高低层混合场景的5G广播权值应用研究

1 引言

近年来，随着国家基础建设投入不断加大，高层建筑发展不断加快。根据电子地图信息统计，广州市区中35 m以上建筑占比达到了17%。由于高层建筑周围分布着低矮建筑，形成了典型的高低层混合场景。一般的宏站覆盖方案无法兼顾高层覆盖和广覆盖，使得该场景网络覆盖质量不尽人意，成为网络建设的关键痛点区域。

2 高低层混合场景覆盖需求

通过对广州的数据统计分析：高层/多层居民区场景流量占比达22%以上并且持续快速增长，但目前存在覆盖盲区；高层居民小区物业难进入，室内DAS建设困难，高层覆盖问题占14%左右；现网投诉数据中，2/3/4G网络覆盖类问题投诉占比均超过20%，其中49%以上为新式住宅区的室内覆盖问题，属于高低层混合的典型场景。

仿真结果显示，4G宏站只能针对性的解决高层中低楼层的覆盖，无法保证建筑高层及背面深度覆盖。常规宏覆盖连续组网，以低层广覆盖为目标，2/3/4G网络均存在高层覆盖不足及信号杂乱的问题，效果较差。

5G网络基础需求为连续广覆盖，但是基于5G更加灵活的广播波束权值，可兼顾广覆盖和部分高层覆盖，同时满足高、低层建筑用户的信号需求，使宏站信号达到更完善的覆盖效果。实际网络中，复杂多样的建筑组合是密集城区的典型特点和常见情况，因此，针对5G高低层混合场景研究，有利于提升高价值复杂场景的覆盖性能和建网效益。对于高低层混合场景以中低层建筑混合区域为主要特点，特征指标如表1所示。

表1 高低层混合场景典型指标

3 5G覆盖广播波束赋形原理

Massive MIMO是5G物理层关键技术之一，它在基站收发信机上使用大数量（如128/192等）的阵列天线实现了更大的无线数据流量和连接可靠性。相比于以前的单/双极化天线及4/8通道天线，大规模天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域等）提升频谱和能量的利用效率；3D赋形和信道预估技术可以自适应地调整各天线阵子的相位和功率，显著提高系统的波束指向准确性，将信号强度集中于特定指向区域和特定用户群，在增强用户信号的同时可以显著降低小区内自干扰、邻区干扰，是提升用户信号载干比的关键技术[1]。

在2/3/4G制式中，每个小区都只有一个确定的广播波束。在Massive MIMO技术基础上，5G制式引入了波束扫描（beam sweeping）的概念，如图1所示。小区广播覆盖由多个不同指向的子波束共同完成。每个子波束都有自己的一套权值，广播权值管理更加复杂，不同子波束扫描组合形成的大广播也存在非常多的形式。同传统制式相比，相当于一个扇区存在多样化的广播覆盖波形，可以根据需要选取，甚至可以在必要时定制。

小区广播预先定义N个子波束，各子波束之间通过时分的方式依次轮循发送；UE在搜索小区时，通过测量各子波束的信号强度，选择信号最强的子波束作为自己的驻留波束。如图1所示，基站使用了8个波束覆盖其服务的小区。在下行过程中，基站依次使用不同指向的波束发射广播信号，不同用户选择各自方向上的最佳子波束。

图1 5G Massive MIMO广播波束扫描示意图

在5G中，广播信息是通过SS burst（PSS、PBCH和SSS）乘以不同的通道权值来控制波形。SSB的可发送位置与具体定义的帧结构密切相关；以2.5 ms双周期帧结构为例，最多有7个SSBlock可选位置[2]。

传统4G 8天线只能在水平方向调整，有限的改变水平波瓣角，以满足宏覆盖、交通线覆盖等不同变化；5G广播由于采取波束扫描的方式，每一个子波束都可以单独改变水平或垂直权值，组合成多样化的广播波形，因此权值管理要复杂的多。实际操作时，广播权值可直接在网管上配置各天线的幅度和相位，从而使用不同的广播波形,5G网管有两种权值配置方式：快速选配方式和自定义方式。快速选配方式：对于常规的宏覆盖、交通线覆盖、高楼覆盖，预先设计若干种典型的天线pattern，以满足在不同典型场景下的广播覆盖要求，网管上可直接选择对应的pattern，由后台自动生成对应的子波束权值。自定义方式：对于特殊场景需求，根据帧结构支持的SSB个数，对每个SSB位置的子波束进行单独的属性配置，包括每个子波束的索引、方位角、下倾角、水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度等，方式更加灵活。

4 5G高低层混合场景广播覆盖方案理论分析

5G广播波束由多个子波束在3D立体维度组合而成，子波束定义包含两个维度：一是子波束的形状，即波瓣宽度；二是子波束的水平、垂直角度，即波束的指向[3]。具体的子波束参数，首先需要根据场景的覆盖目标制定小区整体的覆盖波形，然后根据整体波形设计各个子波束的具体参数。每个子波束的波形不同时，达到的增益也不同。单个子波束的最大水平宽度为65度，同传统宏覆盖天线一致，即单个子波束可以形成常规宏站的覆盖能力，但此时天线增益较低，仅为15～16 dBi。如果采用4个子波束形成65度广播覆盖，即每个波束水平宽度在18度左右，增益可以达到约20～21 dBi；如果采用7～8个子波束形成65度广播覆盖，每个波束更窄，广播增益可以达到25 dBi以上。

