0 前言

5G 是新一代通信技術(shù)演進(jìn)的重要方向，是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，滿足各類型場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，要投入海量的資源?？刂聘采w需求與資源投入之間的平衡，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮技術(shù)特性來滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求甚為關(guān)鍵。

高層住宅、寫字樓等高層建筑是未來5G用戶的重要分布場(chǎng)合，目前暫未建設(shè)5G 室內(nèi)分布系統(tǒng)，其高層部分由宏基站覆蓋的效果不理想，傳統(tǒng)技術(shù)不能滿足覆蓋需求。廣州聯(lián)通應(yīng)用Massive MIMO 技術(shù)對(duì)高層建筑進(jìn)行覆蓋補(bǔ)盲、尋優(yōu)，使宏基站AAU 滿足高層建筑各場(chǎng)景覆蓋，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了這一方案是行之有效的。

1 高層建筑5G覆蓋提升的背景

隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑日益增多，大部分高層的5G 信號(hào)弱覆蓋和質(zhì)量差的情況嚴(yán)重，存在高時(shí)延、低速率、高掉線、弱信號(hào)等相關(guān)感知問題。本文選取廣電蘭亭薈、星匯雅苑2 個(gè)VIP 高價(jià)值涵蓋小區(qū)及高層綜合性較強(qiáng)的樓宇群進(jìn)行評(píng)估測(cè)試、調(diào)優(yōu)、對(duì)比。

廣電蘭亭薈合計(jì)3 棟20 層建筑；星匯雅苑共計(jì)4區(qū)8 棟建筑，樓高：C 區(qū)10 層，A 區(qū)、B 區(qū)15 層，D 區(qū)25層。

經(jīng)分析，本文優(yōu)化對(duì)象的高層部分5G網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋的主要原因如下：

a）未建設(shè)5G 室分，高層建筑只能通過室外宏站覆蓋。

b）為了控制覆蓋范圍，宏站AAU 的傾角設(shè)置較大。

為了改變這一現(xiàn)狀，廣州聯(lián)通計(jì)劃挖掘5G AAU所具備的64T64R Massive MIMO 矩陣能力，通過Massive MIMO滿足該場(chǎng)景高、中、低層的全面需求。

2 Massive MIMO特性介紹

2.1 Massive MIMO 功能及參數(shù)組合

Massive MIMO 天線其實(shí)就是一種高增益的陣列天線。相比傳統(tǒng)的8T8R天線，不僅實(shí)現(xiàn)了水平面的賦型，同時(shí)也利用更多的振子和通道實(shí)現(xiàn)了垂直面的賦型。天線賦型技術(shù)是通過不同通道電調(diào)陣子相位實(shí)現(xiàn)對(duì)于某一方向窄波束的匯聚從而實(shí)現(xiàn)輻射能量的增益，對(duì)于8T8R 而言，在垂直方向上所有振子歸屬一個(gè)通道，因此無法實(shí)現(xiàn)垂直維度的賦型，而Massive MIMO 天線通過垂直維度的通道隔離實(shí)現(xiàn)不同通道內(nèi)所含振子的獨(dú)立電調(diào)從而完成了垂直維度的賦型。

Massive MIMO 天線還具有波束賦形的功能，在為小區(qū)用戶發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過調(diào)整天線的波寬，以及上、下、左、右的方向，實(shí)現(xiàn)三維的精準(zhǔn)波束賦形，使輻射出去的能量集中于用戶所在的方向，而不是均勻地分布在整個(gè)小區(qū)的范圍，這樣用戶能夠感受到更高的能量，可以獲得更高的信噪比，相應(yīng)地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率就能獲得提高。

