密集城區(qū)5G廣播波束配置策略研究

瞿軼 莫建忠 王穎恒 應(yīng)瑛 樊忠文

【摘要】? ? 5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)在于波束賦形，以及波束多樣性帶來的垂直角度覆蓋增益，配置不同的波束賦形權(quán)值，小區(qū)水平和垂直覆蓋增益各不相同。5G TDD 3.5G頻段分配17種波束配置模式，開網(wǎng)默認(rèn)S0模式垂直波寬小、電子下傾調(diào)整范圍小、電子方位角不能調(diào)整、覆蓋局限性大。通過結(jié)合城區(qū)地域特色結(jié)合理論模型搭建、仿真支撐、路測數(shù)據(jù)驗(yàn)證、室內(nèi)CQT驗(yàn)證、系統(tǒng)指標(biāo)同步評估、驗(yàn)證結(jié)果合理性整體評估的方法，給出適合城區(qū)的5G小區(qū)廣播波束配置組合模式，提升室內(nèi)外整體覆蓋能力。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G廣播波束? ? 波束配置組合

Absrtact： The key technologies of 5g mobile communication are beamforming， vertical angle coverage gain caused by beam diversity， configuration of different beam configuration weights， horizontal and vertical coverage gain of cell， etc. rent Band 5g TDD 3， 5g is divided into 17 beamforming modes. By default， S0 mode has smaller vertical wave width， smaller downward tilt range， non adjustable electron azimuth and larger Cover. Based on the regional characteristics of City， This paper presents a 5G cell broadcast beam splicing model suitable for City. Through the establishment of theoretical model and simulation support， the comprehensive coverage ability inside and outside the district is improved. Road survey data verification， indoor CQT verification， system index synchronous evaluation， and comprehensive evaluation of rationality of results.

Key words： 5G Broadcast Beam， Beam configuration combination.

引言：

5G相比傳統(tǒng)4G基站因?yàn)橐氪笠?guī)模陣子天線技術(shù)而實(shí)現(xiàn)波束賦型能力更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)5G獨(dú)有的超級帶寬技術(shù)（eMBB）、高接入密度（mMTC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在空間、位置、容量多方面提升，能夠滿足未來膨脹式增長的物聯(lián)網(wǎng)接入需求。當(dāng)前主流5G AAU提供64T64R＼32T32R兩種制式天線陣列，多天線技術(shù)確保了不同用戶間干擾隔離，實(shí)現(xiàn)多方位用戶網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)。但是獨(dú)特的地理環(huán)境會改變天線信號覆蓋需求，根據(jù)城市特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模天線技術(shù)在信號覆蓋增強(qiáng)方面的研究有利于用戶感知提升[1]。

一、默認(rèn)波束配置模式覆蓋局限性

3.5G頻段5G承建區(qū)主要集中在海島東部，承建區(qū)西邊為丘陵山地，其他三面靠海，南北狹長，東西窄小，東西距離不足1.5公里。區(qū)域內(nèi)主要以高層，超高層建筑為主，樓高普遍在60米以上，最高達(dá)到120米，屬于典型密集城區(qū)，地理因素獨(dú)特，對高層立體覆蓋和低層廣覆蓋要求較高[3，4]。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)3.5G頻段設(shè)備支持17種波束配置模式，根據(jù)不同覆蓋場景特點(diǎn)，配置不同的波束模式，覆蓋增益不同。開網(wǎng)默認(rèn)波束配置S0模式（水平波寬105°、垂直波寬6°），垂直波寬較小，不滿足高層樓宇覆蓋需求，未能發(fā)揮5G波束多樣性對垂直角度覆蓋增益的特點(diǎn)，存在較大局限性。如圖1示，S0模式為水平單層7波束，水平廣覆蓋能量大，垂直半功率角度小，垂直覆蓋能力相對較差，在面對高樓林立以及海域空曠場景覆蓋不足。

二、Massive MIMO波束賦形

5G NR系統(tǒng)采用Massive MIMO波束賦形技術(shù)，信號能量更集中，方向性更強(qiáng)的窄波束，在覆蓋能力、遠(yuǎn)端控制方便與4G存在一定差異。窄波束在相同發(fā)射功率下覆蓋更遠(yuǎn)，但是結(jié)合多波束技術(shù)彌補(bǔ)覆蓋范圍缺陷，同時提高多用戶接入隔離度。4G覆蓋為小區(qū)級，由PCI區(qū)分，5G覆蓋為波束級，由小區(qū)PCI和波束Beam ID區(qū)分，對于波束可以理解為小區(qū)（Cell）下面迷你小區(qū)（Mini-Cell）。

