5G波束赋形优化的典型场景立体覆盖研究

王勋 程科 江西省通信管理局 南昌市 330000

关键字：Massive MIMO 波束赋形 Beamforming 5G NR 优化方法

0 引言

马可尼在1908年用MIMO技术来抗信号衰落，90年代ATTBell实验室完善了MIMO技术并实现了其在通信系统中的应用。4G与MIMO技术紧密结合，让我们能体验飞一样的上网速度。Massive MIMO技术是在原4G MIMO的基础上进行扩展和延伸，由原来的8天线，扩展到可以使用16/32/64/128/256天线之多，所以被称为“大规模”的MIMO技术。

波束赋形技术早期为解决水中声纳定位问题，直到4G通信系统中，波束赋形技术结合各种信号检测技术，尤其是多用户检测技术，实现联合检测，进而提高接收端信号的信噪比，提升了通信覆盖范围。在5G时代大规模波束赋形技术特别在传输机制、信道状态信息、波束管理等方面有进一步加强，从而使发射功率利用率、系统容量和频率效率方面有显著提升，

Massive MIMO和波束赋形(Beamforming BF)二者在5G时代紧密相连，Massive MIMO通过集成更多的射频通道和天线，实现精准3D的波束和多流用户复用，其主要任务是负责在发送端和接收端将多天线聚合，进而提升系统容量减省小区间的干扰。Beamforming BF将每个方向上信号在传播的过程中，引导到接收端的最佳路径上，其主要任务是提高信号强度，形成集中、定向、且功率强大的无线传输信号，提高信号抗干扰能力，增强接收信号强度，从而改善通信质量，对于小区的远端和近端都有更好的覆盖性。所以说Massive MIMO和波束赋形(Beamforming BF)共同协作，相得益彰，缺一不可。

1 技术原理

在5G中通过链路预算进行覆盖估算，通过传播模型计算覆盖半径，其波束的权值对覆盖效果具有较大影响，链路计算分为：基站天线配置、Massive MIMO赋形增益计算、广播天线增益这三项共同作用。

基站天线配置一般采用基于大规模天线阵列的Massive MIMO技术，目前常见的规划有64T64R、32T32R、16T16R、8T8R等几种规格。一般选用64T64R的天线其在垂直方向上为4个通道，水平方向8个通道，每个通道3个阵子，共计192个阵子，从而为实现3D赋形，垂直方向单个通道的增益为11dBi。

Massive MIMO赋形增益目前主要体现在SINR中，赋形增益可以拆分为垂直和水平两个维度，其赋形增益计算方法如下，以64T64R为例：水平方向为8列X2极化，则水平方向增益为10*log(8)=9dB；垂直方向为4行X2极化，则垂直方面增益为10*log(4)=6dB；则整体的赋形增益为9+6=15dB。

广播天线增益在5G中，引入了波束扫描（beam sweeping）的概念，小区广播覆盖由多个不同指向的子波束共同完成。由于小区预先定义了N个子波束，各子波束之间通过时分的方式依次轮询发送。终端在搜索小区时，通过测量各子波束的信号强度，选择信号最强的子波束作为自己的驻留波束。针对不同的场景，可以配置不同的广播权值，实现最佳覆盖。一般为典型水平4波束扫描，对应的广播天线增益约为：

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2 5G多场景波束权值适应性探讨

一般常城市常两种场景，分别为高楼场景和广场场景，其中高楼场景，要求无线信号有较好的覆盖，所以使用垂直面覆盖比较宽的波束，提升垂直覆盖范围。广场场景，要求无线信号范围内都有较好的接入信号，所以近点使用宽波束，保证接入，远点使用窄波束，提升系统容量。

一般高楼场景分为：高层楼宇场景、中层楼宇场景和低层楼宇场景；广场场景分为：聚集场景和空旷场景。高层楼宇为80米以上，中层楼宇为80～25米，低层楼宇为25米以下，根据典型场景的业务类别不一样，所涉及的波束权值、天线子波配置、水平波瓣宽度、宏站间距等。经过波束配置设置，在不同场景通过在高层楼宇的无线空口下行灌包的方式进行测试，利用室外站点覆盖高楼，难点在不同场景，选择不同的基础波束配置，目前基础波束配置有20种，其天线在不同的pattern配置下，不同的数字方向角、数字下倾角配置下，增益波形会呈现明显差异。

在本次高层楼宇测试中，在选择波束模式12时，SS-RSRP和SS-SINR都达到了最优值，大多数高层楼宇场景可考虑借鉴本次测试结果。

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在中层楼宇测试，在选择波束模式6时，SS-RSRP和SS-SINR都达到了最优值，大多数中层楼宇场景可考虑借鉴本次测试结果。

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在低层楼宇测试，在选择波束模式1时，SS-RSRP和SS-SINR都达到了最优值，低层密集楼宇场景可考虑借鉴本次测试结果。

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在聚集类场景测试，在选择默认波束模式0时，SS-RSRP和SS-SINR都达到了最优值，聚类市场场景可考虑借鉴本次测试结果。

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在空旷广场类场景测试，在选择波束模式4时，SS-RSRP和SS-SINR都达到了最优值，空旷广场场景可考虑借鉴本次测试结果。

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Massive MIMO结合波束赋形技术可以针对不同场景，选择不同的广播波束场景应用方案，同时设置合理的电子方位角和电子倾角，可以有效优化覆盖以及提升用户感知。本次测试结果，验证并输出了主要覆盖场景的推荐覆盖方案，可供大多数场景参考、借鉴。

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3 经验总结与推广

目前的5G网络覆盖优化以波束优化为主，RF优化为辅，主要是通过SSB Pattern和数字方位角、下倾角的优化，来使用户获取更加合理的覆盖，减少干扰。在不同的场景化的波束Pattern规划满足不同的场景需求，不同场景使用不同波束提升覆盖，涉及水平和垂直半功率角合理化配置。在使用水平多波束、垂直多层SSB波束提供立体覆盖，能有效覆盖城市高层楼宇和商业广场等复杂场景。通过Massive MIMO和波束赋形技术，从而比以住无线制式有更好的覆盖和更大的容量，可根据不同场景优化波束配置，解决通信运营企业面临的站址紧张、建站难、覆盖难等痛点。