5G網絡SSB 1+X波束技術應用研究

李貝，胡煜華，王鑫炎，許國平，劉光海，肖天，成晨，李一

工程與應用

5G網絡SSB 1+X波束技術應用研究

李貝1，胡煜華2，王鑫炎2，許國平3，劉光海1，肖天1，成晨1，李一1

（1.中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048；2.中國聯合網絡通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；3.中國聯合網絡通信集團有限公司，北京 100033）

3GPP標準在5G中引入了波束掃描和空域的維度，信道狀態信息（channel state information，CSI）是UE上報給eNodeB的信道狀態信息，信道狀態信息參考信號（channel state information-reference signal，CSI-RS）是UE用來獲取信道狀態信息的參考信號。終端接入時基站采用SSB波束輪發探測終端的最優波束，在終端接入后獲取參考信號的配置信息后對信道狀態信息進行反饋，基站采用CSI-RS波束輪發的最優波束。5G天線靈活配置波束個數并且兼顧水平維度、垂直維度的覆蓋。結合廣播波束發展、現網水平7波束面臨的挑戰，分析比較了水平7波束與1+波束兩種方案，并對兩種方案進行測試分析。測試結果表明，1+波束具有較水平7波束覆蓋相當、控制干擾、降低資源開銷和設備能耗的優勢，結合自動優化工具的應用達到提升工作效率的效果。

5G；波束掃描；SSB；CSI-RS；7波束；1+波束

0 引言

移動通信使用的無線電波頻率越高路徑損耗越大，在高頻場景下穿過建筑物的穿透損耗也隨之增加，勢必增加了信號覆蓋的難度。3GPP協議在5G NR中引入了波束管理，波束管理包含波束掃描、波束測量等流程，其中，波束掃描階段，終端接入時基站采用廣播波束SSB輪發探測終端的最優波束，在終端接入，并獲取信道狀態信息參考信號（channel state information-reference signal，CSI-RS）的配置信息并進行信道狀態信息（channel state information，CSI）的反饋，基站采用CSI-RS波束輪發的最優波束。同時5G NR也引入了空域的維度，相比較于傳統天線，5G天線權值配置更為靈活，靈活配置波束個數和兼顧水平維度、垂直維度的覆蓋。利用SSB 1+波束方案可實現不同場景下SSB不同波束配置，能夠實現5G網絡覆蓋增強、性能提升、功耗降低，結合AI訓練選擇最優的權值組實現自動優化，提升工作效率。

1 廣播波束發展

相較于4G LTE 有1個固定寬度且不能場景定制化的廣播波束，5G NR根據3GPP協議規定SSB和CSI-RS實現廣播信道和業務信道的測量，主同步信號（primary synchronization signal，PSS）、輔同步信號（secondary synchronization signal，SSS）、物理廣播信道（physical broad cast channel，PBCH）和解調參考信號（de modulation reference signal，DMRS）在4個連續的正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符號內接收并構成SSB。SSB波束信號質量影響用戶的接入和移動性等性能，CSI-RS波束信號質量影響速率和用戶感知，不同的波束寬度、高度結合應用可實現波束分層應用，每20 ms為一個掃描周期，按照時分水平、垂直或立體組網結構進行目標區域掃描，可靈活適應不同場景。

相較于4G LTE多陣列天線，5G采用大規模陣列天線且天線波束更窄、增益提高，在機械、電子調整的基礎上增加了數字調整、廣播波束支持賦形。水平/垂直覆蓋增加到8/4通道，每通道3/3個振子，每通道水平波束寬度擴展到100°、垂直波束寬度擴展24°，支持水平、垂直波束變化，尤其是垂直面應用更靈活。