Massive MIMO 技術(shù)伴隨5G 帶來更高的速率、容量的同時(shí)，也要面臨更多的參數(shù)需要配置。從3G、4G到5G，可調(diào)整的參數(shù)是不斷增加的。

a）3G場(chǎng)景：水平波寬+垂直波寬的參數(shù)組合。

b）4G 場(chǎng)景：水平波寬+垂直波寬+下傾角的參數(shù)組合。

c）5G 場(chǎng)景：水平波寬+垂直波寬+下傾角+水平角的參數(shù)組合。

3G：只有水平波寬和垂直波寬2 個(gè)參數(shù)。水平波寬有90 °、65 °、45 °、25 °、15 ° 5 種選擇，垂直波寬有8°、17°、35°3種選擇，組合起來一共有15種組合。

4G：在3G 的2 個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上，增加下傾角的參數(shù)調(diào)節(jié)，下傾角的選擇范圍是-15°～15°，1 為1 個(gè)步長(zhǎng)，一共有31 個(gè)可調(diào)值。組合加起來有400 多種，去掉一些低效和無效組合，實(shí)際可用的有283種。

5G：在4G 參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，增加了水平方向角的參數(shù)調(diào)節(jié)，水平方向角的取值選擇有數(shù)十種，與4G 3個(gè)參數(shù)（水平波寬、垂直波寬和下傾角）組成的200多種組合相比，多出幾十倍的參數(shù)組合，可調(diào)節(jié)的參數(shù)組合高達(dá)數(shù)千種。

2.2 Massive MIMO 帶來的性能提升

a）高復(fù)用增益和分集增益：Massive MIMO 系統(tǒng)的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO 系統(tǒng)相比顯著提高，它能使基站覆蓋范圍內(nèi)的多個(gè)用戶在同一時(shí)頻資源上與基站同時(shí)進(jìn)行通信，提升頻譜資源在多個(gè)用戶之間的復(fù)用能力，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率。

b）高能量效率：Massive MIMO 系統(tǒng)可形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，從而使基站與UE之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，減少基站發(fā)射功率損耗，是構(gòu)建未來高能效綠色寬帶無線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)。

c）高空間分辨率：Massive MIMO 系統(tǒng)具有更好的魯棒性能。由于天線數(shù)目遠(yuǎn)大于UE 數(shù)目，系統(tǒng)具有很高的空間自由度和很強(qiáng)的抗干擾能力。

Massive MIMO 技術(shù)是5G 的標(biāo)志性技術(shù)，Massive MIMO 特性在增強(qiáng)覆蓋、提升容量方面有顯著的作用，基站通過Massive MIMO 天線的波束賦形技術(shù)克服電磁波傳播路損的損耗，實(shí)現(xiàn)天線和基站小型化和商用化。

傳統(tǒng)BF波束只能在水平方向跟隨目標(biāo)UE調(diào)整方向，基于Massive MIMO 后實(shí)現(xiàn)3D-BF 特性，窄波束在水平與垂直方向都能隨著目標(biāo)UE 的位置進(jìn)行調(diào)整，始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)UE，從而使目標(biāo)UE獲得更好的覆蓋，且波束較窄，可以降低干擾。

3 高層建筑5G網(wǎng)絡(luò)提升方案制定

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

對(duì)優(yōu)化對(duì)象高層場(chǎng)景，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、調(diào)優(yōu)、驗(yàn)證等相關(guān)流程完成Massive MIMO 相關(guān)參數(shù)設(shè)置的調(diào)優(yōu)配置。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)樓宇低中高層進(jìn)行測(cè)試采樣，測(cè)試采樣信號(hào)電平均值記錄如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明高層覆蓋弱及廣電蘭亭薈3棟樓宇整體脫網(wǎng)，從分析測(cè)試數(shù)據(jù)及基站分布情況來看，弱覆蓋區(qū)域主要受環(huán)境阻擋，站點(diǎn)天線方向與傾角設(shè)置不合理，另AAU 天線垂直波束未能較好地應(yīng)用導(dǎo)致部分樓宇弱覆蓋、脫網(wǎng)。

