5G自定义波束在深度覆盖场景中的应用研究

摘要：深度覆盖问题一直是网络优化的痛点，本文在5G自定义波束能灵活实现子波束级权值设置的基础上，研究探索一套能解决深度覆盖问题权值波束方案，提升5G深度覆盖场景网络质量。

关键词：SSB 自定义波束;Massive MIMO;深度覆盖

1引言

Massive MIMO可以大幅度提升单站的容量和覆盖能力，解决运营商在同城竞争中面临的站址紧张、建站难、深度覆盖难等痛点，同时大幅度提升单用户流量满足终端用户对不同业务极致体验的诉求。本文通过合适的波束权值优化方案，可以有效提升5G室内深度覆盖水平，优化用户体验。

2Massive MIMO 定义

Massive MIMO是LTE向5G演进的一项关键空口技术，它使用大规模阵列天线，增加了垂直维度和水平维度能力，实现了三维精准波束赋形和多流多用户资源复用，大幅度提升容量，增强了立体覆盖。

2.1基本原理

MIMO技术最早是由马可尼（Marconi）于20世纪初提出的抑制信道衰落的多天线信息传递技术。MIMO技术利用了空间维度资源，发射端和接收端分别设置多个天线，从而实现多路数据同时接收或发射。

2.2关键技术

Massive MIMO相对于传统MIMO能够有效提升性能的最重要关键技术就是大规模阵列天线。Massive MIMO通过在基站端放置大规模天线阵列，理论上，当M 趋于无穷时，空间分开的不同用户的矢量信道将趋于正交，这样同小区用户间干扰被消除，简单的MRC算法即可达到最优，同时，由多天线形成的极窄波束的分辨率将高于产生小尺度瑞利衰落的多径尺度，因而小尺度衰落几乎被消除。

2.3天線阵子设计

阵子数是影响Massive MIMO性能的一个关键点，阵子数越多，波束越窄，能力就越集中，垂直面天线达到2T以上即可实现3G的赋形增益，天线数越多，增益越高。但是，Massive MIMO的阵子数不一定等于天线数，可以通过1驱N的方式，增加更多阵子数，从而提升Massive MIMO的增益。

3波束赋形

3.1基本定义

发射信号经过加权后，形成了指向UE的窄带波束，这就是波束赋形（beamforming，简称“BF”）。NR Sub6G多天线下行各信道默认支持自适应三维波束赋形，开通3D-BF特性后，窄波束在水平方向和垂直方向都能随着目标UE的位置进行调整可以形成更窄的波束，精准的指向用户，提升覆盖性能。

3.2基本原理

关于波束赋形的基本原理，可以首先考虑自由空间中电磁波的远场辐射情况。

（1）当只存在单个天线振子时，以同极化方向从各个角度对电场振幅进行观测时，信号是各向同性衰减的，即不存在方向选择性。

（2）如果增加一个同极化方向的振子，且两个振子处于同一位置时，即使两个天线发射信号可能存在一定的相差，但从任何角度观测，两列波的相差并不随观测角度的变化而发生变化，因此信号仍然不存在方向选择性。

（3）如果增加一个同极化方向的振子，且两个振子保持一定间隔，则两列波之间会发生干涉现象，即某些方向振幅增强，某些方向振幅减弱。

4波束管理

多天线阵列的大部分发射能量聚集在一个非常窄的区域，这意味着，使用的天线越多，波束宽度越窄。好处在于，不同的波束之间、不同的用户之间的干扰较少，因为不同的波束都有各自的聚焦区域，这些区域都非常小，彼此之间不大有交集。

5主流厂家波束组合配置

5.1默认固定权值波束方案

默认固定权值波束方案是主流设备厂家，经过严格的微波暗室测试和现网验证，形成固定权值配置组合库，优化人员只需按具体覆盖场景类型选其中一种权值配置即可完成权值优化，但灵活性不足，面对复杂多样性场景，不能做到精准覆盖。一般设备厂商设计的标准化权值组合pattern为14至17种之间。

5.2自定义的权值波束方案

自定义权值波束方案，是指各设备厂商完全开放了天线权值的设置限制，能做到子波束级别的权值调整，每个子波束的方位角、下倾角、子波束水平波瓣宽度、子波束垂直波瓣宽度，权值四元参数均实现解耦，能够灵活配置，权值调整空间得到几何级的增加，能够针对现网极其复杂的多样化场景进行SSB波束精细优化调整。

6针对深度覆盖场景的波束方案设计思路

密集低层建筑属于深度覆盖场景，指的是5G宏站覆盖范围内，全部为密集底层建筑群，建筑物阻挡严重，深度覆盖不足问题突出，特殊场景需要定制高增益子波束，且进行水平放置，除了使用最窄子波束之外，还按需对覆盖密集居民区的子波束开通boosting功能，做子波束功率增强。

75G深度覆盖场景的权值优化设计思路

根据权值波束数据、MDT数据，密集区域的大小，对深度覆盖区域进行权值优化，对MDT采样点进行聚类，找出采样点聚合方位，通过计算建筑物分布得到的水平波宽、电子方位角、电子下倾角与通过计算用户分布得到的水平波宽、电子方位角、电子下倾角进行融合，生成最佳的水平波宽、电子方位角、电子下倾角，其中计算建筑物分布得到垂直波宽即为最佳垂直波宽。最后根据自定义波束四元参数可配置范围，找出最相似的作为最终的方案进行输出。

85G深度覆盖优化算法验证。

对现网5G深度覆盖场景小区进行应用，基于密集建筑区域和MDT采样点，应用5G深度覆盖场景权值优化算法，对省内密集居民区内楼宇进行寻优，通过寻优算法，计算出的权值方案结果，优化前后，平均RSRP提升10db，覆盖率提升6.60%，上下行总流量提升103.47%，RRC用户数提升77.78%。

9总结

本文充分利用5G自定义波束的潜力，在支持子波束级权值灵活配置的基础上，彻底弥补了以往5G波束方案，无法适配深度覆盖场景的痛点问题，使天线权值优化方案的精细化程度迈向一个新的高度，真正实现场景化的SSB波束扫描，为后续人工智能权值优化，提供良好的业务能力基础，提升5G网络质量。

参考文献：

[1]曹诚.5G网络架构和关键技术[J].无线互联科技，2015（9）：16-17.

作者简介：赵永红（1985.4 -），男，广东省江门市，汉族，学历本科，中级工程师，长期从事网络优化策略研究、无线网络专网规划优化、新技术等方面的研究与实践。