密集城區5G廣播波束配置策略研究

瞿軼 莫建忠 王穎恒 應瑛 樊忠文

【摘要】? ? 5G移動通信關鍵技術在于波束賦形，以及波束多樣性帶來的垂直角度覆蓋增益，配置不同的波束賦形權值，小區水平和垂直覆蓋增益各不相同。5G TDD 3.5G頻段分配17種波束配置模式，開網默認S0模式垂直波寬小、電子下傾調整范圍小、電子方位角不能調整、覆蓋局限性大。通過結合城區地域特色結合理論模型搭建、仿真支撐、路測數據驗證、室內CQT驗證、系統指標同步評估、驗證結果合理性整體評估的方法，給出適合城區的5G小區廣播波束配置組合模式，提升室內外整體覆蓋能力。

【關鍵詞】? ? 5G廣播波束? ? 波束配置組合

Absrtact： The key technologies of 5g mobile communication are beamforming， vertical angle coverage gain caused by beam diversity， configuration of different beam configuration weights， horizontal and vertical coverage gain of cell， etc. rent Band 5g TDD 3， 5g is divided into 17 beamforming modes. By default， S0 mode has smaller vertical wave width， smaller downward tilt range， non adjustable electron azimuth and larger Cover. Based on the regional characteristics of City， This paper presents a 5G cell broadcast beam splicing model suitable for City. Through the establishment of theoretical model and simulation support， the comprehensive coverage ability inside and outside the district is improved. Road survey data verification， indoor CQT verification， system index synchronous evaluation， and comprehensive evaluation of rationality of results.

Key words： 5G Broadcast Beam， Beam configuration combination.

引言：

5G相比傳統4G基站因為引入大規模陣子天線技術而實現波束賦型能力更強，實現5G獨有的超級帶寬技術（eMBB）、高接入密度（mMTC）技術，實現在空間、位置、容量多方面提升，能夠滿足未來膨脹式增長的物聯網接入需求。當前主流5G AAU提供64T64R＼32T32R兩種制式天線陣列，多天線技術確保了不同用戶間干擾隔離，實現多方位用戶網絡覆蓋增強。但是獨特的地理環境會改變天線信號覆蓋需求，根據城市特點來實現大規模天線技術在信號覆蓋增強方面的研究有利于用戶感知提升[1]。

一、默認波束配置模式覆蓋局限性

3.5G頻段5G承建區主要集中在海島東部，承建區西邊為丘陵山地，其他三面靠海，南北狹長，東西窄小，東西距離不足1.5公里。區域內主要以高層，超高層建筑為主，樓高普遍在60米以上，最高達到120米，屬于典型密集城區，地理因素獨特，對高層立體覆蓋和低層廣覆蓋要求較高[3，4]。當前網絡3.5G頻段設備支持17種波束配置模式，根據不同覆蓋場景特點，配置不同的波束模式，覆蓋增益不同。開網默認波束配置S0模式（水平波寬105°、垂直波寬6°），垂直波寬較小，不滿足高層樓宇覆蓋需求，未能發揮5G波束多樣性對垂直角度覆蓋增益的特點，存在較大局限性。如圖1示，S0模式為水平單層7波束，水平廣覆蓋能量大，垂直半功率角度小，垂直覆蓋能力相對較差，在面對高樓林立以及海域空曠場景覆蓋不足。

二、Massive MIMO波束賦形

5G NR系統采用Massive MIMO波束賦形技術，信號能量更集中，方向性更強的窄波束，在覆蓋能力、遠端控制方便與4G存在一定差異。窄波束在相同發射功率下覆蓋更遠，但是結合多波束技術彌補覆蓋范圍缺陷，同時提高多用戶接入隔離度。4G覆蓋為小區級，由PCI區分，5G覆蓋為波束級，由小區PCI和波束Beam ID區分，對于波束可以理解為小區（Cell）下面迷你小區（Mini-Cell）。