5G基站优先满足宏覆盖需要，典型广播波形为水平波瓣65度，垂直波瓣6度，7～8个子波束扫描的形态。当覆盖目标为高楼时，可以根据目标建筑情况计算所需的广播波形，常用值为水平20～30度，垂直30度以上的波形。

针对高低层混合场景，5G基站可在宏覆盖基础上，采用专用子波束对高层区域进行补充覆盖，子波束组合为X+Y，X为考虑宏覆盖的波束数量，Y为专门考虑高层覆盖的波束数量。例如总计8个子波束，采用其中6、7个进行常规宏覆盖，剩余1、2个子波束对高层进行立体覆盖。子波束的组合方式，可以根据建筑的高度和宽度计算广播波形后进行选取，具体如图2所示。

α为垂直半功率角的一半，β为水平半功率角的一半，γ为机械倾角，HB为建筑物高度，HL为建筑物覆盖下限，LB为建筑物宽度，HA为天线高度，D为天线与建筑物的水平距离。按照上述公式确定α、β后即可定义广播波形，再用2α除以单波束的垂直波瓣宽度即为所需的垂直波束数量Y，剩下的子波束作为水平波束数量X。

图2 建筑物覆盖范围计算示意图

以8波束为例，建议情况如下，如图3所示。

7+1方式：7个子波束形成宏覆盖，1个子波束对高层立体覆盖。子波束默认垂直宽度6度，当站高30 m，基站距离建筑100 m时，约可覆盖45 m左右高度。

6+2方式：6个子波束形成宏覆盖，2个子波束对高层立体覆盖，可以覆盖超过60～70 m的建筑。

图3 不同波束组合覆盖示意图

典型的高低层混合场景高楼覆盖需求更多的集中在70米以内，建议采用6+2方式，下面针对该方式进行仿真分析。

5 5G高低层混合场景覆盖仿真分析

以广州万博核心区为例，该区域属于密集城区场景，区域内包含办公楼、住宅等各类型新旧楼宇，属于典型高低层混合建筑区域。此次选择的仿真区域为中铁诺德中心及周边区域，区域内存在高低不等的建筑群，主要包括：中铁诺德中心高度为163米，其裙楼为40米左右；荔园地产中心高度为68米，裙楼20米；招商城市主场高度为100米，裙楼50米；周边官堂工业园建筑高度为10～20米；区域东侧为住宅区，包括100米高层及10～15米别墅及小高层建筑。

仿真关键参数设置如下：

（1）5G NR：

① 频段：2.6 GHz

② RS EPRE：17.8 dBm

③ 天线水平/垂直波瓣宽度：65/21度

④ 天线增益(dBi)：23.78

（2）4G宏站：

① 频段：2.6 GHz

② RS EPRE：15.2 dBm

③ 天线水平/垂直波瓣宽度：65/7度

④ 天线增益(dBi)：15

通过仿真，针对高低层混合场景，常规4G宏站以及5G NR采用广播波束赋形的覆盖效果如图4所示。

图4（a） 常规4G高低层混合场景覆盖仿真图

图4(b) 5G广播波束赋形高低层混合场景覆盖仿真图（6+2方式）

仿真区域RSRP仿真结果如表2所示。可见，5G采用了广播波束赋形，分别对水平和垂直方向进行扫描，同时天线增益和发射功率较大，可以保证水平和垂直两个方向的良好覆盖，RSRP明显优于4G网络。4G宏站由于垂直波瓣宽度较小，对高层建筑无法形成有效覆盖，只能保证水平宏覆盖，RSRP劣于5G网络。

综上，针对高低层混合场景，5G广播波束建议采用6+2子波束方式，形成水平波瓣65度、垂直波瓣14-20度的广播波形，以保障良好的高低层覆盖效果。

表2 仿真区域RSRP情况

6 结束语

高低层混合场景是常见的蜂窝通信覆盖场景，传统4G宏站只能针对性的解决宏覆盖及高层建筑中低楼层的覆盖，无法兼顾建筑高层及背面的深度覆盖，成为网络建设的关键痛点区域。5G由于引入Massive MIMO波束扫描，每一个子波束都可以单独改变水平或垂直权值，组合成多样化的广播波形，广播权值可灵活配置兼顾高低层覆盖。本文针对高低层混合场景建筑特点，研究了该场景下的广播波形计算方法，提出了6+2子波束组合的权值配置方案，6个子波束形成宏覆盖，2个子波束对高层立体覆盖，并通过仿真验证其有效性。本成果中的广播权值配置可作为模版，在未来5G网络精细化规划中加以应用，远期可在后台网管中进一步引入AI，自动匹配场景，自动配置权值。