5G自定義波束在深度覆蓋場景中的應(yīng)用研究

摘要：深度覆蓋問題一直是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的痛點(diǎn)，本文在5G自定義波束能靈活實(shí)現(xiàn)子波束級(jí)權(quán)值設(shè)置的基礎(chǔ)上，研究探索一套能解決深度覆蓋問題權(quán)值波束方案，提升5G深度覆蓋場景網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：SSB 自定義波束;Massive MIMO;深度覆蓋

1引言

Massive MIMO可以大幅度提升單站的容量和覆蓋能力，解決運(yùn)營商在同城競爭中面臨的站址緊張、建站難、深度覆蓋難等痛點(diǎn)，同時(shí)大幅度提升單用戶流量滿足終端用戶對(duì)不同業(yè)務(wù)極致體驗(yàn)的訴求。本文通過合適的波束權(quán)值優(yōu)化方案，可以有效提升5G室內(nèi)深度覆蓋水平，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

2Massive MIMO 定義

Massive MIMO是LTE向5G演進(jìn)的一項(xiàng)關(guān)鍵空口技術(shù)，它使用大規(guī)模陣列天線，增加了垂直維度和水平維度能力，實(shí)現(xiàn)了三維精準(zhǔn)波束賦形和多流多用戶資源復(fù)用，大幅度提升容量，增強(qiáng)了立體覆蓋。

2.1基本原理

MIMO技術(shù)最早是由馬可尼（Marconi）于20世紀(jì)初提出的抑制信道衰落的多天線信息傳遞技術(shù)。MIMO技術(shù)利用了空間維度資源，發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多個(gè)天線，從而實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時(shí)接收或發(fā)射。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

Massive MIMO相對(duì)于傳統(tǒng)MIMO能夠有效提升性能的最重要關(guān)鍵技術(shù)就是大規(guī)模陣列天線。Massive MIMO通過在基站端放置大規(guī)模天線陣列，理論上，當(dāng)M 趨于無窮時(shí)，空間分開的不同用戶的矢量信道將趨于正交，這樣同小區(qū)用戶間干擾被消除，簡單的MRC算法即可達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)，由多天線形成的極窄波束的分辨率將高于產(chǎn)生小尺度瑞利衰落的多徑尺度，因而小尺度衰落幾乎被消除。

2.3天線陣子設(shè)計(jì)

陣子數(shù)是影響Massive MIMO性能的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，陣子數(shù)越多，波束越窄，能力就越集中，垂直面天線達(dá)到2T以上即可實(shí)現(xiàn)3G的賦形增益，天線數(shù)越多，增益越高。但是，Massive MIMO的陣子數(shù)不一定等于天線數(shù)，可以通過1驅(qū)N的方式，增加更多陣子數(shù)，從而提升Massive MIMO的增益。

3波束賦形

3.1基本定義

發(fā)射信號(hào)經(jīng)過加權(quán)后，形成了指向UE的窄帶波束，這就是波束賦形（beamforming，簡稱“BF”）。NR Sub6G多天線下行各信道默認(rèn)支持自適應(yīng)三維波束賦形，開通3D-BF特性后，窄波束在水平方向和垂直方向都能隨著目標(biāo)UE的位置進(jìn)行調(diào)整可以形成更窄的波束，精準(zhǔn)的指向用戶，提升覆蓋性能。

3.2基本原理

關(guān)于波束賦形的基本原理，可以首先考慮自由空間中電磁波的遠(yuǎn)場輻射情況。

（1）當(dāng)只存在單個(gè)天線振子時(shí)，以同極化方向從各個(gè)角度對(duì)電場振幅進(jìn)行觀測時(shí)，信號(hào)是各向同性衰減的，即不存在方向選擇性。

（2）如果增加一個(gè)同極化方向的振子，且兩個(gè)振子處于同一位置時(shí)，即使兩個(gè)天線發(fā)射信號(hào)可能存在一定的相差，但從任何角度觀測，兩列波的相差并不隨觀測角度的變化而發(fā)生變化，因此信號(hào)仍然不存在方向選擇性。

（3）如果增加一個(gè)同極化方向的振子，且兩個(gè)振子保持一定間隔，則兩列波之間會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，即某些方向振幅增強(qiáng)，某些方向振幅減弱。

4波束管理

多天線陣列的大部分發(fā)射能量聚集在一個(gè)非常窄的區(qū)域，這意味著，使用的天線越多，波束寬度越窄。好處在于，不同的波束之間、不同的用戶之間的干擾較少，因?yàn)椴煌牟ㄊ加懈髯缘木劢箙^(qū)域，這些區(qū)域都非常小，彼此之間不大有交集。

