5G Massive MIMO 寻优验证与应用

（中国电信股份有限公司福建省分公司，福建 福州 350001）

0 引言

5G Massive MIMO 的多天线阵列系统增加了垂直维的自由度，可灵活调整水平维和垂直维的波束形状。5G支持基于Beam Sweeping 的广播信道波束赋型，由多个窄波瓣波束轮发，形成宽波束覆盖效果，进一步提升了立体覆盖能力。在不同的覆盖场景下，通过多种广播波束权值配置，生成不同组合的赋型波束，不同组合具有不同的倾角、方位角、水平波宽、垂直波宽，能够满足不同场景的覆盖要求，为网络覆盖优化提供了新的思路和手段。目前普遍采用厂家默认的Pattern，仅在单站和簇优化过程中根据测试情况进行Pattern 的局部优化。

为探索不同场景Pattern 最优配置，指导和支撑5G规划与优化，本项目在不同场景下开展Pattern 权值寻优，并验证输出不同场景下的5G 天线权值推荐值。

1 广播波束Pattern 介绍

1.1 波束管理介绍

波束管理主要分为小区级广播信道波束管理以及用户级波束管理。对于小区级波束管理，5G NR 的广播波束为N 个方向固定的窄波束，相较于LTE TDD 用一个宽广播波束覆盖整个小区，NR 能够通过在不同时刻发送不同方向的窄波束完成小区的广播波束覆盖。UE 扫描每个窄波束来获得最优波束，完成同步和系统消息解调。如图1所示。

图1 NR TDD广播波束扫描范围

1.2 立体覆盖波束

5G MassiveMIMO 天线的一个显著特征是可以调整天线权值与波束赋形技术来调整广播波束的水平波宽、垂直波宽、方位角和下倾角，以此来得到特定的覆盖效果。目前，各厂家设备均支持一种默认配置的广播波束覆盖和多种典型的广播波束覆盖场景。在不同的覆盖场景下，广播波束有不同的倾角、方位角、水平波宽、垂直波宽。通过灵活配置不同的广播波束覆盖场景，能够解决不同场景下小区覆盖受限以及邻区干扰等问题。

图2 天线波形示意图

图2是三种不同波束宽度组合天线波形示意图：第一种水平波宽较大垂直波宽小，对平面有较广的覆盖；第二种水平波宽小水平面覆盖窄；第三种水平和垂直波宽较大，对于水平和垂直面覆盖都有较好的覆盖。通过改变水平波宽与垂直波宽可以实现特定的覆盖类型。

2 现网Pattern 寻优验证和应用

2.1 测试场景选取

根据5G 天线权值波束覆盖方案与天线权值建议，将密集城区的场景划分为以下三类主要场景：

（1）水平宏覆盖场景，即一般城区，主要是老式居民楼，区域内楼层高度介于6-10层，高度为20-30 m 之间。楼间距约为20 m。该种场景5G 基站覆盖范围主要保证水平宏覆盖，站高35 m，站间距约400 m，垂直方向能满足低矮建筑（30-35 m，楼间距约为20 m）的浅层覆盖。

（2）中低层混合场景，主要以中低层（小于60 m）建筑为主，需要兼顾高低建筑物的覆盖需求差异。

（3）高层建筑场景，即高层（大于60 m）建筑室内立体覆盖需按照如下原则选取测试区域：5G 已开通，且包含的场景丰富（包含高楼、商场、开阔道路、广场等）。如图3所示。

图3 三种场景选取（DT红线、CQT楼宇黄点）

2.2 基于仿真平台寻优天线权值

本次对于不同场景，采用网规权值规划工具（Smart Hippo 和ACP）分别输出天线权值规划建议，并通过现场测试验证与总结输出不同场景权值设置建议。工具输出方案如下：

（1）水平宏覆盖场景输出方案。如表1所示。

表1 水平宏覆盖场景方案

（2）低层混合场景输出方案。如表2所示。

表2 中低层场景方案

（3）高层覆盖场景对比方案。如表3所示。

2.3 现场测试验证方案

现场测试验证权值更换前后的覆盖改善情况，分别测试权值更改前及更改后各个权值的室内外覆盖情况。室外主要进行道路测试，室内针对高楼的各层（低、中、高层）进行测试。

2.3.1 DT 测试评估分析

（1）水平宏覆盖场景7波束方案更优；该场景下优选7B-H65V6与7B-H45V12两种方案。

表4 DT测试结果对比

（2）中低层混合场景7波束方案效果最佳，同时7波束H45V12、H65V6、H65V12 方案均优于单波束的H65V6方案。

（3）高层建筑场景7波束（H65V25）与7波束（H45V25）总体覆盖效果差异不大，均优于单波束的H65V6方案。

2.3.2 CQT 测试评估分析

表5 CQT测试结果对比

（1）水平宏覆盖场景，7 波束方案最佳。7 波束（H65V6、H45V12）效果均明显优于单波束的H65V6方案。

（2）中低层混合场景，7 波束方案最佳。7 波束（H45V12、H65V6、H65V12）效果均明显优于单波束的H65V6方案。

（3）高层建筑场景，7 波束（H45V25）方案最佳。7波束（H45V25）与7波束（H65V25）效果均明显优于单波束的H65V6方案。

2.4 验证小结

通过对不同场景的Pattern 方案评估验证后，可以得出以下结论：

（1）水平宏覆盖场景：7波束方案更优；该场景下优选7B-H65V6与7B-H45V12两种方案。

（2）中低层混合场景：7波束方案效果最佳，同时7波束H45V12、H65V6、H65V12 方案均优于单波束的H65V6方案。

（3）高层建筑场景：7 波束方案效果最佳，7 波束（H65V25）与7波束（H45V25）总体覆盖效果差异不大，均明显优于单波束的H65V6方案。CQT 测试结果7波束（H45V25）方案最佳。7波束（H45V25）与7波束（H65V25）效果均明显优于单波束的H65V6方案。

3 结束语

结合本次分场景的Pattern 方案测试结果，提出三大场景Pattern 初始配置方案建议如下：

（1）水平宏覆盖场景建议使用7波束的H65V6方案进行初始配置。后续再根据DT 优化适当调整为7波束的H45V6方案和7波束的H90V6方案等其他方案。

图4 水平宏覆盖场景波束典型值

（2）中低层混合场景建议使用7波束的H45V12方案进行初始配置。后续再根据DT 优化适当调整为7波束的H65V12方案等其他方案。

图5 中低层覆盖场景波束典型值

图6 高层覆盖场景波束典型值

（3）高层建筑场景建议使用7波束的H45V25方案进行初始配置。后续再根据DT 优化适当调整为7波束的H65V25方案等其他方案。