密集城区5G广播波束配置策略研究

瞿轶 莫建忠 王颖恒 应瑛 樊忠文

【摘要】    5G移动通信关键技术在于波束賦形，以及波束多样性带来的垂直角度覆盖增益，配置不同的波束赋形权值，小区水平和垂直覆盖增益各不相同。5G TDD 3.5G频段分配17种波束配置模式，开网默认S0模式垂直波宽小、电子下倾调整范围小、电子方位角不能调整、覆盖局限性大。通过结合城区地域特色结合理论模型搭建、仿真支撑、路测数据验证、室内CQT验证、系统指标同步评估、验证结果合理性整体评估的方法，给出适合城区的5G小区广播波束配置组合模式，提升室内外整体覆盖能力。

【关键词】    5G广播波束    波束配置组合

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相比传统4G基站因为引入大规模阵子天线技术而实现波束赋型能力更强，实现5G独有的超级带宽技术（eMBB）、高接入密度（mMTC）技术，实现在空间、位置、容量多方面提升，能够满足未来膨胀式增长的物联网接入需求。当前主流5G AAU提供64T64R＼32T32R两种制式天线阵列，多天线技术确保了不同用户间干扰隔离，实现多方位用户网络覆盖增强。但是独特的地理环境会改变天线信号覆盖需求，根据城市特点来实现大规模天线技术在信号覆盖增强方面的研究有利于用户感知提升[1]。

一、默认波束配置模式覆盖局限性

3.5G频段5G承建区主要集中在海岛东部，承建区西边为丘陵山地，其他三面靠海，南北狭长，东西窄小，东西距离不足1.5公里。区域内主要以高层，超高层建筑为主，楼高普遍在60米以上，最高达到120米，属于典型密集城区，地理因素独特，对高层立体覆盖和低层广覆盖要求较高[3，4]。当前网络3.5G频段设备支持17种波束配置模式，根据不同覆盖场景特点，配置不同的波束模式，覆盖增益不同。开网默认波束配置S0模式（水平波宽105°、垂直波宽6°），垂直波宽较小，不满足高层楼宇覆盖需求，未能发挥5G波束多样性对垂直角度覆盖增益的特点，存在较大局限性。如图1示，S0模式为水平单层7波束，水平广覆盖能量大，垂直半功率角度小，垂直覆盖能力相对较差，在面对高楼林立以及海域空旷场景覆盖不足。

二、Massive MIMO波束赋形

5G NR系统采用Massive MIMO波束赋形技术，信号能量更集中，方向性更强的窄波束，在覆盖能力、远端控制方便与4G存在一定差异。窄波束在相同发射功率下覆盖更远，但是结合多波束技术弥补覆盖范围缺陷，同时提高多用户接入隔离度。4G覆盖为小区级，由PCI区分，5G覆盖为波束级，由小区PCI和波束Beam ID区分，对于波束可以理解为小区（Cell）下面迷你小区（Mini-Cell）。

5G多波束相对4G波束波宽更窄（4G宽波束），但仍然存在主瓣和旁瓣概念。波束成形提高所需方向的信号强度，减少非希望方向（干扰方向）的信号强度，信号发射后波束更好地指向用户，在用户接收时得到最大SINR。主瓣指向的方向上的用户信号最好，信号强度最大，偏离主瓣方向越多的用户信号强度越小。4G方位角只能够实现机械调整，而5G新引入电子方位角概念，通过配置不同波束模式调整覆盖方向，便于优化工作展开，降本增效。同时4G除机械外，存在电子下倾角概念，普通4G小区单通道包含垂直所有振子，电下倾可控制垂直所有振子，因此广播波束和业务波束指向由电下倾决定，对广播和业务信道均存在影响。具体通过移向器实现[5]。移相器分为模拟移相器和数字移相器，模拟移相器只改变相位，数字移相器可以改变相位和振幅。5G引入波束下倾角概念，采用数字下倾调整方式。数字倾角通过基带编码预制（Baseband Precoding），电子倾角通过移相器改变整体辐射信号的包络的下倾角。移相器分为模拟移相器和数字移相器，模拟移相器只改变相位，数字移相器可以改变相位和振幅[6]。

5G波束扫描收发原理分为3个阶段来实现波束下发：

1. P1階段：基站全向发送SSB波束，UE用宽波束扫描，UE和基站都扫一遍后，确定基站的窄波束范围和UE的宽波束，然后UE发送PRACH，进行随机接入。

2. P2阶段：RRC链接建立之后，UE用特定的宽波束上报SSB测量报告，基站在最优的波束附近，用窄波束扫一遍，确定gNB的窄波束。

3. P3阶段：基站固定波束，UE再用宽波束扫描，以此确定UE的窄波束，P3过程结束之后，UE和基站窄波束完成对准。

5G 根据规划寻优及调整因子， 形成10000+组合，是4G的30倍+。庞大的组合操作起来及其不方便，现网基于3GGP协议、现场配置考虑及方便用户操作使用，最终在系统中缺省内置了17种方便使用的波束模式，17种模式由7种不同的水平波宽，3种不同的垂直波宽混合组成。

三、5G 多波束仿真模拟实测

从传统4G经验得知，高层楼宇内深度覆盖盲点较多，山上站点海拔相对较高，易造成越区覆盖;海域站点旁瓣易对周边道路、海域产生影响，均需合理控制远端覆盖，同时提升室内深度覆盖。验证选取高层楼宇、低层商业广场、体育馆场景，阶梯式验证方法进行，需要经历精细化寻优、3D建模仿真、模式匹配选择过程[7，8]。