5G多波束相對4G波束波寬更窄（4G寬波束），但仍然存在主瓣和旁瓣概念。波束成形提高所需方向的信號強(qiáng)度，減少非希望方向（干擾方向）的信號強(qiáng)度，信號發(fā)射后波束更好地指向用戶，在用戶接收時得到最大SINR。主瓣指向的方向上的用戶信號最好，信號強(qiáng)度最大，偏離主瓣方向越多的用戶信號強(qiáng)度越小。4G方位角只能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械調(diào)整，而5G新引入電子方位角概念，通過配置不同波束模式調(diào)整覆蓋方向，便于優(yōu)化工作展開，降本增效。同時4G除機(jī)械外，存在電子下傾角概念，普通4G小區(qū)單通道包含垂直所有振子，電下傾可控制垂直所有振子，因此廣播波束和業(yè)務(wù)波束指向由電下傾決定，對廣播和業(yè)務(wù)信道均存在影響。具體通過移向器實(shí)現(xiàn)[5]。移相器分為模擬移相器和數(shù)字移相器，模擬移相器只改變相位，數(shù)字移相器可以改變相位和振幅。5G引入波束下傾角概念，采用數(shù)字下傾調(diào)整方式。數(shù)字傾角通過基帶編碼預(yù)制（Baseband Precoding），電子傾角通過移相器改變整體輻射信號的包絡(luò)的下傾角。移相器分為模擬移相器和數(shù)字移相器，模擬移相器只改變相位，數(shù)字移相器可以改變相位和振幅[6]。

5G波束掃描收發(fā)原理分為3個階段來實(shí)現(xiàn)波束下發(fā)：

1. P1階段：基站全向發(fā)送SSB波束，UE用寬波束掃描，UE和基站都掃一遍后，確定基站的窄波束范圍和UE的寬波束，然后UE發(fā)送PRACH，進(jìn)行隨機(jī)接入。

2. P2階段：RRC鏈接建立之后，UE用特定的寬波束上報(bào)SSB測量報(bào)告，基站在最優(yōu)的波束附近，用窄波束掃一遍，確定gNB的窄波束。

3. P3階段：基站固定波束，UE再用寬波束掃描，以此確定UE的窄波束，P3過程結(jié)束之后，UE和基站窄波束完成對準(zhǔn)。

5G 根據(jù)規(guī)劃尋優(yōu)及調(diào)整因子， 形成10000+組合，是4G的30倍+。龐大的組合操作起來及其不方便，現(xiàn)網(wǎng)基于3GGP協(xié)議、現(xiàn)場配置考慮及方便用戶操作使用，最終在系統(tǒng)中缺省內(nèi)置了17種方便使用的波束模式，17種模式由7種不同的水平波寬，3種不同的垂直波寬混合組成。

三、5G 多波束仿真模擬實(shí)測

從傳統(tǒng)4G經(jīng)驗(yàn)得知，高層樓宇內(nèi)深度覆蓋盲點(diǎn)較多，山上站點(diǎn)海拔相對較高，易造成越區(qū)覆蓋;海域站點(diǎn)旁瓣易對周邊道路、海域產(chǎn)生影響，均需合理控制遠(yuǎn)端覆蓋，同時提升室內(nèi)深度覆蓋。驗(yàn)證選取高層樓宇、低層商業(yè)廣場、體育館場景，階梯式驗(yàn)證方法進(jìn)行，需要經(jīng)歷精細(xì)化尋優(yōu)、3D建模仿真、模式匹配選擇過程[7，8]。

3.1精細(xì)化波束尋優(yōu)流程

1.選擇扇區(qū)主覆蓋（方位角±60度范圍內(nèi)）的建筑物作為待規(guī)劃目標(biāo);

2.選擇與站點(diǎn)距離【50，300】范圍內(nèi)的建筑物作為待規(guī)劃目標(biāo);

3.若有室分建筑物列表，則規(guī)劃時應(yīng)排除部署室分站點(diǎn)的建筑物;

4.基于如下拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算扇區(qū)覆蓋建筑物需要的水平與垂直波寬，根據(jù)水平波寬與垂直波寬要求選擇相應(yīng)的波束場景。

如公式1所示通過水平波角計(jì)算正切函數(shù)，以及正切反函數(shù)計(jì)算出的水平波寬與垂直波寬，選擇與此數(shù)值接近的波束場景，其中B為待規(guī)劃建筑物寬度，D為站點(diǎn)到建筑柵格的距離，β為水平波寬。如α介于25°與12°之間，將其與25°和12°中值比較，若α大于中值，選擇垂直波寬25°，否則取12°，若共站相鄰小區(qū)夾角小于90°，順時針較前小區(qū)水平波寬取≤65°。