5G多波束相對4G波束波寬更窄（4G寬波束），但仍然存在主瓣和旁瓣概念。波束成形提高所需方向的信號強度，減少非希望方向（干擾方向）的信號強度，信號發射后波束更好地指向用戶，在用戶接收時得到最大SINR。主瓣指向的方向上的用戶信號最好，信號強度最大，偏離主瓣方向越多的用戶信號強度越小。4G方位角只能夠實現機械調整，而5G新引入電子方位角概念，通過配置不同波束模式調整覆蓋方向，便于優化工作展開，降本增效。同時4G除機械外，存在電子下傾角概念，普通4G小區單通道包含垂直所有振子，電下傾可控制垂直所有振子，因此廣播波束和業務波束指向由電下傾決定，對廣播和業務信道均存在影響。具體通過移向器實現[5]。移相器分為模擬移相器和數字移相器，模擬移相器只改變相位，數字移相器可以改變相位和振幅。5G引入波束下傾角概念，采用數字下傾調整方式。數字傾角通過基帶編碼預制（Baseband Precoding），電子傾角通過移相器改變整體輻射信號的包絡的下傾角。移相器分為模擬移相器和數字移相器，模擬移相器只改變相位，數字移相器可以改變相位和振幅[6]。

5G波束掃描收發原理分為3個階段來實現波束下發：

1. P1階段：基站全向發送SSB波束，UE用寬波束掃描，UE和基站都掃一遍后，確定基站的窄波束范圍和UE的寬波束，然后UE發送PRACH，進行隨機接入。

2. P2階段：RRC鏈接建立之后，UE用特定的寬波束上報SSB測量報告，基站在最優的波束附近，用窄波束掃一遍，確定gNB的窄波束。

3. P3階段：基站固定波束，UE再用寬波束掃描，以此確定UE的窄波束，P3過程結束之后，UE和基站窄波束完成對準。

5G 根據規劃尋優及調整因子， 形成10000+組合，是4G的30倍+。龐大的組合操作起來及其不方便，現網基于3GGP協議、現場配置考慮及方便用戶操作使用，最終在系統中缺省內置了17種方便使用的波束模式，17種模式由7種不同的水平波寬，3種不同的垂直波寬混合組成。

三、5G 多波束仿真模擬實測

從傳統4G經驗得知，高層樓宇內深度覆蓋盲點較多，山上站點海拔相對較高，易造成越區覆蓋;海域站點旁瓣易對周邊道路、海域產生影響，均需合理控制遠端覆蓋，同時提升室內深度覆蓋。驗證選取高層樓宇、低層商業廣場、體育館場景，階梯式驗證方法進行，需要經歷精細化尋優、3D建模仿真、模式匹配選擇過程[7，8]。

3.1精細化波束尋優流程

1.選擇扇區主覆蓋（方位角±60度范圍內）的建筑物作為待規劃目標;

2.選擇與站點距離【50，300】范圍內的建筑物作為待規劃目標;

3.若有室分建筑物列表，則規劃時應排除部署室分站點的建筑物;

4.基于如下拓撲關系計算扇區覆蓋建筑物需要的水平與垂直波寬，根據水平波寬與垂直波寬要求選擇相應的波束場景。

如公式1所示通過水平波角計算正切函數，以及正切反函數計算出的水平波寬與垂直波寬，選擇與此數值接近的波束場景，其中B為待規劃建筑物寬度，D為站點到建筑柵格的距離，β為水平波寬。如α介于25°與12°之間，將其與25°和12°中值比較，若α大于中值，選擇垂直波寬25°，否則取12°，若共站相鄰小區夾角小于90°，順時針較前小區水平波寬取≤65°。

綜合考慮水平波寬α與垂直波寬β的場景交集，選擇能夠同時滿足水平和垂直覆蓋需求的波束場景。通過計算高層最適合模式為S13，低層為S0，但是理論數據可能與實際存在偏差，驗證測試不能局限于模擬計算模式。

3.2 3D建筑仿真

3D建筑仿真通過3D高精地圖模擬城區建筑環境進行模擬仿真，5G城區傳播模型進行仿真渲染來達到初步核實計算準確性。如圖2所示，仿真環節包含確定建筑范圍、規劃對應參數組、進行仿真優化參數組合增益函數、基于增益函數計算結果確定下一輪優化參數組、輸出參數優化結果。表2所示經過選址仿真所有3D仿真結果如下，高層采用S13模式，低層采用默認S0模式，具有較好覆蓋效果[9]。