3.1精细化波束寻优流程

1.选择扇区主覆盖（方位角±60度范围内）的建筑物作为待规划目标;

2.选择与站点距离【50，300】范围内的建筑物作为待规划目标;

3.若有室分建筑物列表，则规划时应排除部署室分站点的建筑物;

4.基于如下拓扑关系计算扇区覆盖建筑物需要的水平与垂直波宽，根据水平波宽与垂直波宽要求选择相应的波束场景。

如公式1所示通过水平波角计算正切函数，以及正切反函数计算出的水平波宽与垂直波宽，选择与此数值接近的波束场景，其中B为待规划建筑物宽度，D为站点到建筑栅格的距离，β为水平波宽。如α介于25°与12°之间，将其与25°和12°中值比较，若α大于中值，选择垂直波宽25°，否则取12°，若共站相邻小区夹角小于90°，顺时针较前小区水平波宽取≤65°。

综合考虑水平波宽α与垂直波宽β的场景交集，选择能够同时满足水平和垂直覆盖需求的波束场景。通过计算高层最适合模式为S13，低层为S0，但是理论数据可能与实际存在偏差，验证测试不能局限于模拟计算模式。

3.2 3D建筑仿真

3D建筑仿真通过3D高精地图模拟城区建筑环境进行模拟仿真，5G城区传播模型进行仿真渲染来达到初步核实计算准确性。如图2所示，仿真环节包含确定建筑范围、规划对应参数组、进行仿真优化参数组合增益函数、基于增益函数计算结果确定下一轮优化参数组、输出参数优化结果。表2所示经过选址仿真所有3D仿真结果如下，高层采用S13模式，低层采用默认S0模式，具有较好覆盖效果[9]。

3.3 实际测试验证

高楼场景下，S13，S14，S15，S16模式在垂直方向上的增益相同，水平方向增益逐渐减小，实际测试验证结果显示，S13模式在吹瓶和垂直维度增益上均处于较优模式，与计算结果S13为最优模式相同。

低层覆盖场景室内CQT测试与室外DT测试结果一致，以商业广场商业广场场景为例，S0 覆盖优于S2模式7db，满足室外道路和室内覆盖需求，S0为较好模式。商业广场选取湖滨广场、地凯虹广场、体育馆3种不同区域包含海边环境测试，均证明S0模式下，室外道路场景覆盖良好，直接证明东港低层商业广场底层楼宇对垂直波瓣增益需求并不明显。

如图3所示，室内外验证结论，高层楼宇采用S13模式，低层楼宇及广场采用默认S0模式，S0+S13组合模式组网能够获得较好覆盖增益。通过各组合模区域整体测试，后台指标评估的方法，验证以上结论准确性及指标影响。同时结合室内外整体拉网指标显示，低层建筑区及广场区域采用S0默认，高层楼宇采用S13组合模式证明，S13模式在现有站点密度下，满足道路测试需求，如表4所示同时具有较好室内覆盖增益，且各模式更改后，后台指标未发生明显恶化，整体指标正常，对系统指标无明显影响。

四、结束语

通过理论模型搭建、仿真支撑、路测数据验证、室内CQT验证、验证结果合理性整体评估的方法得出一致结论，低层楼宇及广场选用默认S0模式兼顾广覆盖，高层选用S13模式提升深度覆盖，两者结合的组合覆盖模式，对提升海岛城区覆盖具有较好效果，与理论计算、模拟仿真、DT/CQT验证、整体评估相吻合。对高层楼宇，低层商业广场典型场景摸底测试得出结论：S0默认模式能够满足低层楼宇室内覆盖需求，应对广覆盖效果良好。S13模式对超高层楼宇垂室内覆盖改善效果明显，S13模式满足室外道路覆盖需求，证明广播波束对实际不同场景可优化配置。其中S0（低层楼宇景）+S13（高层楼宇场景）组合模式适合城区覆盖需求。同时依据理论模型搭建、仿真支撑、路测数据验证、室内CQT验证、后台指标同步评估、验证结果合理性整体评估的方法，能够深入分析网络覆盖需求点，对不同城市场景具有参考价值。

参  考  文  献

[1] 吕跃广. 通信系统仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[2] 胡国安， 郭旭静. 基于“仿真+实操”的基站天线安装教学设计[J]. 湖南邮电职业技术学院学报，2018（12）.

[3] 刘艳， 罗怀瑾. Massive MIMO关键技术及应用[J]. 电信工程技术与标准化，2019年（2）.

[4] 杨晨， 韦再雪， 杨大成. 5G毫米波信道模型研究与仿真[J].软件，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] 李凯， 徐景， 杨旸. 5G环境下系统级仿真建模与关键技术评估[J].中兴通讯术，2016，22（03）：41-46.

[7] 许贤泽， 方屹涛， 郑成林. 基于5G新场景下的传播模型校正与链路预算[J]. 南京邮电大学学报（自然科学版），2020，40（02）：1-6.

[8] 陈华东. 5G无线网络规划以及链路预算[J]. 信息通信，2019（08）：159-160.

[9] 赵伟康. 5G传播损耗及链路预算[J]. 中国新通信，2019，21（24）：8-9.