第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)的下行RANK提升方法研究

潘志強 張 明 李 澄 馬東林 田志景

中郵建技術(shù)有限公司

0 引言

第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)的下載速率提升是當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作的重點，速率的提升同Rank的提升有重要的關(guān)系。Rank即信道矩陣分解后特征值不為0的特征向量的個數(shù)，用戶會將測得的Rank值RI（Rank Indicator）上報給基站。通俗的講，是用戶下載過程中得到的流數(shù)，即同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，這個指標(biāo)直接關(guān)系到用戶的下載速率。

1 影響Rank的因素

1.1 影響UE上報RI的因素

1.1.1 參考信號

UE上報的RI是基于CSI-RS參考信號測量得到的。在通信過程中，通過對比實際接收到的參考信號與預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn)參考信號間的變化，來完成信道質(zhì)量的測量、估計、相干檢測和解調(diào)等功能。直觀而言，就是根據(jù)這些已知的參考信號X和其實際接收Y來求取方程中矩陣H的特征值，再配置H應(yīng)用于其他未知數(shù)據(jù)信號的檢測解調(diào)等，在5G的波束成形技術(shù)中也會協(xié)助求解類似的波束成形矩陣權(quán)值。

CSI-RS信號主要用于服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)測量，RRM算法包括CQI、PMI、RI的反饋?？梢赃@么理解，CSI-RS主要有如下應(yīng)用場景：（1）RI上報，即RANK上報；（2）初始CQI上報，用以初始MCS選擇；（3）PMI上報，用于預(yù)編碼矩陣的計算；（4）終端移動時的服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)測量。其中，（1）（2）（3）這三項功能在當(dāng)前版本中已經(jīng)使用，統(tǒng)稱為3I測量，而第四項功能當(dāng)前尚未用到。

1.1.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素是影響UE上報的RI的主因。UE上報的RI，實際上就是UE對環(huán)境多流狀況的測量，從原理上來說，UE會對空間的多個信道進行測量，并且進行均衡，通過均衡后的結(jié)果上報RI和CQI，從而體現(xiàn)終端對空口多徑信道的測量結(jié)果。不同的環(huán)境，會導(dǎo)致終端測量結(jié)果發(fā)生較大的差異，因此在實際的rank調(diào)優(yōu)過程中，都建議選擇NLOS，且周邊多徑（反射/折射）更為復(fù)雜的環(huán)境，從而獲取更高的Rank。

1.1.3 UE的算法實現(xiàn)

對于終端來說，實際測量的算法都是統(tǒng)一的，但由于終端的性能不同，這其中涉及到終端不同的芯片能力、不同的天線情況，因此各個終端的測量結(jié)果，即便是在相同的位置，實際上也是不同的。對于終端來說，是按照標(biāo)準(zhǔn)的Massive MIMO網(wǎng)絡(luò)方法來測量并計算各個信道情況的，對于PMI權(quán)和SRS權(quán)而言，終端的測量方法不會有差異。

（1）首先終端下行的天線數(shù)和基站側(cè)下發(fā)的Port數(shù)，組成了一個xTxR的MM網(wǎng)絡(luò)，終端會對這個xTxR的網(wǎng)絡(luò)每個信道進行測量。

（2）終端對于測量到的每個信道的情況進行數(shù)字化，即每個信道的測量結(jié)果形成一個函數(shù)作為無線信道的影響因子，即R=h×T+n，其中R表示接收方，T表示發(fā)送方，h表示信道情況，N表示信道的噪聲情況（建模時可以考慮為高斯白噪聲）。

（3）多個信道的情況，最終量化成一個xTxR的信道矩陣，即R=H×T+N。

（4）對這個H信道矩陣進行SVD分解，將這個矩陣的共軛部分計算出來，即可以使用線性代數(shù)的方法將這個矩陣的秩計算出來，終端即會將這個計算出來的秩再評估相關(guān)性之后進行上報，即為RI。

1.2 基站選擇調(diào)度Rank的基本方法

1.2.1 權(quán)值

基站目前有4種大類型的權(quán)值，分別為開環(huán)權(quán)、PMI權(quán)、VAM權(quán)以及SRS權(quán)，以下分別介紹這幾種權(quán)值下Rank的調(diào)度方法。