3.3 實際測試驗證

高樓場景下，S13，S14，S15，S16模式在垂直方向上的增益相同，水平方向增益逐漸減小，實際測試驗證結果顯示，S13模式在吹瓶和垂直維度增益上均處于較優模式，與計算結果S13為最優模式相同。

低層覆蓋場景室內CQT測試與室外DT測試結果一致，以商業廣場商業廣場場景為例，S0 覆蓋優于S2模式7db，滿足室外道路和室內覆蓋需求，S0為較好模式。商業廣場選取湖濱廣場、地凱虹廣場、體育館3種不同區域包含海邊環境測試，均證明S0模式下，室外道路場景覆蓋良好，直接證明東港低層商業廣場底層樓宇對垂直波瓣增益需求并不明顯。

如圖3所示，室內外驗證結論，高層樓宇采用S13模式，低層樓宇及廣場采用默認S0模式，S0+S13組合模式組網能夠獲得較好覆蓋增益。通過各組合模區域整體測試，后臺指標評估的方法，驗證以上結論準確性及指標影響。同時結合室內外整體拉網指標顯示，低層建筑區及廣場區域采用S0默認，高層樓宇采用S13組合模式證明，S13模式在現有站點密度下，滿足道路測試需求，如表4所示同時具有較好室內覆蓋增益，且各模式更改后，后臺指標未發生明顯惡化，整體指標正常，對系統指標無明顯影響。

四、結束語

通過理論模型搭建、仿真支撐、路測數據驗證、室內CQT驗證、驗證結果合理性整體評估的方法得出一致結論，低層樓宇及廣場選用默認S0模式兼顧廣覆蓋，高層選用S13模式提升深度覆蓋，兩者結合的組合覆蓋模式，對提升海島城區覆蓋具有較好效果，與理論計算、模擬仿真、DT/CQT驗證、整體評估相吻合。對高層樓宇，低層商業廣場典型場景摸底測試得出結論：S0默認模式能夠滿足低層樓宇室內覆蓋需求，應對廣覆蓋效果良好。S13模式對超高層樓宇垂室內覆蓋改善效果明顯，S13模式滿足室外道路覆蓋需求，證明廣播波束對實際不同場景可優化配置。其中S0（低層樓宇景）+S13（高層樓宇場景）組合模式適合城區覆蓋需求。同時依據理論模型搭建、仿真支撐、路測數據驗證、室內CQT驗證、后臺指標同步評估、驗證結果合理性整體評估的方法，能夠深入分析網絡覆蓋需求點，對不同城市場景具有參考價值。

參? 考? 文? 獻

[1] 呂躍廣. 通信系統仿真[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[2] 胡國安， 郭旭靜. 基于“仿真+實操”的基站天線安裝教學設計[J]. 湖南郵電職業技術學院學報，2018（12）.

[3] 劉艷， 羅懷瑾. Massive MIMO關鍵技術及應用[J]. 電信工程技術與標準化，2019年（2）.

[4] 楊晨， 韋再雪， 楊大成. 5G毫米波信道模型研究與仿真[J].軟件，2016（3）.

[5] 3GPP.Study on Channel Model for Frequencies from 0.5 to 100 GHz：3GPP TR38.901[EB/OL].[2020-06-30].

[6] 李凱， 徐景， 楊旸. 5G環境下系統級仿真建模與關鍵技術評估[J].中興通訊術，2016，22（03）：41-46.

[7] 許賢澤， 方屹濤， 鄭成林. 基于5G新場景下的傳播模型校正與鏈路預算[J]. 南京郵電大學學報（自然科學版），2020，40（02）：1-6.

[8] 陳華東. 5G無線網絡規劃以及鏈路預算[J]. 信息通信，2019（08）：159-160.

[9] 趙偉康. 5G傳播損耗及鏈路預算[J]. 中國新通信，2019，21（24）：8-9.