綜合考慮水平波寬α與垂直波寬β的場景交集，選擇能夠同時滿足水平和垂直覆蓋需求的波束場景。通過計(jì)算高層最適合模式為S13，低層為S0，但是理論數(shù)據(jù)可能與實(shí)際存在偏差，驗(yàn)證測試不能局限于模擬計(jì)算模式。

3.2 3D建筑仿真

3D建筑仿真通過3D高精地圖模擬城區(qū)建筑環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，5G城區(qū)傳播模型進(jìn)行仿真渲染來達(dá)到初步核實(shí)計(jì)算準(zhǔn)確性。如圖2所示，仿真環(huán)節(jié)包含確定建筑范圍、規(guī)劃對應(yīng)參數(shù)組、進(jìn)行仿真優(yōu)化參數(shù)組合增益函數(shù)、基于增益函數(shù)計(jì)算結(jié)果確定下一輪優(yōu)化參數(shù)組、輸出參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。表2所示經(jīng)過選址仿真所有3D仿真結(jié)果如下，高層采用S13模式，低層采用默認(rèn)S0模式，具有較好覆蓋效果[9]。

3.3 實(shí)際測試驗(yàn)證

高樓場景下，S13，S14，S15，S16模式在垂直方向上的增益相同，水平方向增益逐漸減小，實(shí)際測試驗(yàn)證結(jié)果顯示，S13模式在吹瓶和垂直維度增益上均處于較優(yōu)模式，與計(jì)算結(jié)果S13為最優(yōu)模式相同。

低層覆蓋場景室內(nèi)CQT測試與室外DT測試結(jié)果一致，以商業(yè)廣場商業(yè)廣場場景為例，S0 覆蓋優(yōu)于S2模式7db，滿足室外道路和室內(nèi)覆蓋需求，S0為較好模式。商業(yè)廣場選取湖濱廣場、地凱虹廣場、體育館3種不同區(qū)域包含海邊環(huán)境測試，均證明S0模式下，室外道路場景覆蓋良好，直接證明東港低層商業(yè)廣場底層樓宇對垂直波瓣增益需求并不明顯。

如圖3所示，室內(nèi)外驗(yàn)證結(jié)論，高層樓宇采用S13模式，低層樓宇及廣場采用默認(rèn)S0模式，S0+S13組合模式組網(wǎng)能夠獲得較好覆蓋增益。通過各組合模區(qū)域整體測試，后臺指標(biāo)評估的方法，驗(yàn)證以上結(jié)論準(zhǔn)確性及指標(biāo)影響。同時結(jié)合室內(nèi)外整體拉網(wǎng)指標(biāo)顯示，低層建筑區(qū)及廣場區(qū)域采用S0默認(rèn)，高層樓宇采用S13組合模式證明，S13模式在現(xiàn)有站點(diǎn)密度下，滿足道路測試需求，如表4所示同時具有較好室內(nèi)覆蓋增益，且各模式更改后，后臺指標(biāo)未發(fā)生明顯惡化，整體指標(biāo)正常，對系統(tǒng)指標(biāo)無明顯影響。

四、結(jié)束語

通過理論模型搭建、仿真支撐、路測數(shù)據(jù)驗(yàn)證、室內(nèi)CQT驗(yàn)證、驗(yàn)證結(jié)果合理性整體評估的方法得出一致結(jié)論，低層樓宇及廣場選用默認(rèn)S0模式兼顧廣覆蓋，高層選用S13模式提升深度覆蓋，兩者結(jié)合的組合覆蓋模式，對提升海島城區(qū)覆蓋具有較好效果，與理論計(jì)算、模擬仿真、DT/CQT驗(yàn)證、整體評估相吻合。對高層樓宇，低層商業(yè)廣場典型場景摸底測試得出結(jié)論：S0默認(rèn)模式能夠滿足低層樓宇室內(nèi)覆蓋需求，應(yīng)對廣覆蓋效果良好。S13模式對超高層樓宇垂室內(nèi)覆蓋改善效果明顯，S13模式滿足室外道路覆蓋需求，證明廣播波束對實(shí)際不同場景可優(yōu)化配置。其中S0（低層樓宇景）+S13（高層樓宇場景）組合模式適合城區(qū)覆蓋需求。同時依據(jù)理論模型搭建、仿真支撐、路測數(shù)據(jù)驗(yàn)證、室內(nèi)CQT驗(yàn)證、后臺指標(biāo)同步評估、驗(yàn)證結(jié)果合理性整體評估的方法，能夠深入分析網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求點(diǎn)，對不同城市場景具有參考價值。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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