第五代移动通信网络的下行RANK提升方法研究

2021-11-17潘志强马东林田志景

江苏通信 2021年5期

潘志强张明李澄马东林田志景

中邮建技术有限公司

0 引言

第五代移动通信网络的下载速率提升是当前5G网络优化工作的重点，速率的提升同Rank的提升有重要的关系。Rank即信道矩阵分解后特征值不为0的特征向量的个数，用户会将测得的Rank值RI（Rank Indicator）上报给基站。通俗的讲，是用户下载过程中得到的流数，即同时传输的数据流，这个指标直接关系到用户的下载速率。

1 影响Rank的因素

1.1 影响UE上报RI的因素

1.1.1 参考信号

UE上报的RI是基于CSI-RS参考信号测量得到的。在通信过程中，通过对比实际接收到的参考信号与预先定义的标准参考信号间的变化，来完成信道质量的测量、估计、相干检测和解调等功能。直观而言，就是根据这些已知的参考信号X和其实际接收Y来求取方程中矩阵H的特征值，再配置H应用于其他未知数据信号的检测解调等，在5G的波束成形技术中也会协助求解类似的波束成形矩阵权值。

CSI-RS信号主要用于服务小区和邻区测量，RRM算法包括CQI、PMI、RI的反馈。可以这么理解，CSI-RS主要有如下应用场景：（1）RI上报，即RANK上报；（2）初始CQI上报，用以初始MCS选择；（3）PMI上报，用于预编码矩阵的计算；（4）终端移动时的服务小区和邻区测量。其中，（1）（2）（3）这三项功能在当前版本中已经使用，统称为3I测量，而第四项功能当前尚未用到。

1.1.2 环境因素

环境因素是影响UE上报的RI的主因。UE上报的RI，实际上就是UE对环境多流状况的测量，从原理上来说，UE会对空间的多个信道进行测量，并且进行均衡，通过均衡后的结果上报RI和CQI，从而体现终端对空口多径信道的测量结果。不同的环境，会导致终端测量结果发生较大的差异，因此在实际的rank调优过程中，都建议选择NLOS，且周边多径（反射/折射）更为复杂的环境，从而获取更高的Rank。

1.1.3 UE的算法实现

对于终端来说，实际测量的算法都是统一的，但由于终端的性能不同，这其中涉及到终端不同的芯片能力、不同的天线情况，因此各个终端的测量结果，即便是在相同的位置，实际上也是不同的。对于终端来说，是按照标准的Massive MIMO网络方法来测量并计算各个信道情况的，对于PMI权和SRS权而言，终端的测量方法不会有差异。

（1）首先终端下行的天线数和基站侧下发的Port数，组成了一个xTxR的MM网络，终端会对这个xTxR的网络每个信道进行测量。

（2）终端对于测量到的每个信道的情况进行数字化，即每个信道的测量结果形成一个函数作为无线信道的影响因子，即R=h×T+n，其中R表示接收方，T表示发送方，h表示信道情况，N表示信道的噪声情况（建模时可以考虑为高斯白噪声）。

（3）多个信道的情况，最终量化成一个xTxR的信道矩阵，即R=H×T+N。

（4）对这个H信道矩阵进行SVD分解，将这个矩阵的共轭部分计算出来，即可以使用线性代数的方法将这个矩阵的秩计算出来，终端即会将这个计算出来的秩再评估相关性之后进行上报，即为RI。

1.2 基站选择调度Rank的基本方法

1.2.1 权值

基站目前有4种大类型的权值，分别为开环权、PMI权、VAM权以及SRS权，以下分别介绍这几种权值下Rank的调度方法。

（1）开环权

一般在未获取到正常SRS或未获取到正常3I测量上报的时候，基站侧会选择开环权进行调度。在进行开环权调度的时候，一般会使用终端最近一次上报的合法RI进行相应Rank的调度，但最高的Rank不会超过Rank2（2 Port）/rank4（4～8 Port）。