5主流廠家波束組合配置

5.1默認(rèn)固定權(quán)值波束方案

默認(rèn)固定權(quán)值波束方案是主流設(shè)備廠家，經(jīng)過嚴(yán)格的微波暗室測試和現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證，形成固定權(quán)值配置組合庫，優(yōu)化人員只需按具體覆蓋場景類型選其中一種權(quán)值配置即可完成權(quán)值優(yōu)化，但靈活性不足，面對(duì)復(fù)雜多樣性場景，不能做到精準(zhǔn)覆蓋。一般設(shè)備廠商設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)值組合pattern為14至17種之間。

5.2自定義的權(quán)值波束方案

自定義權(quán)值波束方案，是指各設(shè)備廠商完全開放了天線權(quán)值的設(shè)置限制，能做到子波束級(jí)別的權(quán)值調(diào)整，每個(gè)子波束的方位角、下傾角、子波束水平波瓣寬度、子波束垂直波瓣寬度，權(quán)值四元參數(shù)均實(shí)現(xiàn)解耦，能夠靈活配置，權(quán)值調(diào)整空間得到幾何級(jí)的增加，能夠針對(duì)現(xiàn)網(wǎng)極其復(fù)雜的多樣化場景進(jìn)行SSB波束精細(xì)優(yōu)化調(diào)整。

6針對(duì)深度覆蓋場景的波束方案設(shè)計(jì)思路

密集低層建筑屬于深度覆蓋場景，指的是5G宏站覆蓋范圍內(nèi)，全部為密集底層建筑群，建筑物阻擋嚴(yán)重，深度覆蓋不足問題突出，特殊場景需要定制高增益子波束，且進(jìn)行水平放置，除了使用最窄子波束之外，還按需對(duì)覆蓋密集居民區(qū)的子波束開通boosting功能，做子波束功率增強(qiáng)。

75G深度覆蓋場景的權(quán)值優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)權(quán)值波束數(shù)據(jù)、MDT數(shù)據(jù)，密集區(qū)域的大小，對(duì)深度覆蓋區(qū)域進(jìn)行權(quán)值優(yōu)化，對(duì)MDT采樣點(diǎn)進(jìn)行聚類，找出采樣點(diǎn)聚合方位，通過計(jì)算建筑物分布得到的水平波寬、電子方位角、電子下傾角與通過計(jì)算用戶分布得到的水平波寬、電子方位角、電子下傾角進(jìn)行融合，生成最佳的水平波寬、電子方位角、電子下傾角，其中計(jì)算建筑物分布得到垂直波寬即為最佳垂直波寬。最后根據(jù)自定義波束四元參數(shù)可配置范圍，找出最相似的作為最終的方案進(jìn)行輸出。

85G深度覆蓋優(yōu)化算法驗(yàn)證。

對(duì)現(xiàn)網(wǎng)5G深度覆蓋場景小區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，基于密集建筑區(qū)域和MDT采樣點(diǎn)，應(yīng)用5G深度覆蓋場景權(quán)值優(yōu)化算法，對(duì)省內(nèi)密集居民區(qū)內(nèi)樓宇進(jìn)行尋優(yōu)，通過尋優(yōu)算法，計(jì)算出的權(quán)值方案結(jié)果，優(yōu)化前后，平均RSRP提升10db，覆蓋率提升6.60%，上下行總流量提升103.47%，RRC用戶數(shù)提升77.78%。

9總結(jié)

本文充分利用5G自定義波束的潛力，在支持子波束級(jí)權(quán)值靈活配置的基礎(chǔ)上，徹底彌補(bǔ)了以往5G波束方案，無法適配深度覆蓋場景的痛點(diǎn)問題，使天線權(quán)值優(yōu)化方案的精細(xì)化程度邁向一個(gè)新的高度，真正實(shí)現(xiàn)場景化的SSB波束掃描，為后續(xù)人工智能權(quán)值優(yōu)化，提供良好的業(yè)務(wù)能力基礎(chǔ)，提升5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹誠.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)[J].無線互聯(lián)科技，2015（9）：16-17.

作者簡介：趙永紅（1985.4 -），男，廣東省江門市，漢族，學(xué)歷本科，中級(jí)工程師，長期從事網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略研究、無線網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化、新技術(shù)等方面的研究與實(shí)踐。