5G场景化波束赋形方案应用研究

王小林

中国联合网络通信有限公司佛山市分公司 广东 佛山 528000

引言

5GNR系统采用波束赋形技术，对每类信道/信号都会形成能量更集中、方向性更强的窄波束。但是相对宽波束（比如LTE波束），窄波束的覆盖范围有限，一个波束无法完整的覆盖小区内的所有用户，也无法保证小区内的每个用户都能获得最大的信号能量，所以引入波束管理，基于各类信道/信号的不同特征，gNodeB对各类信道/信号分别进行波束管理，并为用户选择最优的波束，提升各类信道/信号的覆盖性能及用户体验。本文通过佛山联通案例应用，总结优化效果形成相关经验，为后续5G大规模商用优化提供经验，快速推广应用至各类典型场景[1]。

1 波束管理优势

对于基站来说，如果天线的信号全向发射的话，基站周围的手机只能收到有限的信号，大部分能量都会浪费掉。5G频段高，波长短，穿透能力强，但是覆盖范围小，为了增强5G覆盖范围，波束赋形应运而生。通过调整天线的幅度和相位赋予天线辐射图特定的形状和方向，使得无线信号能量集中于更窄的波束上，增强覆盖范围和减少干扰。

波束赋形方向可控，可跟随移动终端调整波束的方向。在非视距（NLOS）场景下，波束赋形可利用波的反射和折射，然后信号抵达终端。但是信号经常处于移动状态，高频信号容易受到无限环境影响，容易被建筑物，雨水阻挡，无法抵达终端。因此为了确保无缝隙覆盖，需要基站尽可能在不同的方向发送多个波束，这就需要波束管理技术。

2 场景选择

5G SSB广播波束多样化的权值设计有利于适应不同场景的覆盖，增强覆盖、降低干扰、提升测量精度，覆盖优化手段相对LTE更多样化。通过计算覆盖需求区域的宽度、高度与基站距离、高度、下倾角之间的关系，利用几何知识，求出匹配场景覆盖需求的波束覆盖场景方案，设置合理的SSB广播波束的权值（水平波宽和垂直波宽），以达到实际用户的业务覆盖要求[2]。

2.1 垂直波宽确定

通过输入站高、楼高以及楼站距离可以算出所需垂直波宽A：

其中，h1：基站高度；h2：楼宇高度；d1：楼宇到基站水平距离。

2.2 水平波宽确定

通过输入楼宽以及楼站距离可以算出所需水平波宽B：

w1：楼宇宽度；d1：楼宇到基站水平距离；

上述2个步骤是小区在理想方位和下倾角覆盖条件下，求出的理想垂直和水平波宽需求。波束优化不同场景选择里面具备不同的下倾角、方位角可调范围，结合实际的小区方位角和下倾角进行补偿后即可求出实际所需垂直和水平波宽（见图1），在方位角和下倾角与实际需求相差过大时，还需要结合RF优化调整[3]。

图1 水平、垂直波宽计算示意图

3 测试验证

选取佛山联通5 G 华为基站：佛山-H-佛山福升大厦-8519887-ONR-DS，覆盖场景包括中高低层楼宇场景，通过修改NR DU小区TRP波束配置，同步进行现场CQT楼宇测试17种场景对比，统计各场景楼宇的平均RSRP，SINR以及下载速率，进一步验证不同波束权值对场景的覆盖差异。通过场景化测试验证，分析低中高楼宇覆盖场景与水平3db波宽、垂直3db波宽的关系[4]。相关验证对比数据，见图2所示（见下页）。

图2 不同水平&垂直3db波宽覆盖对比图

4 验证结果解析（水平&垂直3db波宽覆盖分析）

4.1 低层楼宇场景

通过测试验证，该类型覆盖场景和水平3db波宽的关系：在90°波宽的场景下覆盖效果最好，速率最佳。垂直3db波宽对覆盖场景和速率的影响，在12°波宽覆盖稍弱，但其平均下载速率是最好的[5]。

综合考虑，在低层楼宇场景中，采用SSB广播波束场景7（90°，12°）权值时覆盖最好，同时在水平波宽90°时，速率也是最好的，用户体验更加。

4.2 中层楼宇场景

结合测试验证，鉴于建筑的横向面积，水平波宽在110°波宽的覆盖较好，平均下载速率高。垂直3db波宽覆盖场景，25°波宽RSRP覆盖最好，平均下载速率也最高。

综合分析，中层楼宇场景中，采用SSB广播波束场景6（110°，12°）权值时覆盖较好，速率最佳，用户体验更佳。

4.3 高层楼宇场景

结合测试验证，该场景下高层楼宇正对小区主打方向，水平3db波宽15°时，覆盖最远，可以集中覆盖高层楼宇，在覆盖最好相应的平均下载速率均是最佳。同步分析垂直3db波宽，12°波宽覆盖最好，用户下载体验速率也是最好[6]。

综合分析，该高层楼宇场景下采用场景16（15°，25°）权值SSB波束时，覆盖最好，同时拥有较好的下载速率，有利于深度覆盖及速率提升。

4.4 验证结论

通过对以上3种典型场景不同的SSB波束权值分析，对于低层楼宇和中层楼宇场景，综合考虑低层楼宇的面积，以及相对主打小区的位置，选择水平3db波宽稍宽90°或65°，垂直3db波宽12°的权值的SSB广播波束来覆盖：如场景7（90°，12°）

对于孤立的高层楼宇，且正对小区主打方向，可以采用水平3db波宽稍窄，如15°、25°场景。垂直3db波宽稍宽12°或25°的权值组合来覆盖，如场景16（15°，25°）。

5 结束语

本文提出在不同场景下进行SSB波束权值优化，进一步改善5G网络覆盖及用户感知速率。在现网选取3种典型波束权值参数分别应用到中高低楼宇覆盖场景，通过计算覆盖需求区域的宽度、高度与基站距离、高度、下倾角之间的关系，利用几何知识，求出匹配场景覆盖需求的波束覆盖场景方案，设置合理的SSB广播波束的权值，达到5G用户的业务覆盖要求，同时对楼宇场景提升室内用户的5G上网感知成效明显，具备一定的推广意义。