不大，往旁瓣方向20～22棟，水平波寬對(duì)RSRP的影響逐漸凸顯出來(lái)，水平波寬較窄的波束，覆蓋明顯變差。在三種波束下，五棟樓的RSRP均值最好的也是SECANARIO _1為-89.73dBm。

從SINR角度分析：結(jié)果同RSRP相似，旁瓣方向的樓宇水平波寬小的波形SINR明顯下降。綜合考慮選擇水平波寬為較大的SECNARIO_1覆蓋效果達(dá)到最優(yōu)。

五、結(jié)論

Massive MIMO和波束賦形技術(shù)可以在日常5G覆蓋優(yōu)化中提高覆蓋效果，提升用戶感。本文通過(guò)對(duì)城區(qū)樓宇場(chǎng)景中的高、中、低層典型樓宇測(cè)試分析，對(duì)比驗(yàn)證，研究不同廣播波束類型在各種類型的樓宇的覆蓋效果，找到最優(yōu)設(shè)置，給出設(shè)置建議：

多層樓宇（7層以下）：選擇水平波寬110度的SECNARIO_1，保證旁瓣覆蓋的樓宇的RSRP和SINR在較好水平，覆蓋效果達(dá)到最優(yōu)。

中層樓宇（7～17層）：選擇水平波束110度，垂直波束12度的SCENARIO_6波束覆蓋，樓宇整體RSRP最優(yōu)，同時(shí)SINR值較好，無(wú)小區(qū)間干擾，覆蓋效果達(dá)到最優(yōu)。

高層樓宇（18層以上）：高層樓宇的覆蓋難點(diǎn)在于高層部分，綜合考慮RSRP和SINR，選擇垂直波束25度的SCENARIO_13波束覆蓋，優(yōu)勢(shì)明顯，覆蓋效果達(dá)到最優(yōu)。

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]彭東升， 王煜輝， 程曉東，等. Massive MIMO廣播波束場(chǎng)景化研究[J]. 通信技術(shù)， 2020， v.53;No.337（01）：69-74.

[2] WANG Lin，ZHOU Yi-gang，ZHENG Li-ming，et al.Mass MIMO 3D Spatial Correlation Channel over Relaxation Detection Algorithm[J].Journal of Harbin University of Technology， 2018，50（05）：18-23.

薛龍來(lái)（1984-），男，漢族，河南洛陽(yáng)人，工程師，碩士研究生，主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)人工智能的相關(guān)工作。

基金項(xiàng)目：河南省信息咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究有限公司高新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目（2021X-JY-04）