2 水平7波束面臨波束管理挑戰

波束掃描使基站針對終端的不用位置在不同方位、傾角的多個波束中選擇最優波束發射達到增強下行覆蓋、減少干擾。3GPP協議規定5G NR case C TDD下2.4 GHz <頻率≤6 GHz，時域最大支持8 SSB，2.5 ms雙周期的幀結構下（子幀配置配比D:Gap:U=10:2:2），SSB必須包含在一個連續5 ms內，低頻最多連續2 ms內可檢測4個時隙slot，也即最小集SSB要求在2 ms內發送完畢。受此限制中國電信、中國聯通幀結構下有7個SSB，電聯2.5 ms雙周期的幀結構SSB 7波束在每個slot的符號位置如圖1所示。

圖1 2.5 ms雙周期的幀結構SSB7波束在每個slot的符號位置

現網采用水平7波束能快速實現高質量拉網性能，但是從今后商用來看，覆蓋方面，因水平7波束無預留波束，空間可拓展性差，未考慮到垂直覆蓋的需求；容量方面，7波束及配套的SIB/paging消息帶來較大的資源開銷，影響極限體驗和網絡容量；切換方面，7波束切換決策需要權衡多個波束的測量結果，精細化優化難度大；節能方面，7波束及配套的SIB/paging消息帶來較大的時隙占空比，影響低負載條件下的時隙關斷和節能。上述潛在問題給后繼波束管理提出了挑戰。

3 SSB 1+X方案

波束用“五元”權值組畫像，“五元”權值組指水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、下傾角、方位角、pattern（即SSB波束數量）。1指1個水平寬波束、指靈活的垂直波束，根據需要配置垂直波束，=｛0,1,2,3｝。5G在小區簇優化中采取小區組連片優化，因此在常規優化中需考慮小區組、小區和波束的“三級”優化。“五元”權值組和“三級”優化組合后，單小區數萬級權值組，隨小區數量指數級增長，大量權值組人工無法精細優化。基于智能化平臺實現規劃波束權值、時域錯開，以及自動優化波束權值實現場景化精細部署，智能迭代優化達到最簡單波束結構、最優網絡性能、最低設備能耗、最快優化效能的目標。本文研究模型的參數配置見表1。

表1 參數配置

3.1 彌補覆蓋損失、控干擾提升網絡性能

為達到單播束獲得與多波束相當的覆蓋水平的目標，SSB水平覆蓋波束方案對比如圖2所示，“1”寬波束與多波束相比增益損失6～7 dB，但可通過6 dB SSB功率增強進行彌補，即功率增強型水平單播束獲得與7波束接近的覆蓋性能，支撐良好網絡覆蓋水平。

1+波束方案降低干擾原理如圖3所示，1+中=｛0,1,2,3｝，可預留多個波束位置用于垂直擴充，以最少的水平SSB波束加上按需垂直波束實現三維全空間覆蓋及深度覆蓋拓展，相鄰干擾小區SSB時域位置模（=1，2，3，4）錯開以降低鄰區間SSB的相互干擾，通過業務信道自動打孔調度降低相鄰小區SSB與業務信道之間的干擾。

圖2 SSB水平覆蓋波束方案對比

圖3 1+X波束方案降低干擾原理

3.2 SSB靈活使用降低資源開銷和設備能耗

當SSB周期20 ms，5G系統消息1（system information blocks 1，SIB1）周期40 ms，paging周期10 ms時，對功率增強型水平單波束（以SSB單束boosting 6 dB+模3錯開為例）、水平7波束資源開銷和AAU節電理論對比分析如下，根據表1參數配置共273個5G資源塊（resource block，RB），初始接入相關消息在48個RB中調度，資源開銷對比見表2，功率增強型水平單播束較水平7波束總體開銷節省約3%、接入資源開銷節省約20%。

表2 資源開銷對比

有源天線單元（active antenna unit，AAU）節電能耗對比見表3，與7波束相比，功率增強型水平單波束（以1+3波束為例）下AAU節電4.88% [(78.06%?45.56%)×15%]，其中，15%為完全空載時 64TR AAU的節電幅度。

