5G場(chǎng)景化波束賦形方案應(yīng)用研究

王小林

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司佛山市分公司 廣東 佛山 528000

引言

5GNR系統(tǒng)采用波束賦形技術(shù)，對(duì)每類信道/信號(hào)都會(huì)形成能量更集中、方向性更強(qiáng)的窄波束。但是相對(duì)寬波束（比如LTE波束），窄波束的覆蓋范圍有限，一個(gè)波束無(wú)法完整的覆蓋小區(qū)內(nèi)的所有用戶，也無(wú)法保證小區(qū)內(nèi)的每個(gè)用戶都能獲得最大的信號(hào)能量，所以引入波束管理，基于各類信道/信號(hào)的不同特征，gNodeB對(duì)各類信道/信號(hào)分別進(jìn)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(hào)的覆蓋性能及用戶體驗(yàn)。本文通過(guò)佛山聯(lián)通案例應(yīng)用，總結(jié)優(yōu)化效果形成相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)5G大規(guī)模商用優(yōu)化提供經(jīng)驗(yàn)，快速推廣應(yīng)用至各類典型場(chǎng)景[1]。

1 波束管理優(yōu)勢(shì)

對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，如果天線的信號(hào)全向發(fā)射的話，基站周?chē)氖謾C(jī)只能收到有限的信號(hào)，大部分能量都會(huì)浪費(fèi)掉。5G頻段高，波長(zhǎng)短，穿透能力強(qiáng)，但是覆蓋范圍小，為了增強(qiáng)5G覆蓋范圍，波束賦形應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)調(diào)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(wú)線信號(hào)能量集中于更窄的波束上，增強(qiáng)覆蓋范圍和減少干擾。

波束賦形方向可控，可跟隨移動(dòng)終端調(diào)整波束的方向。在非視距（NLOS）場(chǎng)景下，波束賦形可利用波的反射和折射，然后信號(hào)抵達(dá)終端。但是信號(hào)經(jīng)常處于移動(dòng)狀態(tài)，高頻信號(hào)容易受到無(wú)限環(huán)境影響，容易被建筑物，雨水阻擋，無(wú)法抵達(dá)終端。因此為了確保無(wú)縫隙覆蓋，需要基站盡可能在不同的方向發(fā)送多個(gè)波束，這就需要波束管理技術(shù)。

2 場(chǎng)景選擇

5G SSB廣播波束多樣化的權(quán)值設(shè)計(jì)有利于適應(yīng)不同場(chǎng)景的覆蓋，增強(qiáng)覆蓋、降低干擾、提升測(cè)量精度，覆蓋優(yōu)化手段相對(duì)LTE更多樣化。通過(guò)計(jì)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(guān)系，利用幾何知識(shí)，求出匹配場(chǎng)景覆蓋需求的波束覆蓋場(chǎng)景方案，設(shè)置合理的SSB廣播波束的權(quán)值（水平波寬和垂直波寬），以達(dá)到實(shí)際用戶的業(yè)務(wù)覆蓋要求[2]。

2.1 垂直波寬確定

通過(guò)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(guò)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(gè)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(chǎng)景選擇里面具備不同的下傾角、方位角可調(diào)范圍，結(jié)合實(shí)際的小區(qū)方位角和下傾角進(jìn)行補(bǔ)償后即可求出實(shí)際所需垂直和水平波寬（見(jiàn)圖1），在方位角和下傾角與實(shí)際需求相差過(guò)大時(shí)，還需要結(jié)合RF優(yōu)化調(diào)整[3]。

圖1 水平、垂直波寬計(jì)算示意圖

3 測(cè)試驗(yàn)證

選取佛山聯(lián)通5 G 華為基站：佛山-H-佛山福升大廈-8519887-ONR-DS，覆蓋場(chǎng)景包括中高低層樓宇場(chǎng)景，通過(guò)修改NR DU小區(qū)TRP波束配置，同步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)CQT樓宇測(cè)試17種場(chǎng)景對(duì)比，統(tǒng)計(jì)各場(chǎng)景樓宇的平均RSRP，SINR以及下載速率，進(jìn)一步驗(yàn)證不同波束權(quán)值對(duì)場(chǎng)景的覆蓋差異。通過(guò)場(chǎng)景化測(cè)試驗(yàn)證，分析低中高樓宇覆蓋場(chǎng)景與水平3db波寬、垂直3db波寬的關(guān)系[4]。相關(guān)驗(yàn)證對(duì)比數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖2所示（見(jiàn)下頁(yè)）。

圖2 不同水平&垂直3db波寬覆蓋對(duì)比圖

4 驗(yàn)證結(jié)果解析（水平&垂直3db波寬覆蓋分析）

4.1 低層樓宇場(chǎng)景

通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，該類型覆蓋場(chǎng)景和水平3db波寬的關(guān)系：在90°波寬的場(chǎng)景下覆蓋效果最好，速率最佳。垂直3db波寬對(duì)覆蓋場(chǎng)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(chǎng)景中，采用SSB廣播波束場(chǎng)景7（90°，12°）權(quán)值時(shí)覆蓋最好，同時(shí)在水平波寬90°時(shí)，速率也是最好的，用戶體驗(yàn)更加。

4.2 中層樓宇場(chǎng)景

結(jié)合測(cè)試驗(yàn)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(chǎng)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(chǎng)景中，采用SSB廣播波束場(chǎng)景6（110°，12°）權(quán)值時(shí)覆蓋較好，速率最佳，用戶體驗(yàn)更佳。

4.3 高層樓宇場(chǎng)景

結(jié)合測(cè)試驗(yàn)證，該場(chǎng)景下高層樓宇正對(duì)小區(qū)主打方向，水平3db波寬15°時(shí)，覆蓋最遠(yuǎn)，可以集中覆蓋高層樓宇，在覆蓋最好相應(yīng)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(yàn)速率也是最好[6]。

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

4.4 驗(yàn)證結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上3種典型場(chǎng)景不同的SSB波束權(quán)值分析，對(duì)于低層樓宇和中層樓宇場(chǎng)景，綜合考慮低層樓宇的面積，以及相對(duì)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(quán)值的SSB廣播波束來(lái)覆蓋：如場(chǎng)景7（90°，12°）

對(duì)于孤立的高層樓宇，且正對(duì)小區(qū)主打方向，可以采用水平3db波寬稍窄，如15°、25°場(chǎng)景。垂直3db波寬稍寬12°或25°的權(quán)值組合來(lái)覆蓋，如場(chǎng)景16（15°，25°）。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出在不同場(chǎng)景下進(jìn)行SSB波束權(quán)值優(yōu)化，進(jìn)一步改善5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶感知速率。在現(xiàn)網(wǎng)選取3種典型波束權(quán)值參數(shù)分別應(yīng)用到中高低樓宇覆蓋場(chǎng)景，通過(guò)計(jì)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(guān)系，利用幾何知識(shí)，求出匹配場(chǎng)景覆蓋需求的波束覆蓋場(chǎng)景方案，設(shè)置合理的SSB廣播波束的權(quán)值，達(dá)到5G用戶的業(yè)務(wù)覆蓋要求，同時(shí)對(duì)樓宇場(chǎng)景提升室內(nèi)用戶的5G上網(wǎng)感知成效明顯，具備一定的推廣意義。