5G場景化波束賦形方案應用研究

王小林

中國聯合網絡通信有限公司佛山市分公司 廣東 佛山 528000

引言

5GNR系統采用波束賦形技術，對每類信道/信號都會形成能量更集中、方向性更強的窄波束。但是相對寬波束（比如LTE波束），窄波束的覆蓋范圍有限，一個波束無法完整的覆蓋小區(qū)內的所有用戶，也無法保證小區(qū)內的每個用戶都能獲得最大的信號能量，所以引入波束管理，基于各類信道/信號的不同特征，gNodeB對各類信道/信號分別進行波束管理，并為用戶選擇最優(yōu)的波束，提升各類信道/信號的覆蓋性能及用戶體驗。本文通過佛山聯通案例應用，總結優(yōu)化效果形成相關經驗，為后續(xù)5G大規(guī)模商用優(yōu)化提供經驗，快速推廣應用至各類典型場景[1]。

1 波束管理優(yōu)勢

對于基站來說，如果天線的信號全向發(fā)射的話，基站周圍的手機只能收到有限的信號，大部分能量都會浪費掉。5G頻段高，波長短，穿透能力強，但是覆蓋范圍小，為了增強5G覆蓋范圍，波束賦形應運而生。通過調整天線的幅度和相位賦予天線輻射圖特定的形狀和方向，使得無線信號能量集中于更窄的波束上，增強覆蓋范圍和減少干擾。

波束賦形方向可控，可跟隨移動終端調整波束的方向。在非視距（NLOS）場景下，波束賦形可利用波的反射和折射，然后信號抵達終端。但是信號經常處于移動狀態(tài)，高頻信號容易受到無限環(huán)境影響，容易被建筑物，雨水阻擋，無法抵達終端。因此為了確保無縫隙覆蓋，需要基站盡可能在不同的方向發(fā)送多個波束，這就需要波束管理技術。

2 場景選擇

5G SSB廣播波束多樣化的權值設計有利于適應不同場景的覆蓋，增強覆蓋、降低干擾、提升測量精度，覆蓋優(yōu)化手段相對LTE更多樣化。通過計算覆蓋需求區(qū)域的寬度、高度與基站距離、高度、下傾角之間的關系，利用幾何知識，求出匹配場景覆蓋需求的波束覆蓋場景方案，設置合理的SSB廣播波束的權值（水平波寬和垂直波寬），以達到實際用戶的業(yè)務覆蓋要求[2]。

2.1 垂直波寬確定

通過輸入站高、樓高以及樓站距離可以算出所需垂直波寬A：

其中，h1：基站高度；h2：樓宇高度；d1：樓宇到基站水平距離。

2.2 水平波寬確定

通過輸入樓寬以及樓站距離可以算出所需水平波寬B：

w1：樓宇寬度；d1：樓宇到基站水平距離；

上述2個步驟是小區(qū)在理想方位和下傾角覆蓋條件下，求出的理想垂直和水平波寬需求。波束優(yōu)化不同場景選擇里面具備不同的下傾角、方位角可調范圍，結合實際的小區(qū)方位角和下傾角進行補償后即可求出實際所需垂直和水平波寬（見圖1），在方位角和下傾角與實際需求相差過大時，還需要結合RF優(yōu)化調整[3]。

圖1 水平、垂直波寬計算示意圖

3 測試驗證

選取佛山聯通5 G 華為基站：佛山-H-佛山福升大廈-8519887-ONR-DS，覆蓋場景包括中高低層樓宇場景，通過修改NR DU小區(qū)TRP波束配置，同步進行現場CQT樓宇測試17種場景對比，統計各場景樓宇的平均RSRP，SINR以及下載速率，進一步驗證不同波束權值對場景的覆蓋差異。通過場景化測試驗證，分析低中高樓宇覆蓋場景與水平3db波寬、垂直3db波寬的關系[4]。相關驗證對比數據，見圖2所示（見下頁）。

圖2 不同水平&垂直3db波寬覆蓋對比圖

4 驗證結果解析（水平&垂直3db波寬覆蓋分析）

4.1 低層樓宇場景

通過測試驗證，該類型覆蓋場景和水平3db波寬的關系：在90°波寬的場景下覆蓋效果最好，速率最佳。垂直3db波寬對覆蓋場景和速率的影響，在12°波寬覆蓋稍弱，但其平均下載速率是最好的[5]。

綜合考慮，在低層樓宇場景中，采用SSB廣播波束場景7（90°，12°）權值時覆蓋最好，同時在水平波寬90°時，速率也是最好的，用戶體驗更加。

4.2 中層樓宇場景

結合測試驗證，鑒于建筑的橫向面積，水平波寬在110°波寬的覆蓋較好，平均下載速率高。垂直3db波寬覆蓋場景，25°波寬RSRP覆蓋最好，平均下載速率也最高。

綜合分析，中層樓宇場景中，采用SSB廣播波束場景6（110°，12°）權值時覆蓋較好，速率最佳，用戶體驗更佳。

4.3 高層樓宇場景

結合測試驗證，該場景下高層樓宇正對小區(qū)主打方向，水平3db波寬15°時，覆蓋最遠，可以集中覆蓋高層樓宇，在覆蓋最好相應的平均下載速率均是最佳。同步分析垂直3db波寬，12°波寬覆蓋最好，用戶下載體驗速率也是最好[6]。

綜合分析，該高層樓宇場景下采用場景16（15°，25°）權值SSB波束時，覆蓋最好，同時擁有較好的下載速率，有利于深度覆蓋及速率提升。

4.4 驗證結論

通過對以上3種典型場景不同的SSB波束權值分析，對于低層樓宇和中層樓宇場景，綜合考慮低層樓宇的面積，以及相對主打小區(qū)的位置，選擇水平3db波寬稍寬90°或65°，垂直3db波寬12°的權值的SSB廣播波束來覆蓋：如場景7（90°，12°）

對于孤立的高層樓宇，且正對小區(qū)主打方向，可以采用水平3db波寬稍窄，如15°、25°場景。垂直3db波寬稍寬12°或25°的權值組合來覆蓋，如場景16（15°，25°）。

5 結束語

本文提出在不同場景下進行SSB波束權值優(yōu)化，進一步改善5G網絡覆蓋及用戶感知速率。在現網選取3種典型波束權值參數分別應用到中高低樓宇覆蓋場景，通過計算覆蓋需求區(qū)域的寬度、高度與基站距離、高度、下傾角之間的關系，利用幾何知識，求出匹配場景覆蓋需求的波束覆蓋場景方案，設置合理的SSB廣播波束的權值，達到5G用戶的業(yè)務覆蓋要求，同時對樓宇場景提升室內用戶的5G上網感知成效明顯，具備一定的推廣意義。