（1）開環(huán)權(quán)

一般在未獲取到正常SRS或未獲取到正常3I測量上報的時候，基站側(cè)會選擇開環(huán)權(quán)進行調(diào)度。在進行開環(huán)權(quán)調(diào)度的時候，一般會使用終端最近一次上報的合法RI進行相應(yīng)Rank的調(diào)度，但最高的Rank不會超過Rank2（2 Port）/rank4（4～8 Port）。

一般來說，在初始接入和切換時的一小段時間會使用開環(huán)權(quán)，如果長期使用開環(huán)權(quán)進行調(diào)度的話，會導(dǎo)致Rank無法抬升，常見的主要原因是用于調(diào)度rank的測量量（包括SRS或3I），基站側(cè)沒有收到合法值導(dǎo)致。

（2）PMI權(quán)

PMI權(quán)是通過終端上報的PMI碼本在確認(rèn)最終PDSCH的權(quán)值，是一個依賴終端上報的權(quán)值方案，主要流程如下：1）基站發(fā)送CSI波束，即所謂的外層權(quán)，這個CSI波束是根據(jù)基站側(cè)配置來選擇波束類型，以及通過SRS測量來選擇最優(yōu)波束ID；2）終端對CSI波束進行測量，根據(jù)測量結(jié)果上報來進行RI/PMI的調(diào)度。因此PMI權(quán)下，調(diào)度rank就是終端實際測量的結(jié)果，基站側(cè)不做任何處理，如果終端上報的RI偏低，則可能導(dǎo)致整體rank偏低。

（3）VAM權(quán)

VAM權(quán)實際上指的是一種CSI波束類型，可以理解為一套外層權(quán)值，與VAM相對的主要有DFT、全寬、半寬等幾種波束類型。VAM權(quán)下的外層波束類型主要有3種：VAM-H、VAM-V、VAM-HV。相較于DFT，VAM波束更寬，可以包含更多的多徑信息，在覆蓋和自由度不受限的場景下，可以獲取更高的RI和更好的CQI，從而提升整體譜效率。

（4）SRS權(quán)

SRS權(quán)和PMI的差異在于，內(nèi)層權(quán)的計算不再依賴終端，而是根據(jù)SRS的測量結(jié)果進行SVD分解計算得到，并最終決定調(diào)度的Rank，終端上報的RI只是作為初始調(diào)度rank的一個輸入量，后續(xù)rank的升降完全依賴于基站對SRS測量結(jié)果以及MCS的實際調(diào)度結(jié)果來決定；相較于PMI權(quán)，SRS權(quán)更加精準(zhǔn)，幾乎沒有PMI權(quán)值下的量化損失（PMI碼本數(shù)量有限，而SRS的權(quán)值粒度相較于PMI碼本更細），因此從頻譜效率來說，SRS權(quán)優(yōu)于PMI權(quán)，但SRS權(quán)依賴天選終端。

基站側(cè)可以配置SRS/PMI權(quán)值自適應(yīng)，會根據(jù)SRS測量的結(jié)果來自適應(yīng)的選擇SRS權(quán)還是PMI權(quán)。

1.2.2 天選終端

TDD系統(tǒng)上下行頻率相同，因此gNodeB可以依據(jù)測量UE發(fā)送的SRS信號反饋的上行信道信息估計下行信道信息。天選，指在各天線上輪流發(fā)SRS，進行發(fā)送天線輪詢，能夠更精確地估計上行信道信息。如果上行發(fā)送天線是固定某個天線，gNodeB得不到其他天線的信道信息，可能影響B(tài)F性能。在引入天選之前，UE固定在一個天線上發(fā)送SRS信號，即非天選。

當(dāng)前天選有2天選和4天選，2天選只能在兩個天選上輪流發(fā)送SRS，而4天選能在4個天線上輪流發(fā)送SRS信號。通常所說的天選終端，指的是4天選終端。

針對天選終端，一般基站默認(rèn)使用SRS權(quán)進行調(diào)度，此時的Rank調(diào)度完全依賴基站側(cè)對SRS的測量結(jié)果來進行。當(dāng)然，最初的Rank還是依賴終端上報的RI。

