楼宇场景下的5G广播波束研究

薛龙来 夏伟 魏俊毅

【摘要】    5G由于采用了Massive MIMO和波束赋形（Beamforming BF）等技术有效的解决城区不同场景下的覆盖问题，进而覆盖效果更加完善。5G天线数量可达16/32/64/128阵列，因此被称为“大规模”的MIMO。本文研究高、中、低层楼宇场景下广播波束权值规划最佳方案，给出配置建议，供规划优化参考。

【关键词】    Massive MIMO    波束赋形    广播波束权值规划

引言

Massive MIMO技术是多天线演进的一种高端形态，被业界公认为4.5G和5G网络的关键技术之一。作为一种新的站点形态，Massive MIMO通过集成更多的射频通道和天线、实现三维精准波束赋形和多流多用户复用技术，从而达到比传统的技术方案更好的覆盖和更大的容量[1]。5G时代，城市热点楼宇是覆盖复杂多样，例如商业CBD，住宅小区等，城中村，楼宇状况复杂，是当前5G覆盖的难点。如何解决不同场景下小区的覆盖受限，解决邻区干扰，提升5G的楼宇覆盖能力，是当前亟待解决的问题。

一、技术原理

1.1波束赋形与Massive MIMO之间的联系

波束赋形与Massive MIMO是5G网络时代的关键技术。波束赋形是指根据特定场景自适应的调整天线阵列，对发射信号进行加权，形成指向UE的窄波束。Massive MIMO意味着基站天线阵列中具有大量天线而且天线阵列使用同一频率资源和时间满足空间上分离的多位用户的需求。如何更加合理的应用波束赋形和Massive MIMO技术解决当前5G覆盖中热点楼宇覆盖的难点将是本文讨论的内容。

波束赋形和Massive MIMO的优点：

◆可以更好的覆盖远端和近端小区;

◆可以有效减少小区间的干扰;

◆3D波束赋形更加精确，提升终端接收信号强度;

◆由于同时同频服务更多的用户（多用户空分），从而提高了网络容量。

1.2 5G广播波束场景化

在3D天线管理模块中呈现天线3D视图。天线在不同的Pattern配置下，不同数字下倾角、不同数字方向角的配置下，增益波形差异明显。

目前广播波束场景化配置加上默认模式共计17种[2]，分别是小区间干扰场景（可以使用水平扫描范围相对窄的波束，避免强干扰源）、广场场景（近点使用宽波束，保证接入，远点使用窄波束，提升覆盖）、高楼场景（使用垂直面覆盖比较宽的波束，提升垂直覆盖范围）等三大场景。

二、高层楼宇场景测试分析

选择有天线直接面对高楼覆盖的场景进行测试，天线与被测试高楼之间无遮挡且距离适当， 本场景选取某高档写字楼进行测试。该楼宇高度26层，测试楼层选取5、10、15、20、25层，测试地点选取电梯边靠窗位。占用的小区某基站第二小区（PCI=14），天线高度31米，对被测楼宇采用隔层测试的方式，采用定点下行灌包的方式进行测试，单次测试时间颗粒度为1分钟，最终以平均值作为统计结果。

本次覆盖的楼宇为高层楼宇，需要重点关注高层楼宇覆盖效果。因为测试地点位于第二小区天线的正对方向，观察垂直波宽对楼宇的不同楼层的覆盖效果。

保持水平波宽65度不变，对比垂直波宽，将第二小区的广播波束场景分别设置为：

◆SCENARIO_3（水平波宽65度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_8（水平波宽65度，垂直波宽12度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_13（水平波宽65度，垂直波宽25度，方位角0度，倾角6度）;

结果表明，对比同一樓层、不同的垂直波宽对覆盖的影响发现，垂直波宽的变化对中、低层（1-20楼）楼宇的覆盖效果差距不大，高层楼宇（25楼以上）垂直波宽对覆盖效果影响较大。本次测试中，高层楼宇中垂直波宽选择25度覆盖效果最佳，同时考虑SINR值，选择垂直波束25度的波束在高层优势明显。综合考虑选择SCENARIO_13波束，覆盖达到最优。

三、中层楼宇场景测试分析

本次选取某办公大楼进行测试。本楼宇高度16层，测试楼层选取2、9、16层低中高层进行测试，测试地点选取办公室靠窗位置。占用的小区为第一小区（PCI=4），天线高度28米。

3.1水平波宽110度，对比垂直波宽

保持水平波宽110度不变，对比垂直波宽，将第一小区的广播波束场景分别设置为：

◆SCENARIO_1（水平波宽110度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_6（水平波宽110度，垂直波宽12度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_12（水平波宽110度，垂直波宽25度，方位角0度，倾角6度）;

