關(guān)于Massive MIMO 廣播波束自適應(yīng)算法的探討

［曹廣山 馬云剛 宋玉利 李磊 趙士超］

1 概述

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步推進(jìn)，5G 終端產(chǎn)業(yè)鏈的日漸成熟。Massive MIMO 技術(shù)在5G 覆蓋中扮演著越來(lái)越重要的角色。尤其是對(duì)于特殊場(chǎng)景以及特定用戶行為軌跡場(chǎng)景的覆蓋，成為了當(dāng)務(wù)之急。如何在現(xiàn)有站點(diǎn)的基礎(chǔ)上通過(guò)技術(shù)手段來(lái)解決這一難題，建設(shè)一張高品質(zhì)、具有競(jìng)爭(zhēng)力的5G 網(wǎng)絡(luò)成為擺在聯(lián)通面前的一個(gè)重要問(wèn)題。

隨著中國(guó)聯(lián)通5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，5G Massive MIMO 技術(shù)的不斷演進(jìn)。這一契機(jī)為5G 站點(diǎn)增強(qiáng)覆蓋性能帶來(lái)了機(jī)遇。目前中國(guó)聯(lián)通5G 站點(diǎn)廣播波束的覆蓋為固定寬波束或者固定波形的窄波束，廣播波束的能量分配平均。為了更好的提升覆蓋效果，山東聯(lián)通通過(guò)對(duì)波形形成原理和波形特性的深入研究，結(jié)合山東聯(lián)通現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景的特殊性，根據(jù)用戶行為軌跡和MR 反饋，調(diào)整Massive MIMO 天線陣子權(quán)值賦值并進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，為解決這一問(wèn)題提出了應(yīng)對(duì)策略，為后續(xù)5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供重要依據(jù)。

2 廣播波束定義

3GPP 協(xié)議中規(guī)定5G NR 的廣播波束由主同步信道（PSS）、輔同步信道（SSS）和廣播信道（PBCH）組成，稱為SSB（SS-Block）。其中PSS 和SSS 共同指示了小區(qū)的PCI 值（PCI 共3x336=1 008 個(gè)）。主要作用為終端在解調(diào)了SSB 中的MIB 消息后，獲得了后續(xù)繼續(xù)解調(diào)SIB1的能力。在多波束SSB 設(shè)置中，SSB 發(fā)送的位置由子載波間隔來(lái)計(jì)算，例如：聯(lián)通3.5 GHz 30 kHz 的子載波間隔則SSB 的位置可以通過(guò)公式{2，8}+14 ?n（n=0,1,2,3）計(jì)算，其中2,8 代表起始點(diǎn)，14 代表每個(gè)TTI 中的symbol 數(shù)量（2.5 ms 雙周期），每個(gè)默認(rèn)的廣播周期內(nèi)最多可以存在7 個(gè)SSB，集中在廣播周期中第一個(gè)系統(tǒng)幀的前半幀中，如圖1 所示。

圖1 SSB 位置指示圖

Massive MIMO 作為5G 的關(guān)鍵特性之一，可以通過(guò)Pattern 調(diào)整，支持多種覆蓋場(chǎng)景，同時(shí)，SSB 波束支持調(diào)整陣子權(quán)值賦值來(lái)改變小區(qū)的水平和垂直覆蓋，也支持傳統(tǒng)RF 調(diào)整方式。面對(duì)特殊覆蓋場(chǎng)景，在傳統(tǒng)廣播波束無(wú)法提供足夠的支撐，通過(guò)RF 調(diào)整無(wú)法滿足覆蓋需求，廣播波束自適應(yīng)測(cè)試驗(yàn)證了在單獨(dú)調(diào)整陣子權(quán)值的情況下，如何針對(duì)特定的場(chǎng)景和特定的KPI 需求，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的權(quán)值傾斜，以達(dá)到提升5G 覆蓋的目的，在最大程度上通過(guò)現(xiàn)有站點(diǎn)資源實(shí)現(xiàn)最大能力的覆蓋提升，減少站點(diǎn)投資、人工上站成本并提升網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，如圖2，圖3 所示。

圖2 SSB 寬波束示意

圖3 SSB 多波束示意

2.1 Massive MIMO 自適應(yīng)算法的原理流程

Massive MIMO 自適應(yīng)算法的原理是通過(guò)收集終端上報(bào)的MRO 文件，解析出來(lái)終端上報(bào)的所在位置的經(jīng)緯度、RSRP 強(qiáng)度以及SINR 強(qiáng)度等信息，獲得用戶所在區(qū)域的精確位置，無(wú)線環(huán)境情況。并以天級(jí)為單位統(tǒng)計(jì)出小區(qū)級(jí)的用戶地理分布情況。

同時(shí)，參考區(qū)域內(nèi)的每天的用戶數(shù)量、用戶行為軌跡以及無(wú)線環(huán)境情況，確定天線權(quán)值調(diào)整參數(shù)，由基帶板發(fā)送給AAU 對(duì)內(nèi)部天線權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，影響波束波形，提升用戶密集區(qū)域無(wú)線環(huán)境質(zhì)量。