3.3 自動優化提升工作效率

網管上進行小區波束配置時首先配置水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、下傾角、方位角，系統會自動計算出對應的權值，選擇對應的pattern，再考慮小區組、小區和波束的“三級”優化共計數萬級單位權值組合，基于神經網絡訓練智能規劃實現“1”時域錯開規劃和“”波束規劃的高效部署使權值組合降低至數千級權值組合，利用AI訓練選優權值組確保SSB自動權值優化取得穩定增益，但用戶感知速率并未得到實質性改善。目前5G商用終端不支持CSI-RS波束參考信號接收功率（reference signal receiving power，RSRP）測量及上報，無法直接進行優化，通過蟻群優化算法訓練建模，建立SSB和CSI權值匹配映射表，然后根據SSB優化后的權值尋優CSI權值。而通過蟻群優化算法優化獲取局部最優天線權值，通過初始值個數和迭代次數的優化，自動下發權值，大幅降低了波束的尋優、迭代和配置時間。

表3 AAU節電能耗對比

4 SSB 1+X波束方案實施效果

SSB 1+波束方案理論上達到覆蓋與7波束相當、控制干擾、降低資源開銷和設備能耗，以及自動優化提升工作效率的作用，某市選取高樓和空曠公園兩個場景進行水平7波束和1+3波束的測試驗證。

4.1 空曠場景遠中近點覆蓋和抗干擾效果提升明顯

選取某市婦幼保健院場景，婦幼保健院基站高約18 m，PCI 523小區覆蓋廣場和公園；選取遠、中、近點進行多次測試；拉網路線圍繞廣場和公園，全長950 m左右，拉網測試RSRP/信號與干擾加噪聲比（signal to interference plus noise ratio，SINR）/下行平均速率的7波束與1+3波束對比如圖4所示。定點測試數據顯示，1+3波束在遠中近點效果明顯，具有相當的水平覆蓋，垂直覆蓋提升30%，遠點SINR提升1.7 dB降低了干擾，遠點下行速率提升明顯，定點測試（遠、中、近點）7波束與1+3波束對比如圖5所示。拉網測試7波束與1+3波束對比見表4，1+3波束RSRP持平，SINR平均下降1.49 dB，下行平均速率下降5.8 Mbit/s。整體看，1+3波束在空曠場景遠中近點覆蓋和抗干擾效果提升明顯，拉網測試感知與水平7波束相當。

4.2 高層建筑高樓層覆蓋和抗干擾提升明顯

選取某市財富廣場大廈場景，財富廣場大廈基站高約18 m，PCI28小區正對財富廣場大廈，直線間距420 m，無遮擋；財富廣場大廈共39層，高166 m，定點測試點位分布1F、5F、6F、8F、10F、12F、15F、17F、20F、21F、23F、25F、27F和30F；拉網路線圍繞財富廣場，全長950 m。測試顯示，在低層（1F～5F），水平7波束和1+3波束的覆蓋能力相當；在高層（6F～30F），1+3波束的覆蓋能力均強于水平7波束。

拉網測試7波束與1+3波束對比見表5，1+3波束與7波束覆蓋相當。選取財富廣場大廈8層樓道進行走動測試，樓層測試RSRP/SINR/下行平均速率的7波束與1+3波束對比如圖6所示，呈現出正向增益。定點1F～30F 7波束與1+3波束對比如圖7所示。整體來看，1+3波束與7波束在高層建筑的低層感知相當，在中高層1+3波束覆蓋和抗干擾提升明顯，綜合整體覆蓋，1+3波束的覆蓋優勢較為明顯。

4.3 節能降功耗

在低負載網絡下，采集了2020年5月5日到11日小時級數據，與水平7波束相比，1+3波束配置下發送更少的SSB/SIB1/paging，占用更少的時隙/符號，在低負載條件下可以實現更多的亞幀關斷。以某區域450個某型號AAU為例，平均每小時0.465 kW.h電（7波束），平均每小時0.386 kW.h電（7波束開啟節能），平均每小時0.349 kW.h電（SSB 1+3波束開啟節能），能耗改善明顯。測算如下，保障最小的復雜度提供最高的網絡能耗收益，能耗對比如圖8所示。