表1 樓宇測(cè)試覆蓋水平

測(cè)試仍采用10用戶同步測(cè)試方式，測(cè)試速率均值低于單用戶速率峰值水平。

表2示出的是樓宇測(cè)試速率體驗(yàn)水平。

表2 樓宇測(cè)試速率體驗(yàn)水平

從速率數(shù)據(jù)分析可以看出速率與覆蓋水平相關(guān)性極強(qiáng)，良好的覆蓋是用戶感知體驗(yàn)的保證，測(cè)試中廣電蘭亭薈2 棟和3 棟脫網(wǎng)區(qū)域的0 速率嚴(yán)重影響用戶感知。

3.2 優(yōu)化方案制定

3.2.1 17種波束場(chǎng)景定義

5G Massive MIMO 有17 種波束場(chǎng)景，可靈活調(diào)整與組合，能夠很好地解決傳統(tǒng)天線在實(shí)際覆蓋中存在的不足，如覆蓋邊緣和近點(diǎn)深度無法兼顧，邊緣覆蓋和越區(qū)覆蓋無法兼顧等問題（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)天線覆蓋場(chǎng)景受限示意圖

目前5G 天線支持的波束場(chǎng)景共計(jì)17 種，除默認(rèn)的default 場(chǎng)景外，還提供了16 種天線場(chǎng)景供選擇，適應(yīng)于廣場(chǎng)、不同高層樓宇以及干擾場(chǎng)景等不同類型場(chǎng)景，通過選擇合理的水平覆蓋范圍與垂直覆蓋范圍來匹配具體應(yīng)用場(chǎng)景，相關(guān)場(chǎng)景詳細(xì)介紹如表3所示。

3.2.2 場(chǎng)景波束優(yōu)化策略

a）選擇扇區(qū)主覆蓋（方位角±60°范圍內(nèi)）的建筑物作為待規(guī)劃目標(biāo)。

b）選擇與站點(diǎn)距離在［50，300］范圍內(nèi)的建筑物作為待規(guī)劃目標(biāo)。

c）若有室分建筑物列表，則規(guī)劃時(shí)應(yīng)排除部署室分站點(diǎn)的建筑物。

d）基于如下拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算扇區(qū)覆蓋建筑物需要的水平與垂直波寬，根據(jù)水平波寬與垂直波寬要求選擇相應(yīng)的波束場(chǎng)景。

垂直波寬計(jì)算公式為：

式中：

α——垂直波寬

h——站高

D——站點(diǎn)到建筑物柵格的距離

H——待規(guī)劃建筑物高度

β——水平波寬

B——待規(guī)劃建筑物寬度

水平波寬計(jì)算公式為：

式中：

β——水平波寬

B——待規(guī)劃建筑物寬度

根據(jù)計(jì)算出的水平波寬與垂直波寬，選擇與此數(shù)值接近的波束場(chǎng)景，如α介于25 與12 之間，將其與25和12 的中值比較，若α 大于中值，選擇垂直波寬25°，否則取12°。

表3 Pattern場(chǎng)景類型應(yīng)用介紹

若共站相鄰小區(qū)夾角小于90 °，順時(shí)針較前小區(qū)水平波寬取≤65°。

綜合考慮水平波寬α與垂直波寬β的場(chǎng)景交集，選擇能夠同時(shí)滿足水平和垂直覆蓋需求的波束場(chǎng)景。

舉例說明：

a）垂直波寬確定：當(dāng)D=70 m，h=15 m，則C=H-h=15 m，則可計(jì)算出α=25，參照表3 可知SCENARIO_12～SCENARIO_16的垂直3 dB波寬為25。圖2示出的是垂直波寬場(chǎng)景應(yīng)用示意圖。

b）水平波寬確定：當(dāng)B=30 m，D=70 m，則可計(jì)算出β=25，參照表3 可知SCENARIO_5、SCENARIO_10、SCENARIO_15 的水平3 dB 波寬為25。圖3 示出的是水平波寬場(chǎng)景應(yīng)用示意圖。