系統(tǒng)流程圖如圖4 所示。

圖4 自適應(yīng)系統(tǒng)流程圖

由于在天線權(quán)值調(diào)整之后，Massive MIMO 天線整體的能量輸送角度有所變化，在用戶活動(dòng)較多的區(qū)域有所加強(qiáng)，在相對(duì)用戶較少，同時(shí)業(yè)務(wù)量較小的區(qū)域能量輸出將會(huì)參照線性權(quán)值變化趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整，兼顧被調(diào)整區(qū)域用戶感知。

Massive MIMO 與傳統(tǒng)天線相比陣子數(shù)多劃分的天線陣列多，由于Massive MIMO 天線采用了192 個(gè)天線陣子，同時(shí)在水平方向上分為8 個(gè)天線陣列，在垂直方向上劃分成4 個(gè)天線陣列，因此，可以在水平方向和垂直方向上同時(shí)進(jìn)行權(quán)值調(diào)整已達(dá)到最優(yōu)覆蓋。本文僅對(duì)水平方向上的調(diào)整做介紹。

2.2 傳統(tǒng)廣播波束波形與自適應(yīng)算法波形比較

傳統(tǒng)廣播波束的掃描周期和特定覆蓋模式下的天線陣子權(quán)值固定，因此，不會(huì)受到用戶行為變化或?qū)嶋H覆蓋效果的影響，波束形狀保持固定不變。通常情況下，傳統(tǒng)廣播波束波形變化需要根據(jù)覆蓋區(qū)域網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的提取、分析后認(rèn)為進(jìn)行干預(yù)，調(diào)整波束方向和形狀，通常需要耗費(fèi)較大的時(shí)間和成本，經(jīng)過(guò)多輪調(diào)整和測(cè)試，才能達(dá)到預(yù)期的5G 覆蓋率的提升。而且，一旦用戶行為發(fā)生改變，則需要重新進(jìn)行人為干預(yù)的波形調(diào)整。

廣播波束自適應(yīng)算法的應(yīng)用，可以通過(guò)定期自主收集MR 指標(biāo)，通過(guò)對(duì)MR 指標(biāo)的分析確定該小區(qū)覆蓋區(qū)域內(nèi)弱覆蓋點(diǎn)，從而對(duì)天線陣子的默認(rèn)權(quán)值進(jìn)行修改，達(dá)到改變廣播波束波形的目的。由于自適應(yīng)算法可以自主分析終端反饋信息，從而節(jié)省了大量的DT 測(cè)試和CQT 測(cè)試工作，達(dá)到提升覆蓋率、改善用戶感知、節(jié)省時(shí)間和成本的目的。圖5 所示舉例說(shuō)明了默認(rèn)權(quán)值與自適應(yīng)算法調(diào)整權(quán)值后的波形比較：

圖5 默認(rèn)權(quán)值波形（左）與自適應(yīng)算法波形比較（右）

3 針對(duì)特定場(chǎng)景的SSB 波束自適應(yīng)測(cè)試

我們選取濰坊市奎文區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)局基站進(jìn)行測(cè)試，該站點(diǎn)覆蓋場(chǎng)景包括寫(xiě)字樓，酒店，商城，居民區(qū)等。選擇覆蓋場(chǎng)景比較豐富的站點(diǎn)，更有利于驗(yàn)證智能自適應(yīng)的廣播波束權(quán)值方案對(duì)覆蓋的提升情況，詳見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試站點(diǎn)小區(qū)情況

3.1 測(cè)試參數(shù)設(shè)置

3.5GHz 基站配置情況為：功率配置為200 W，SSB-RS參數(shù)為17.8 dBm，NR 下行中心載頻3 550 MHz，帶寬100 MHz；下上行時(shí)隙配比7:3。SA 終端天線配置要求2T4R，最大發(fā)射功率為26 dBm。

3.2 測(cè)試情況說(shuō)明

我們對(duì)3.5 GHz 頻段的覆蓋下道路弱覆蓋區(qū)域和深度覆蓋區(qū)域兩種場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，保持3.5G 頻段主瓣法線方向、掛高、方向角、下傾角（包含電子下傾）和功率譜密度不變，進(jìn)行相關(guān)的CQT 測(cè)試、DT 測(cè)試以及后臺(tái)MR 指標(biāo)提取來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。

連續(xù)覆蓋區(qū)域室外拉網(wǎng)路測(cè)時(shí)，確保實(shí)時(shí)記錄主測(cè)小區(qū)狀態(tài)、用戶數(shù)信息以及全程記錄測(cè)試log；

在進(jìn)行深度覆蓋CQT 測(cè)試時(shí)，我們選擇主測(cè)小區(qū)主瓣右側(cè)弱覆蓋區(qū)域?yàn)橛覀?cè)20°方向2 個(gè)點(diǎn)位和主瓣左側(cè)弱覆蓋區(qū)域?yàn)樽髠?cè)20°覆蓋區(qū)域2 個(gè)點(diǎn)位，在天線權(quán)值賦值前后分別進(jìn)行多次CQT 測(cè)試，并詳細(xì)記錄結(jié)果。

