Massive MIMO天線權(quán)值自優(yōu)化在5G 網(wǎng)絡(luò)中的應用

1 概述

網(wǎng)絡(luò)覆蓋是網(wǎng)絡(luò)感知的基礎(chǔ)，良好的覆蓋是保障網(wǎng)絡(luò)性能的前提，5G 技術(shù)較于2G/3G/4G 技術(shù)引入了空域的維度；相比傳統(tǒng)天線，5G 天線水平波瓣寬度等權(quán)值配置更為靈活、覆蓋場景更為多樣，5G 覆蓋場景多樣帶來優(yōu)化調(diào)整難度增加。本文闡述的Massive MIMO 天線權(quán)值自優(yōu)化技術(shù)，可自適應靈活調(diào)整天線權(quán)值配置，達到快速智能網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)效果，大大提升工作效能、縮減人力成本投入，可達到多種場景下最優(yōu)覆蓋效果。

2 技術(shù)現(xiàn)狀及優(yōu)化瓶頸

Massive MIMO 技術(shù)將天線陣列從一維擴展到二維，能夠同時控制天線方向圖在水平方向和垂直方向的形狀，稱為3D 波束賦形（3D Beamforming），3D 波束賦形使基站針對用戶在空間的不同分布，將信號精準地指向目標用戶。Massive MIMO 天線具有靈活的水平和垂直覆蓋能力，大規(guī)模天線陣列提供更高的信道增益，更大范圍內(nèi)的波束賦形對目標用戶提供更好的增益效果，對于整個小區(qū)的信號覆蓋更加徹底，提供更大范圍的廣播信道覆蓋能力。更寬的垂直波束覆蓋范圍不僅能夠增強高樓覆蓋，同時也能夠增強水平宏覆蓋場景的業(yè)務(wù)能力。

5G 網(wǎng)絡(luò)由主同步序列、輔同步序列、物理廣播信道和解調(diào)參考信號組合在一起構(gòu)成的SSB（SS/PBCH Block）。SSB 采用波束方式發(fā)射，并且引入了“波束掃描”的概念，SSB 波束由具有不同方向的多子波束組成，波束使得能量定向投放到用戶位置，提升信號覆蓋，降低小區(qū)間干擾，對于5G 新空口（NR）來說，共8個SSB，每個SSB 都是可調(diào)的。而用戶（UE）位置動態(tài)變化，用戶分布和小區(qū)間干擾動態(tài)數(shù)據(jù)處理難度大，權(quán)值僅靠人工設(shè)置難以適應UE 分布的變化動態(tài)調(diào)整現(xiàn)狀，且不同場景最優(yōu)權(quán)值不同，需針對性精細調(diào)整，上述需求需要投入大量人工成本且精準優(yōu)化技術(shù)難度大。

3 天線權(quán)值自優(yōu)化原理

Massive MIMO 天線參數(shù)權(quán)值自適應指網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于用戶位置信息，進行權(quán)值優(yōu)化調(diào)整，包括SSB與信道狀態(tài)信息（CSI——Channel State Information）的擬合優(yōu)化。實現(xiàn)天線權(quán)值自優(yōu)化功能需要部署單獨的服務(wù)器。

3.1 SSB權(quán)值自優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于UE 的分布情況，根據(jù)覆蓋用戶最多的原則，搜索和預測最優(yōu)的水平/垂直波瓣寬度，方位角及下傾角?；緦π^(qū)UE 的分布、鄰小區(qū)干擾進行統(tǒng)計和估算，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能完成自適應調(diào)整，基站智能估算最優(yōu)的廣播權(quán)值，實現(xiàn)最優(yōu)覆蓋。最優(yōu)權(quán)值估算以小區(qū)和區(qū)域綜合等優(yōu)化原則進行；參數(shù)測量主要包括UE 的位置信息分布、測量報告（MR）等；權(quán)值自適應可以改善小區(qū)間的重疊覆蓋度，減少和控制干擾，提升小區(qū)整體性能和用戶感知。

3.2 SSB與CSI權(quán)值擬合優(yōu)化

與業(yè)務(wù)性能強相關(guān)的參數(shù)為CSI，當前只針對SSB完成權(quán)值自優(yōu)化，CSI 并未聯(lián)動調(diào)整，需要人工調(diào)整CSI的權(quán)值來擬合SSB的廣播權(quán)，基于優(yōu)化后的SSB波束信息，手動擬合CSI的4個波束規(guī)則如下。

a）CSI 4 個波束均為垂直排布，水平寬度均為50°，垂直寬度均為6°。

b）CSI 4 個波束的水平角度取該小區(qū)SSB 波束的水平角度。

c）CSI 4 個波束的垂直角度參考該小區(qū)SSB 波束垂直角度。

4 應用實施

4.1 方案應用

如圖1 所示，Massive MIMO 天線權(quán)值自優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)包含如下4項關(guān)鍵點。