3.2水平波宽65度，对比垂直波宽

保持水平波宽65度不变，对比垂直波宽，将第一小区的广播波束场景分别设置为：

◆SCENARIO_3（水平波宽65度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_8（水平波宽65度，垂直波宽12度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_13（水平波宽65度，垂直波宽25度，方位角0度，倾角6度）;

3.3水平波宽25度，对比垂直波宽

保持水平波宽25度不变，对比垂直波宽，将HF-市区-省实业大楼-HA-6881291-4的广播波束场景分别设置为：

◆SCENARIO_5（水平波宽25度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_10（水平波宽25度，垂直波宽12度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_15（水平波宽25度，垂直波宽25度，方位角0度，倾角6度）;

本次测试为中层16层楼宇，保持水平波宽110度不变，垂直波宽从6到调整到25度，低层楼宇覆盖效果差距不大，中层楼宇选择垂直波束12度和25度覆盖效果稍微优于垂直波束6度的覆盖，高层采用垂直波宽12度时，覆盖效果最佳。

保持水平波宽65度不变，垂直波宽从6到调整到25度，测试结果同A测试类似，垂直波宽从6到调整到25度，低层楼宇覆盖效果差距不大，中层楼宇选择垂直波束12度和25度覆盖效果稍微优于垂直波束6度的覆盖，高层采用垂直波宽12度时，覆盖效果最佳。

保持水平波宽25度不变，垂直波宽从6到调整到25度，低层选择垂直波宽6度覆盖最好，但中高层覆盖较差，中层和高层垂直波宽选择12度和25度覆盖更好。

综合考虑所有楼层， RSRP三个楼层均值最大的波束是SCENARIO_6，垂直波束选择12度，水平波束选择110度，此时RSRP均值为：-89.67dBm，在测试中既能保证低层覆盖，也能保证中高层的较好覆盖。同时考虑小区间干扰，选择水平波宽110度的波形时，SINR值较好，无明显的下降，综合考虑选择SCENARIO_6波束覆盖，达到最优。

四、多层楼宇场景测试分析

本次选取某住宅小区进行测试。本小区楼宇高度6层，楼宇较密集。进行楼宇内CQT测试。

测试方法同前述，该测试楼宇主要由某基站第一小区覆盖，天线高度31米， 选取14～18号楼宇进行测试，楼宇总高6层，选取中间单元第3层进行测试。

将基站第一小区的广播波束场景分别设置为：

◆SCENARIO_1（水平波宽110度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_3（水平波宽65度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

◆SCENARIO_5（水平波宽25度，垂直波宽6度，方位角0度，倾角6度）;

从RSRP角度分析：14栋到18栋，楼宇位置从基站第一小区的主瓣方向到旁瓣方向过渡，在主瓣方向的14栋，水平波宽的变化对RSRP影响不大，往旁瓣方向20～22栋，水平波宽对RSRP的影响逐渐凸显出来，水平波宽较窄的波束，覆盖明显变差。在三种波束下，五栋楼的RSRP均值最好的也是SECANARIO _1为-89.73dBm。

从SINR角度分析：结果同RSRP相似，旁瓣方向的楼宇水平波宽小的波形SINR明显下降。综合考虑选择水平波宽为较大的SECNARIO_1覆盖效果达到最优。

五、结论

Massive MIMO和波束赋形技术可以在日常5G覆盖优化中提高覆盖效果，提升用户感。本文通过对城区楼宇场景中的高、中、低层典型楼宇测试分析，对比验证，研究不同广播波束类型在各种类型的楼宇的覆盖效果，找到最优设置，给出设置建议：

多层楼宇（7层以下）：选择水平波宽110度的SECNARIO_1，保证旁瓣覆盖的楼宇的RSRP和SINR在较好水平，覆盖效果达到最优。

中层楼宇（7～17层）：选择水平波束110度，垂直波束12度的SCENARIO_6波束覆盖，楼宇整体RSRP最优，同时SINR值较好，无小区间干扰，覆盖效果达到最优。

高层楼宇（18层以上）：高层楼宇的覆盖难点在于高层部分，综合考虑RSRP和SINR，选择垂直波束25度的SCENARIO_13波束覆盖，优势明显，覆盖效果达到最优。

参  考  文  献

[1]彭东升， 王煜辉， 程晓东，等. Massive MIMO广播波束場景化研究[J]. 通信技术， 2020， v.53;No.337（01）：69-74.

[2] WANG Lin，ZHOU Yi-gang，ZHENG Li-ming，et al.Mass MIMO 3D Spatial Correlation Channel over Relaxation Detection Algorithm[J].Journal of Harbin University of Technology， 2018，50（05）：18-23.

薛龙来（1984-），男，汉族，河南洛阳人，工程师，硕士研究生，主要从事无线网络规划与优化及网络人工智能的相关工作。

基金项目：河南省信息咨询设计研究有限公司高新技术研发项目（2021X-JY-04）