1.2.3 非天選終端

對于非天選終端來說，優(yōu)先使用PMI權(quán)。在使用PMI權(quán)的場景下，基站實現(xiàn)則相對簡單，完全依賴終端上報的RI來進行Rank調(diào)度。

但在遠點，終端上報RI=1的場景，針對1T4R非天選終端，可以使用SRS權(quán)調(diào)度，主要是考慮在RI=1場景，1T4R可以將上行1個SRS信道測量結(jié)果完全了解清楚，此時使用SRS權(quán)調(diào)度可以獲取SRS測量結(jié)果增益。

由于依賴終端上報的RI來進行Rank的調(diào)度，那么在終端上報不準(zhǔn)的場景下，可能會損失性能，因此基站在后續(xù)版本，針對PMI權(quán)引入了Rank探測的算法進行優(yōu)化，基本原理如下：基站側(cè)會根據(jù)實際調(diào)度的MCS來決定是否要向上/向下進行Rank探測，原則是當(dāng)長期調(diào)度的MCS較好時，則向上進行Rank探測，即便是終端上報的RI沒有變化的時候，也嘗試向上調(diào)度Rank；當(dāng)長期調(diào)度的MCS較低時，則向下進行Rank探測，通過這個算法來保證在終端上報不準(zhǔn)的時候，進一步來優(yōu)化Rank調(diào)整的空間。

2 Rank問題分析

UE上報的RI差分析思路如圖1所示。

圖1 UE上報的RI差優(yōu)化思路

基站調(diào)度的RANK低分析思路如圖2所示。

圖2 基站調(diào)度的RI差優(yōu)化思路

2.1 UE上報的RI差

2.1.1 強鄰區(qū)不切換導(dǎo)致UE上報的RI低

現(xiàn)象和分析：強鄰區(qū)不切換會導(dǎo)致UE無法駐留在最優(yōu)小區(qū)，CSI-RS會受到來自鄰區(qū)的干擾從而導(dǎo)致UE上報的RI差。NR最強鄰區(qū)的SSB RSRP比主服小區(qū)強，UE多次上報A3事件，但是網(wǎng)絡(luò)側(cè)一直沒有下發(fā)輔站變更命令。

優(yōu)化：針對強鄰區(qū)不切換問題，需要排查以下幾個方面：（1）配置核查。5G輔小區(qū)是否漏配5G目標(biāo)小區(qū)；5G輔小區(qū)是否配置多個與目標(biāo)小區(qū)相同PCI鄰區(qū)；4G主小區(qū)是否漏配5G目標(biāo)小區(qū)；4G主小區(qū)是否配錯5G目標(biāo)小區(qū)信息；X2口未配置或配置錯誤。（2）告警核查。4G主小區(qū)到5G服務(wù)小區(qū)和5G目標(biāo)小區(qū)的X2口是否存在傳輸異常；5G目標(biāo)小區(qū)是否存在異常告警。（3）信令分析。是否存在流程交叉等其他問題。

2.1.2 下行干擾導(dǎo)致UE上報的RI低

現(xiàn)象和分析：當(dāng)小區(qū)存在干擾信號時，小區(qū)的上下行業(yè)務(wù)會受到影響，CSI-RS的測量同樣受到干擾，會出現(xiàn)終端上報的RI低導(dǎo)致gNB調(diào)度的RANK低、MCS差、誤碼率高等問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致UE無法做業(yè)務(wù)。當(dāng)出現(xiàn)如上的問題時，需要進行干擾問題分析。

優(yōu)化：針對5G下行干擾問題，需要到現(xiàn)場進行掃頻，查找干擾源。需要重點關(guān)注異系統(tǒng)同頻干擾、鄰區(qū)干擾、TDDLTE干擾、時域類干擾等。

2.1.3 RF覆蓋差導(dǎo)致UE上報的RI低

（1）下行弱覆蓋導(dǎo)致UE上報的RI低

現(xiàn)象和分析：覆蓋越差，CSI-RS測量結(jié)果越差，UE上報的RI越差，則非天選終端選擇低RANK的概率越大；下行弱覆蓋為連續(xù)出現(xiàn)接收電平較低的采樣點形成弱覆蓋區(qū)域，用戶進入弱覆蓋區(qū)域后因低電平質(zhì)量而速率降低，影響下載速率。