3.3 波束自適應(yīng)賦形對(duì)弱覆蓋路段提升測(cè)試

選取主瓣覆蓋方向道路，在權(quán)值調(diào)整前后分別進(jìn)行DT 測(cè)試，對(duì)比默認(rèn)權(quán)值與新權(quán)值對(duì)于波束方向和形狀的影響。

新權(quán)值波瓣變窄，方向性更強(qiáng)，如圖6 所示。

圖6 默認(rèn)權(quán)值與新權(quán)值波束對(duì)比（橙色為傳統(tǒng)波形，藍(lán)色為新權(quán)值波形）

默認(rèn)權(quán)值與新權(quán)值DT 測(cè)試對(duì)比如圖7 所示。

圖7 DT 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

測(cè)試結(jié)果，如圖8 可看出，權(quán)值調(diào)整后，整體覆蓋效果較默認(rèn)權(quán)值下有了明顯的提高，其中小區(qū)邊緣530～550 m處覆蓋提升了6 dB。距離站點(diǎn)270 m 以上時(shí)，新權(quán)值的覆蓋明顯好于默認(rèn)權(quán)值；在覆蓋距離為590 m 時(shí)，默認(rèn)權(quán)值SS-RSRP 為-110 dBm，新權(quán)值的為-100 dBm，覆蓋提升10 dB；新權(quán)值覆蓋距離比默認(rèn)權(quán)值遠(yuǎn)170 m，提升了覆蓋廣度。

圖8 RSRP 測(cè)試結(jié)果

3.4 波束自適應(yīng)賦形對(duì)對(duì)用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)影響的對(duì)比測(cè)試結(jié)果

通過(guò)12 月4 日凌晨開(kāi)啟波束自適應(yīng)賦型后，取前后兩天的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)接入用戶數(shù)及單用戶平均下載速率均有不同程度提升，平均用戶數(shù)由波束自適應(yīng)賦型操作之前的9.68 提升至11.18，提升比例15.49%；單用戶平均下載速率由447.62 Mbit/s 提升至477.98 Mbit/s，提升比例6.78%；通過(guò)波束自適應(yīng)調(diào)整，對(duì)用戶接入提升影響較大，用戶感知層面亦有提升。如圖9 指標(biāo)對(duì)比圖所示。

圖9 用戶數(shù)及平均下載速率對(duì)比圖

4 廣播波束自適應(yīng)算法的應(yīng)用建議

由于5G NR 采用TDD 模式頻段的同頻組網(wǎng)，必須要合理控制覆蓋范圍以降低重疊覆蓋度。同時(shí)，3.5 GHz 頻段較高，覆蓋范圍受到終端上行功率的影響，有必要在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新來(lái)提升覆蓋質(zhì)量并確保業(yè)務(wù)感知。

因此，建議在網(wǎng)絡(luò)部署逐步擴(kuò)大的過(guò)程中，要綜合分析每個(gè)NR 小區(qū)的覆蓋范圍，并根據(jù)分析結(jié)果為每個(gè)NR 小區(qū)配置不同的廣播波束賦形權(quán)值，保證每個(gè)NR 小區(qū)均能按照覆蓋需求進(jìn)行廣播波束覆蓋，改善廣播波束的RSRP 和SINR，最大化的提升接入性能，同時(shí)可以保障在用戶行為軌跡發(fā)生變化時(shí)，可以自主調(diào)整天線陣子權(quán)值，提供符合當(dāng)前覆蓋需求的波形，保證用戶接入。簡(jiǎn)化繁瑣的測(cè)試-調(diào)整-再測(cè)試-在調(diào)整的工作模式，確保相關(guān)的站點(diǎn)資源和人力資源充分利用。

此外，在室外5G 基本連續(xù)覆蓋的前提下，建議同步應(yīng)用廣播波束自適應(yīng)算法，自主發(fā)現(xiàn)小區(qū)弱覆蓋區(qū)域并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，在平衡站點(diǎn)可用波束資源的前提下，提升MR 指標(biāo)，擴(kuò)展5G 覆蓋，提升用戶感知。

5 結(jié)束語(yǔ)

在廣播波束自適應(yīng)算法實(shí)施的過(guò)程中，通過(guò)后臺(tái)自主獲取MR 信息，自主分析小區(qū)覆蓋需求，自主調(diào)整波束覆蓋的方向和強(qiáng)度，使得小區(qū)有效覆蓋率增加，使用戶獲得了更好的體驗(yàn)。同時(shí)，廣播波束自適應(yīng)可以節(jié)省人工DT測(cè)試、人工分析再調(diào)整的時(shí)間，節(jié)省成本，提升網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效率。

廣播波束自適應(yīng)算法的靈活性為5G 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了新的手段，為后續(xù)提升網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)效率和組網(wǎng)決策提供了一定的借鑒。