一般来说，在初始接入和切换时的一小段时间会使用开环权，如果长期使用开环权进行调度的话，会导致Rank无法抬升，常见的主要原因是用于调度rank的测量量（包括SRS或3I），基站侧没有收到合法值导致。

（2）PMI权

PMI权是通过终端上报的PMI码本在确认最终PDSCH的权值，是一个依赖终端上报的权值方案，主要流程如下：1）基站发送CSI波束，即所谓的外层权，这个CSI波束是根据基站侧配置来选择波束类型，以及通过SRS测量来选择最优波束ID；2）终端对CSI波束进行测量，根据测量结果上报来进行RI/PMI的调度。因此PMI权下，调度rank就是终端实际测量的结果，基站侧不做任何处理，如果终端上报的RI偏低，则可能导致整体rank偏低。

（3）VAM权

VAM权实际上指的是一种CSI波束类型，可以理解为一套外层权值，与VAM相对的主要有DFT、全宽、半宽等几种波束类型。VAM权下的外层波束类型主要有3种：VAM-H、VAM-V、VAM-HV。相较于DFT，VAM波束更宽，可以包含更多的多径信息，在覆盖和自由度不受限的场景下，可以获取更高的RI和更好的CQI，从而提升整体谱效率。

（4）SRS权

SRS权和PMI的差异在于，内层权的计算不再依赖终端，而是根据SRS的测量结果进行SVD分解计算得到，并最终决定调度的Rank，终端上报的RI只是作为初始调度rank的一个输入量，后续rank的升降完全依赖于基站对SRS测量结果以及MCS的实际调度结果来决定；相较于PMI权，SRS权更加精准，几乎没有PMI权值下的量化损失（PMI码本数量有限，而SRS的权值粒度相较于PMI码本更细），因此从频谱效率来说，SRS权优于PMI权，但SRS权依赖天选终端。

基站侧可以配置SRS/PMI权值自适应，会根据SRS测量的结果来自适应的选择SRS权还是PMI权。

1.2.2 天选终端

TDD系统上下行频率相同，因此gNodeB可以依据测量UE发送的SRS信号反馈的上行信道信息估计下行信道信息。天选，指在各天线上轮流发SRS，进行发送天线轮询，能够更精确地估计上行信道信息。如果上行发送天线是固定某个天线，gNodeB得不到其他天线的信道信息，可能影响BF性能。在引入天选之前，UE固定在一个天线上发送SRS信号，即非天选。

当前天选有2天选和4天选，2天选只能在两个天选上轮流发送SRS，而4天选能在4个天线上轮流发送SRS信号。通常所说的天选终端，指的是4天选终端。

针对天选终端，一般基站默认使用SRS权进行调度，此时的Rank调度完全依赖基站侧对SRS的测量结果来进行。当然，最初的Rank还是依赖终端上报的RI。

1.2.3 非天选终端

对于非天选终端来说，优先使用PMI权。在使用PMI权的场景下，基站实现则相对简单，完全依赖终端上报的RI来进行Rank调度。

但在远点，终端上报RI=1的场景，针对1T4R非天选终端，可以使用SRS权调度，主要是考虑在RI=1场景，1T4R可以将上行1个SRS信道测量结果完全了解清楚，此时使用SRS权调度可以获取SRS测量结果增益。

由于依赖终端上报的RI来进行Rank的调度，那么在终端上报不准的场景下，可能会损失性能，因此基站在后续版本，针对PMI权引入了Rank探测的算法进行优化，基本原理如下：基站侧会根据实际调度的MCS来决定是否要向上/向下进行Rank探测，原则是当长期调度的MCS较好时，则向上进行Rank探测，即便是终端上报的RI没有变化的时候，也尝试向上调度Rank；当长期调度的MCS较低时，则向下进行Rank探测，通过这个算法来保证在终端上报不准的时候，进一步来优化Rank调整的空间。