優(yōu)化：對于弱覆蓋區(qū)域，通常只能選擇增強主服的覆蓋強度，增強覆蓋的可選手段如下：增加小區(qū)最大發(fā)射功率（MaxTransmitPower）；調(diào)整機械方位角讓AAU主瓣覆蓋問題路段（要注意避免在其他位置造成弱覆蓋）；減小機械下傾角；增加小區(qū)、站點等。

（2）重疊覆蓋導(dǎo)致UE上報的RI低

現(xiàn)象和分析：通常情況下，如果某一路段存在多個信號強度相當(dāng)（3dB以內(nèi)）的小區(qū)覆蓋該路段，但卻沒有一個足夠強的主服務(wù)小區(qū)來主導(dǎo)覆蓋，則可認(rèn)為存在重疊覆蓋。重疊覆蓋鄰區(qū)會成為潛在的干擾源，在有負(fù)載的情況下會對服務(wù)小區(qū)造成同頻干擾，同時由于信號的快衰落引起UE在不同小區(qū)間頻繁發(fā)生切換，導(dǎo)致UE上報的RI低。

優(yōu)化：根據(jù)問題路段和各小區(qū)的位置關(guān)系，確定要作為主服的小區(qū)，加強擬作為主服小區(qū)的覆蓋強度或者降低鄰區(qū)在該路段的覆蓋強度。

主服小區(qū)的選擇可從如下方面考慮；小區(qū)與問題路段之間的距離相對其他小區(qū)較近且電平相對高；問題路段與小區(qū)間沒有明顯的遮擋；該小區(qū)還有最大發(fā)射功率/機械方位角/機械下傾角的調(diào)整空間。

主服小區(qū)增強覆蓋的可選手段如下：增加小區(qū)最大發(fā)射功率（MaxTransmitPower）；調(diào)整機械方位角讓AAU主瓣覆蓋問題路段（要注意避免在其他位置造成弱覆蓋）；減小機械下傾角等。

降低鄰區(qū)在該路段的覆蓋強度的可選手段如下：降低鄰區(qū)小區(qū)最大發(fā)射功率（MaxTransmitPower）；調(diào)整鄰區(qū)機械方位角不讓AAU主瓣覆蓋問題路段；增加鄰區(qū)機械下傾角等。

2.2 基站調(diào)度的Rank差

2.2.1 頻繁切換導(dǎo)致調(diào)度的RANK差

現(xiàn)象：用戶切換過程中鏈路會中斷（表現(xiàn)在切換的那1s內(nèi)調(diào)度次數(shù)會減少），切換后用戶初始接入，低RANK低MSC能保證接入和切換成功率，大概在30ms左右可調(diào)整回來，影響較?。坏侨绻l(fā)生頻繁切換，會導(dǎo)致RANK無法快速調(diào)整回來，因此需要對頻繁切換區(qū)域進行優(yōu)化；如果4G或5G在5s（時間可根據(jù)需求自定義）內(nèi)存在2次及以上切換，則判斷為頻繁切換，如果頻繁切換的小區(qū)關(guān)系存在小區(qū)A-＞B-＞A的場景，則稱之為乒乓切換。

分析：地理化顯示4G PCI、DL RANK、5G PCI等信息，可以通過主服PCI分布變化來觀察是否存在頻繁切換，如圖3所示，圖中4G和5G紅框部分PCI頻繁發(fā)生變化，對RANK產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致該路段大部分時間RANK≤2。

圖3 頻繁切換的示意圖

優(yōu)化措施：針對頻繁切換路段，需要對其進行優(yōu)化，以減少頻繁切換次數(shù)。

確定主服小區(qū)：確定主服小區(qū)有兩個手段，降低鄰區(qū)信號強度和增強主服小區(qū)信號強度。對于越區(qū)的鄰區(qū)，優(yōu)先調(diào)整鄰區(qū)的方位角、下傾角、功率和Pattern等參數(shù)，降低鄰區(qū)信號強度。