圖1 權(quán)值自優(yōu)化方案流程

a）優(yōu)化區(qū)域配置：進入網(wǎng)管操作界面手動配置或者根據(jù)鄰區(qū)關(guān)系和重疊覆蓋度自動配置需優(yōu)化的區(qū)域。

b）數(shù)據(jù)測量：該步驟完成廣播權(quán)值初始化及數(shù)據(jù)采集，即基站側(cè)通過下發(fā)測量獲取UE 的信號強度、位置及路損信息，主要獲取的MR 包括本小區(qū)和鄰區(qū)的參考信號接收功率/波束成形與到達方向（RSRP/DOA）等，路測場景會采集同一個UE的多個樣本。

c）最優(yōu)權(quán)值估算：該步驟完成廣播權(quán)值自優(yōu)化，通過商用數(shù)據(jù)/路測樣本來進行樣本估算，實現(xiàn)優(yōu)化準則多樣化、提高智能搜索的高效和精準。

d）效果評估：該步驟完成廣播權(quán)值自評估，即網(wǎng)管UME 獲得測量數(shù)據(jù)后，通過蟻群搜索算法選擇局部最優(yōu)的權(quán)值組合，并下發(fā)給基站生成新的權(quán)值。

在方案實施過程中，最優(yōu)權(quán)值估算時需注意權(quán)值可設(shè)置范圍，垂直維度層與層之間的夾角固定為7°；波束夾角Azimuth 可設(shè)置范圍與水平合成的波束寬度設(shè)置相關(guān)，例如當水平合成的波束寬度=90°時，Azimuth 不可調(diào)整，當水平合成的波束寬度=15°時，Azimuth的取值范圍為［-40，40］。權(quán)值可設(shè)置范圍如表1所示。

4.2 仿真評估

通過Atoll 軟件進行仿真實驗，仿真模型使用傳播&信道模型UMA，仿真場景選擇3 站9 小區(qū)，ISD=500 m，站高25 m，UE 高度1.5 m，每小區(qū)隨機撒200 個UE，共1 800個UE。

初始權(quán)值組合是［14；14；14；14；14；14；14；14；14］，初始RSRP 中值是-79.4 dBm，經(jīng)過天線權(quán)值自優(yōu)化，最優(yōu)權(quán)值組合是［97；103；85；103；102；109；121；38；84］，優(yōu)化后RSRP中值是-77.4 dBm，結(jié)果見圖2。

圖2 仿真結(jié)果

5 應用效果

選取6 個站點共涉及18 個小區(qū)作為本次權(quán)值自優(yōu)化區(qū)域，對優(yōu)化前后的覆蓋效果進行對比驗證?；趩尾ㄊ鴪鼍皺?quán)值優(yōu)化后，平均SSB-RSRP 由-98.73 dBm 提升至-93.22 dBm；SSB-SINR 由5.23 dB 提升至8.12 dB；基于多波束場景權(quán)值優(yōu)化后，平均SSB-RSRP由-80.01 dBm提升至-74 dBm，SSB-SINR由11.7 dB提升至13.55 dB，整體覆蓋提升明顯，具體見表2。

表2 權(quán)值優(yōu)化前后覆蓋效果對比

SSB 權(quán)值優(yōu)化后，手動進行CSI 權(quán)值調(diào)整，對CSI擬合前后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計評估，CSI基于SSB權(quán)值擬合后，整體小區(qū)速率提升率約為10%，具體見圖3。

圖3 CSI擬合調(diào)整前后速率對比

6 結(jié)束語

天線權(quán)值自優(yōu)化增益明顯，權(quán)值優(yōu)化后，深度覆蓋、高層信號和路面信號均得到不同程度的改善，總體效果明顯?；?G權(quán)值智能靈活調(diào)整，通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)自動的用戶數(shù)據(jù)收集、評估分析給出合理的權(quán)值配置方案，最大化提升用戶覆蓋水平，減少人工經(jīng)驗干預網(wǎng)絡(luò)的誤差，及時提升用戶感知度的同時提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化效率，大幅縮減人力成本。