圖4 拉網測試RSRP/SINR/下行平均速率的7波束與1+3波束對比

圖5 定點測試（遠、中、近點）7波束與1+3波束對比

表4 拉網測試7波束與1+3波束對比

圖6 樓層測試RSRP/SINR/下行平均速率的7波束與1+3波束對比

圖7 定點1F～30F 7波束與1+3波束對比

7波束開啟節能的省電比例：（0.465?0.386）/0.465=17.0%

SSB 1+3波束開啟節能后相較于7波束開啟節能：（0.386?0.349）/0.386=9.6%

5 1+X方案波束的限制

終端上報NR小區RSRP測量時采用SSB測量結果合并上報RSRP門限和評估小區級質量的SSB兩個參數計算小區RSRP，移動終端進行NR小區RSRP測量時只有當NR SSB 波束信號高于SSB測量結果合并上報RSRP門限才會參與小區RSRP的計算。若所有波束測量結果均小于該門限，則小區的測量結果上報最好波束的測量結果，否則小區的測量結果則大于該門限的所有波束測量結果的平均值，做平均的波束數不能超過SSB最大個數（一般建議設為3）。對于1+組網因1和波束覆蓋范圍不同則不能按照波束求平均方式上報，需要按照最強波束上報，SSB測量結果合并上報RSRP門限建議設置為?45 dBm。

6 結束語

本方案水平與垂直覆蓋解耦設計保證水平連續覆蓋穩定的同時，靈活的波束配置滿足不同場景的垂直覆蓋要求，提供優質水平覆蓋的基礎上垂直覆蓋率提升30%+，更少的時隙資源占用達到低負載下設備功耗降低9%～10%，依托智能網絡規劃和網絡優化工具，高效部署與優化，助力移動網絡優化數字化轉型。1～1+分步實施，具備演進性。隨著5G的廣泛覆蓋和大量應用，場景精細優化越來越突現其重要性，1+的智能應用將會更加廣泛應用，提供更好的用戶體驗。

表5 拉網測試7波束與1+3波束對比

圖8 能耗對比

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Research on SSB 1+X beam technology of 5G network

LI Bei1, HU Yuhua2, WANG Xinyan2, XU Guoping3, LIU Guanghai1, XIAO Tian1, CHENG Chen1, LI Yi1

1. Research Institute of China UnitedNetwork Communications Co.,Ltd.,Beijing 100048, China 2. Zhejiang Branch ofChina United Network Communications Co.,Ltd.,Hangzhou 310051, China 3. China United Network Communications Group Co.,Ltd, Beijing 100033, China

Beam scanning and spatial dimensions in 5G was introduced in the 3GPP standard. When UE connects gNodeB, gNodeB uses SSB beam rotation to detect the optimal beam of UE. After UE was connected, the CSI-RS configuration information could be obtained and the CSI could be normal feedback，gNodeB adopted the optimal beam transmitted by the CSI-RS beam in turn. 5G antennas flexibly configure the number of beams and take into account coverage in both horizontal and vertical dimensions. The development of broadcast beams and the horizontal 7 beams facing challenges were presented, the horizontal 7 beam and 1+beam schemes were analyzed. Finally, efficiency was presented.

5G, beam scanning, SSB, CSI-RS, 7 beam, 1+beam

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022012

2021?12?01；

2022?01?07

胡煜華，huyh33@chinaunicom.cn

李貝（1983?），女，中國聯合網絡通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為網絡智能運營。

胡煜華（1973?），男，中國聯合網絡通信有限公司浙江省分公司高級工程師，主要研究方向為無線網絡規劃建設。

王鑫炎（1985?），男，中國聯合網絡通信有限公司浙江省分公司工程師，主要研究方向為無線網絡規劃優化。

許國平（1978?），男，博士，中國聯合網絡通信集團有限公司教授級高級工程師，主要研究方向為無線網絡優化。

劉光海（1972?），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為智能運營。

肖天（1991?），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為網絡智能運營。

成晨（1990?），女，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為網絡智能運營。

李一（1990?），女，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為網絡智能運營。