c）波束場(chǎng)景確定：取1 和2 的場(chǎng)景交集，即SCENARIO_15能同時(shí)滿足水平和垂直覆蓋需求。

3.3 優(yōu)化方案實(shí)施

圖2 垂直波寬場(chǎng)景應(yīng)用示意圖

圖3 水平波寬場(chǎng)景應(yīng)用示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、覆蓋需求，結(jié)合上述優(yōu)化策略，本文高層場(chǎng)景優(yōu)化選取了4/12/13/14/15 場(chǎng)景，解決廣電蘭亭薈、星匯雅苑的覆蓋問題，綜合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及站點(diǎn)分布、站高、傾角、波束組合輸出表4所示優(yōu)化調(diào)整方案。

表4 案例Pattern應(yīng)用調(diào)整方案

3.4 優(yōu)化效果對(duì)比

測(cè)試仍舊采用10用戶同步測(cè)試方式，測(cè)試速率均值低于單用戶速率峰值水平。樓宇優(yōu)化前后覆蓋指標(biāo)對(duì)比如表5 所示。樓宇優(yōu)化前后下載速率對(duì)比如表6所示。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總對(duì)比，覆蓋平均電平由-102.77 dBm 改善至-95.62 dBm，提升幅度為6.96%，該區(qū)域的下載速率由116.24 Mbit/s提升至159.38 Mbit/s，提升幅度為37.12%，上行速率由23.50 Mbit/s 提升至38.28 Mbit/s，提升幅度為63.92%。

星匯雅苑：優(yōu)化解決樓宇覆蓋盲區(qū)，高層改善明顯（見圖4）。

a）中層樓宇：覆蓋大幅提升，速率有明顯提升。

b）高層樓宇：優(yōu)化前為覆蓋盲區(qū)，優(yōu)化后覆蓋和速率均大幅提升。

廣電蘭亭匯：優(yōu)化前為覆蓋盲區(qū)，優(yōu)化后覆蓋和速率提升巨大，高層改善尤為突出（見圖5）。

總體來看，在原主瓣方向調(diào)整后信號(hào)強(qiáng)度稍有下降，在原波瓣邊緣及盲區(qū)信號(hào)強(qiáng)度有明顯提升及改善，基于覆蓋提升及多MIMO 應(yīng)用，速率應(yīng)用方面用戶也得到了較好的保障，整體輸出大于單用戶輸出。

根據(jù)本文的覆蓋尋優(yōu)案例及廠家參數(shù)指導(dǎo)意見，具體分類小結(jié)場(chǎng)景適配參數(shù)，有利于快速組網(wǎng)適配各種場(chǎng)景。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

對(duì)于沒有室內(nèi)分布系統(tǒng)的高層建筑，室外宏站利用傳統(tǒng)技術(shù)覆蓋室內(nèi)存在明顯的不足，滿足覆蓋需求與投資成本控制之間需要一個(gè)平衡點(diǎn)。通過Massive MIMO 特性，能夠生成高增益、可調(diào)節(jié)的賦形波束，從而明顯改善信號(hào)覆蓋，并且由于其波束非常窄，也可以大大減少對(duì)周邊的干擾，結(jié)合垂直波束的管理與應(yīng)用有助于高層樓宇場(chǎng)景的覆蓋補(bǔ)充。

正確合理波束管理和波束控制對(duì)Massive MIMO非常重要，在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中，精準(zhǔn)的波束應(yīng)用與優(yōu)化的作用尤為突出。本文對(duì)垂直覆蓋場(chǎng)景波束實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行的原理分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，豐富了高層建筑5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的提升手段。

表5 樓宇優(yōu)化前后覆蓋指標(biāo)對(duì)比

表6 樓宇優(yōu)化前后下載速率對(duì)比

圖4 星匯雅苑優(yōu)化效果對(duì)比示意圖

圖5 廣電蘭亭薈優(yōu)化效果對(duì)比示意圖