切換參數(shù)優(yōu)化：通過路測日志查看測量報告，計算服務(wù)小區(qū)電平和鄰區(qū)電平的差異，得到需要修改的A3門限、幅度遲滯、兩兩小區(qū)間cellindividualoffset或時間遲滯，評估能否解決頻繁切換問題。

2.2.2 外部干擾導(dǎo)致RANK差

當(dāng)小區(qū)存在上行干擾信號時，SRS的測量結(jié)果會受到影響，出現(xiàn)RANK低、MCS差、誤碼率高等問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致UE無法做業(yè)務(wù)。當(dāng)出現(xiàn)如上問題時，需進行干擾問題分析。

2.2.3 RF覆蓋差導(dǎo)致UE上報的RI低

這里與UE上報的RI差優(yōu)化方法基本一致，不再重復(fù)。

2.2.4 通道校正分析

當(dāng)RANK一直小于等于2，從來沒高于2，則要排查通道校正問題。通道校正失敗后，系統(tǒng)由于無法準(zhǔn)確評估SRS權(quán)值，所以會默認(rèn)使用DFT開環(huán)權(quán)進行業(yè)務(wù)，gNB會根據(jù)UE上報的RI來選擇rank，遵從如下規(guī)則：UE CSI的RI為1，則使用RANK1；UE CSI的RI為2-3，則使用RANK2；UE CSI的RI為4-8，則使用RANK4。

當(dāng)出現(xiàn)通道校正失敗時，可以通過MML命令查看校正的結(jié)果來分析可能的失敗原因。如果通道校正失敗，可以通過運行STR NRDUCELLCHNCALIB命令進行手工校正，如果還是校正失敗，則采集CellDT進行詳細分析。

2.2.5 終端天線不平衡排查

如果UE天線存在故障，導(dǎo)致多路SRS測量結(jié)果不平衡現(xiàn)象嚴(yán)重，會導(dǎo)致進入多流的概率偏低，此時，需要檢查終端天線或者更換終端天線進行復(fù)測。

檢查UE SSB RSRP，判斷是否有天線間差異（通過終端日志查看，比如Probe LOG中NR-＞Detail-＞SSB Measurement查看各天線的SSB RSRP情況），各個天線測量到RSRP信號盡量均衡，各天線間RSRP差異不超過10db。

2.2.6 天線物理參數(shù)排查和優(yōu)化

在空曠的場景下，由于周邊沒有建筑物等的折射和反射，缺少多徑，因此可以通過RF調(diào)整構(gòu)造地面、樓宇等維度的折射和反射：（1）調(diào)整方向角，朝向樓宇，增加樓宇反射；（2）調(diào)整下傾角，空曠場景增加地面反射。例如覆蓋場景空曠，在規(guī)劃時機械下傾角都設(shè)置得很小，導(dǎo)致測試的時候RANK不理想，通過對下壓機械傾角之后RANK、速率都有明顯提升。

2.2.7 終端天選和MIMO能力排查

天選終端相對非天選終端，更容易達到RANK4。如果某款終端在好點最大只能達到RANK3，那么該終端可能是非天選終端。

2.2.8 RANK自適應(yīng)算法產(chǎn)品問題排查

如果測試過程中發(fā)現(xiàn)某種場景下固定RANK比RANK自適應(yīng)算法吞吐率更好，或者條件數(shù)邊界保護RANK自適應(yīng)算法，比譜效率最優(yōu)RANK自適應(yīng)算法測出來的吞吐率還要高，可能是算法有問題。

2.2.9 基站配置核查

基站調(diào)度的RANK差需要重點關(guān)注權(quán)值相關(guān)參數(shù)、RANK自適應(yīng)算法、SRS相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)束語

通過對RANK優(yōu)化方案的研究，總結(jié)多種方法提升下載速率，從UE上報的RI和基站調(diào)度的RANK兩端入手，通過UE上報的RI與參考信號CSI-RS、環(huán)境因素（多徑）、UE算法實現(xiàn)有關(guān)，通過分析基站調(diào)度的RANK與空口問題、非空口問題及參數(shù)六大維度來進行RANK優(yōu)化。