2 Rank问题分析

UE上报的RI差分析思路如图1所示。

图1 UE上报的RI差优化思路

基站调度的RANK低分析思路如图2所示。

图2 基站调度的RI差优化思路

2.1 UE上报的RI差

2.1.1 强邻区不切换导致UE上报的RI低

现象和分析：强邻区不切换会导致UE无法驻留在最优小区，CSI-RS会受到来自邻区的干扰从而导致UE上报的RI差。NR最强邻区的SSB RSRP比主服小区强，UE多次上报A3事件，但是网络侧一直没有下发辅站变更命令。

优化：针对强邻区不切换问题，需要排查以下几个方面：（1）配置核查。5G辅小区是否漏配5G目标小区；5G辅小区是否配置多个与目标小区相同PCI邻区；4G主小区是否漏配5G目标小区；4G主小区是否配错5G目标小区信息；X2口未配置或配置错误。（2）告警核查。4G主小区到5G服务小区和5G目标小区的X2口是否存在传输异常；5G目标小区是否存在异常告警。（3）信令分析。是否存在流程交叉等其他问题。

2.1.2 下行干扰导致UE上报的RI低

现象和分析：当小区存在干扰信号时，小区的上下行业务会受到影响，CSI-RS的测量同样受到干扰，会出现终端上报的RI低导致gNB调度的RANK低、MCS差、误码率高等问题，严重时会导致UE无法做业务。当出现如上的问题时，需要进行干扰问题分析。

优化：针对5G下行干扰问题，需要到现场进行扫频，查找干扰源。需要重点关注异系统同频干扰、邻区干扰、TDDLTE干扰、时域类干扰等。

2.1.3 RF覆盖差导致UE上报的RI低

（1）下行弱覆盖导致UE上报的RI低

现象和分析：覆盖越差，CSI-RS测量结果越差，UE上报的RI越差，则非天选终端选择低RANK的概率越大；下行弱覆盖为连续出现接收电平较低的采样点形成弱覆盖区域，用户进入弱覆盖区域后因低电平质量而速率降低，影响下载速率。

优化：对于弱覆盖区域，通常只能选择增强主服的覆盖强度，增强覆盖的可选手段如下：增加小区最大发射功率（MaxTransmitPower）；调整机械方位角让AAU主瓣覆盖问题路段（要注意避免在其他位置造成弱覆盖）；减小机械下倾角；增加小区、站点等。

（2）重叠覆盖导致UE上报的RI低

现象和分析：通常情况下，如果某一路段存在多个信号强度相当（3dB以内）的小区覆盖该路段，但却没有一个足够强的主服务小区来主导覆盖，则可认为存在重叠覆盖。重叠覆盖邻区会成为潜在的干扰源，在有负载的情况下会对服务小区造成同频干扰，同时由于信号的快衰落引起UE在不同小区间频繁发生切换，导致UE上报的RI低。

优化：根据问题路段和各小区的位置关系，确定要作为主服的小区，加强拟作为主服小区的覆盖强度或者降低邻区在该路段的覆盖强度。

主服小区的选择可从如下方面考虑；小区与问题路段之间的距离相对其他小区较近且电平相对高；问题路段与小区间没有明显的遮挡；该小区还有最大发射功率/机械方位角/机械下倾角的调整空间。

主服小区增强覆盖的可选手段如下：增加小区最大发射功率（MaxTransmitPower）；调整机械方位角让AAU主瓣覆盖问题路段（要注意避免在其他位置造成弱覆盖）；减小机械下倾角等。

降低邻区在该路段的覆盖强度的可选手段如下：降低邻区小区最大发射功率（MaxTransmitPower）；调整邻区机械方位角不让AAU主瓣覆盖问题路段；增加邻区机械下倾角等。

