Massive MIMO波束优化提升5G分流比研究与应用

杜 晖

（中国电信集团有限公司南京分公司，江苏 南京 210008）

引言

5G 网络建设已经达到一定规模，5G 分流比是衡量5G 用户及业务发展的关键性能指标，电信集团的目标是到2022 年底5G 分流比达到50%。提升分流比的关键要点：5G 终端渗透率、5G 开关打开率、DOU 系数、5G 机网匹配率、5G 流量驻留比，其中前三项主要与前端市场发展相关，后两项主要与网络侧相关。

本研究在实践的基础上，结合Massive MIMO 波束赋形特点，针对不同的覆盖场景，建立Pattern 寻优体系，确保更多的5G 终端用户能够体验5G 网络，提升5G 分流比。

1 波束赋形基本原理

NR 系统采用波束赋形技术，对各个信道和信号使用波束更聚集，方向性更好的窄波束。相比于宽波束（比如4G 波束），窄波束的覆盖区域较小，单波束没办法全面覆盖扇区里所有用户，因此必须波束管理，根据不同信道和信号的各特点，基站对不同信道和信号分别进行波束管理，为使用者选择最好的波束，提升覆盖效能及用户速率。

（1） 5G 与4G 基站的广播波束配置不同，5G 的波束为不同方向固定的窄波束[4]。

a.5G 基站在不同时间发送不同方向的窄波束完成扇区的广播波束区域覆盖。具体波束扫描形式见图1。

图1 NR TDD 广播波束扫描范围

b.4G 的SSB 用的是宽波束，没有扫描；相对于窄波束，能量不够集中，因此覆盖肯定不如NR。

（2） SSB 和CSI 波束功能不同。

a.SSB 反映广播信道的质量，决定小区的覆盖范围，控制面。

b.CSI-RS 反映业务信道的质量，决定用户的体验速率，业务面。

（3） SSB 与CSI 波束包络差异大，覆盖范围也存在差异。

其中，SSB 波束为扇区级轮询波束，最大为8 波束，和SSB 波束不同，CSI 波束是用户级波束，64TR 设备可支持32 波束，具体覆盖差异性见图2。

图2 SSB 与CSI 覆盖差异

2 5G 波束（Pattern）寻优原理

5G 波束寻优主要有以下两个优势：

（1） Massive MIMO 波束赋形，大幅提升天线增益，扩展覆盖距离。

（2） Massive MIMO 支持3D 波束塑形，应对各种覆盖场景需求。不容波束赋型覆盖示意图见图3。

图3 SSB 立体波束覆盖

覆盖场景由水平3dB 波宽、垂直3dB波宽、倾角可调范围和方位角可调范围四个要素共同决定。通过调整倾角和方位角可以实现更多的波束指向，满足不同覆盖要求，实现灵活的组网。

覆盖场景与选取规则：5G 基站广播波束可以应用于不同场景的覆盖，主要为广覆盖和室内场景，不同覆盖场景波瓣设置情况见表1。

表1 不同建筑波束差异化设置方案

（1） 通常，配置可设置为默认，用于三扇区场景。

（2） 在水平方向覆盖要求较高场景，采用水平波瓣最宽波束，远点可有更好的增益，提升远处覆盖能力。

（3） 当小区边缘受到干扰，建议略微降低水平波宽，降低水平覆盖范围，避免受扰。

（4） 对于独立建筑物，建议采用水平波瓣较窄波束，垂直方向增益较高，此种情况不利于广覆盖场景，特别是道路覆盖。

（5） 对于覆盖目标建筑高度有差异，可采用不同的垂直波瓣宽度的场景进行配置[3]。

3 基于覆盖场景的波束选择方法

在优化过程中需要综合考虑站高、站间距、用户分布情况、覆盖范围、射频模块能力等各方面要素来确定覆盖场景。

由图4 所示，其中D 是基站到建筑物的水平距离；h 是天线高度；H 是建筑物高度；B 是建筑物面对基站侧的宽度；b 是站点相对建筑物一侧的映射距离；α 和β 分别是水平波宽和垂直波宽。

图4 基站与建筑物模拟

通过简单的三角函数运算可计算出大致的水平波宽和垂直波宽所应选取的范围，再根据计算结果综合选取设备所支持的最优一种模式[1]。

计算方法：

α=DEGREES(ATAN (h/D))+DEGREES(ATAN((H-h)/D))

β=DEGREES(ATAN(B/2/D))*2

E=-(DEGREES(ATA N((H-7-h)/D))-A/2)

F=E-6

注：E 为 总 倾 角，F为机械下倾角。

4 南京新街口区域Pattern 优化举例

南京新街口位于南京中心区域。现场无线环境见图5。

图5 南京新街口无线环境

选取4 个覆盖不同场景的小区，建议选择AAU的覆盖场景为“SCENARIO_7”，对应的垂直波瓣角为12°，水平波瓣角为90°，再计算出总下倾角为16°，其中机械倾角10°，数字倾角6°。

计算过程及结果见表2[2]。以此类推，计算出其他小区波束场景覆盖方案，波束调整后差异化参数设置见表3。华新大厦室外AAU-1 小区覆盖金陵饭店亚太商务楼（无5G 室分覆盖），波束覆盖场景从“默认场景”调整成“SCENARIO_13”，室内CQT 测试，覆盖电平平均提升4dB，楼层越高提升越明显[5]。Pattern 优化后，调整区域5G 日均流量从3270GB 提升到3694GB，涨幅12.96%；5G 分流比从27.73%提升到29.12%，提升1.39%，提升明显。优化完成后指标提升见图6。

图6 波束调优后5G 分流比变化

表2 波束计算表

表3 波束调整后设置表格

5 结论

本研究利用Massive MIMO 多维覆盖的特点，根据水平和垂直下差异化覆盖需求，采用不同组网场景下的广播波束覆盖，根据站高、站楼距、覆盖范围、射频模块能力等各方面要素综合计算对Pattern 进行寻优，进一步提升SSB 覆盖范围，在当前5G 深度覆盖未完善的条件下，通过Pattern 寻优，进一步扩大5G 覆盖范围，提升5G 网络覆盖能力，助力5G分流体持续提升，支撑5G 市场及业务发展。