5G自定義波束在深度覆蓋場景中的應用研究

摘要：深度覆蓋問題一直是網絡優化的痛點，本文在5G自定義波束能靈活實現子波束級權值設置的基礎上，研究探索一套能解決深度覆蓋問題權值波束方案，提升5G深度覆蓋場景網絡質量。

關鍵詞：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，同時大幅度提升單用戶流量滿足終端用戶對不同業務極致體驗的訴求。本文通過合適的波束權值優化方案，可以有效提升5G室內深度覆蓋水平，優化用戶體驗。

2Massive MIMO 定義

Massive MIMO是LTE向5G演進的一項關鍵空口技術，它使用大規模陣列天線，增加了垂直維度和水平維度能力，實現了三維精準波束賦形和多流多用戶資源復用，大幅度提升容量，增強了立體覆蓋。

2.1基本原理

MIMO技術最早是由馬可尼（Marconi）于20世紀初提出的抑制信道衰落的多天線信息傳遞技術。MIMO技術利用了空間維度資源，發射端和接收端分別設置多個天線，從而實現多路數據同時接收或發射。

2.2關鍵技術

Massive MIMO相對于傳統MIMO能夠有效提升性能的最重要關鍵技術就是大規模陣列天線。Massive MIMO通過在基站端放置大規模天線陣列，理論上，當M 趨于無窮時，空間分開的不同用戶的矢量信道將趨于正交，這樣同小區用戶間干擾被消除，簡單的MRC算法即可達到最優，同時，由多天線形成的極窄波束的分辨率將高于產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天線陣子設計

陣子數是影響Massive MIMO性能的一個關鍵點，陣子數越多，波束越窄，能力就越集中，垂直面天線達到2T以上即可實現3G的賦形增益，天線數越多，增益越高。但是，Massive MIMO的陣子數不一定等于天線數，可以通過1驅N的方式，增加更多陣子數，從而提升Massive MIMO的增益。

3波束賦形

3.1基本定義

發射信號經過加權后，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支持自適應三維波束賦形，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UE的位置進行調整可以形成更窄的波束，精準的指向用戶，提升覆蓋性能。

3.2基本原理

關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場輻射情況。

（1）當只存在單個天線振子時，以同極化方向從各個角度對電場振幅進行觀測時，信號是各向同性衰減的，即不存在方向選擇性。

（2）如果增加一個同極化方向的振子，且兩個振子處于同一位置時，即使兩個天線發射信號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生變化，因此信號仍然不存在方向選擇性。

（3）如果增加一個同極化方向的振子，且兩個振子保持一定間隔，則兩列波之間會發生干涉現象，即某些方向振幅增強，某些方向振幅減弱。

4波束管理

多天線陣列的大部分發射能量聚集在一個非常窄的區域，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，因為不同的波束都有各自的聚焦區域，這些區域都非常小，彼此之間不大有交集。

5主流廠家波束組合配置

5.1默認固定權值波束方案

默認固定權值波束方案是主流設備廠家，經過嚴格的微波暗室測試和現網驗證，形成固定權值配置組合庫，優化人員只需按具體覆蓋場景類型選其中一種權值配置即可完成權值優化，但靈活性不足，面對復雜多樣性場景，不能做到精準覆蓋。一般設備廠商設計的標準化權值組合pattern為14至17種之間。

5.2自定義的權值波束方案

自定義權值波束方案，是指各設備廠商完全開放了天線權值的設置限制，能做到子波束級別的權值調整，每個子波束的方位角、下傾角、子波束水平波瓣寬度、子波束垂直波瓣寬度，權值四元參數均實現解耦，能夠靈活配置，權值調整空間得到幾何級的增加，能夠針對現網極其復雜的多樣化場景進行SSB波束精細優化調整。

6針對深度覆蓋場景的波束方案設計思路

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，全部為密集底層建筑群，建筑物阻擋嚴重，深度覆蓋不足問題突出，特殊場景需要定制高增益子波束，且進行水平放置，除了使用最窄子波束之外，還按需對覆蓋密集居民區的子波束開通boosting功能，做子波束功率增強。

75G深度覆蓋場景的權值優化設計思路

根據權值波束數據、MDT數據，密集區域的大小，對深度覆蓋區域進行權值優化，對MDT采樣點進行聚類，找出采樣點聚合方位，通過計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算用戶分布得到的水平波寬、電子方位角、電子下傾角進行融合，生成最佳的水平波寬、電子方位角、電子下傾角，其中計算建筑物分布得到垂直波寬即為最佳垂直波寬。最后根據自定義波束四元參數可配置范圍，找出最相似的作為最終的方案進行輸出。

85G深度覆蓋優化算法驗證。

對現網5G深度覆蓋場景小區進行應用，基于密集建筑區域和MDT采樣點，應用5G深度覆蓋場景權值優化算法，對省內密集居民區內樓宇進行尋優，通過尋優算法，計算出的權值方案結果，優化前后，平均RSRP提升10db，覆蓋率提升6.60%，上下行總流量提升103.47%，RRC用戶數提升77.78%。

9總結

本文充分利用5G自定義波束的潛力，在支持子波束級權值靈活配置的基礎上，徹底彌補了以往5G波束方案，無法適配深度覆蓋場景的痛點問題，使天線權值優化方案的精細化程度邁向一個新的高度，真正實現場景化的SSB波束掃描，為后續人工智能權值優化，提供良好的業務能力基礎，提升5G網絡質量。

參考文獻：

[1]曹誠.5G網絡架構和關鍵技術[J].無線互聯科技，2015（9）：16-17.

作者簡介：趙永紅（1985.4 -），男，廣東省江門市，漢族，學歷本科，中級工程師，長期從事網絡優化策略研究、無線網絡專網規劃優化、新技術等方面的研究與實踐。