2.2 基站调度的Rank差

2.2.1 频繁切换导致调度的RANK差

现象：用户切换过程中链路会中断（表现在切换的那1s内调度次数会减少），切换后用户初始接入，低RANK低MSC能保证接入和切换成功率，大概在30ms左右可调整回来，影响较小；但是如果发生频繁切换，会导致RANK无法快速调整回来，因此需要对频繁切换区域进行优化；如果4G或5G在5s（时间可根据需求自定义）内存在2次及以上切换，则判断为频繁切换，如果频繁切换的小区关系存在小区A-＞B-＞A的场景，则称之为乒乓切换。

分析：地理化显示4G PCI、DL RANK、5G PCI等信息，可以通过主服PCI分布变化来观察是否存在频繁切换，如图3所示，图中4G和5G红框部分PCI频繁发生变化，对RANK产生了影响，导致该路段大部分时间RANK≤2。

图3 频繁切换的示意图

优化措施：针对频繁切换路段，需要对其进行优化，以减少频繁切换次数。

确定主服小区：确定主服小区有两个手段，降低邻区信号强度和增强主服小区信号强度。对于越区的邻区，优先调整邻区的方位角、下倾角、功率和Pattern等参数，降低邻区信号强度。

切换参数优化：通过路测日志查看测量报告，计算服务小区电平和邻区电平的差异，得到需要修改的A3门限、幅度迟滞、两两小区间cellindividualoffset或时间迟滞，评估能否解决频繁切换问题。

2.2.2 外部干扰导致RANK差

当小区存在上行干扰信号时，SRS的测量结果会受到影响，出现RANK低、MCS差、误码率高等问题，严重时会导致UE无法做业务。当出现如上问题时，需进行干扰问题分析。

2.2.3 RF覆盖差导致UE上报的RI低

这里与UE上报的RI差优化方法基本一致，不再重复。

2.2.4 通道校正分析

当RANK一直小于等于2，从来没高于2，则要排查通道校正问题。通道校正失败后，系统由于无法准确评估SRS权值，所以会默认使用DFT开环权进行业务，gNB会根据UE上报的RI来选择rank，遵从如下规则：UE CSI的RI为1，则使用RANK1；UE CSI的RI为2-3，则使用RANK2；UE CSI的RI为4-8，则使用RANK4。

当出现通道校正失败时，可以通过MML命令查看校正的结果来分析可能的失败原因。如果通道校正失败，可以通过运行STR NRDUCELLCHNCALIB命令进行手工校正，如果还是校正失败，则采集CellDT进行详细分析。

2.2.5 终端天线不平衡排查

如果UE天线存在故障，导致多路SRS测量结果不平衡现象严重，会导致进入多流的概率偏低，此时，需要检查终端天线或者更换终端天线进行复测。

检查UE SSB RSRP，判断是否有天线间差异（通过终端日志查看，比如Probe LOG中NR-＞Detail-＞SSB Measurement查看各天线的SSB RSRP情况），各个天线测量到RSRP信号尽量均衡，各天线间RSRP差异不超过10db。

2.2.6 天线物理参数排查和优化

在空旷的场景下，由于周边没有建筑物等的折射和反射，缺少多径，因此可以通过RF调整构造地面、楼宇等维度的折射和反射：（1）调整方向角，朝向楼宇，增加楼宇反射；（2）调整下倾角，空旷场景增加地面反射。例如覆盖场景空旷，在规划时机械下倾角都设置得很小，导致测试的时候RANK不理想，通过对下压机械倾角之后RANK、速率都有明显提升。

2.2.7 终端天选和MIMO能力排查

天选终端相对非天选终端，更容易达到RANK4。如果某款终端在好点最大只能达到RANK3，那么该终端可能是非天选终端。

2.2.8 RANK自适应算法产品问题排查

如果测试过程中发现某种场景下固定RANK比RANK自适应算法吞吐率更好，或者条件数边界保护RANK自适应算法，比谱效率最优RANK自适应算法测出来的吞吐率还要高，可能是算法有问题。

2.2.9 基站配置核查

基站调度的RANK差需要重点关注权值相关参数、RANK自适应算法、SRS相关参数。