1 概述

當(dāng)前，5G 進(jìn)入規(guī)模部署階段，5G 相對(duì)于4G 最大的特點(diǎn)是引入了大規(guī)模天線陣列，大規(guī)模天線陣列主要實(shí)現(xiàn)2 項(xiàng)功能：一是提供容量解決方案。利用用戶所在位置不同、空間信道傳輸多徑的非相關(guān)性，通過(guò)空分復(fù)用（SDM），形成多層概念，實(shí)現(xiàn)時(shí)域、頻域和空域三維立體的容量模型，因此，5G 在一定范圍內(nèi)的擴(kuò)容即為擴(kuò)流，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。二是提供覆蓋解決方案。相較于傳統(tǒng)的天線，5G 天線最大的特點(diǎn)就是天線陣子多、體積龐大；比如目前最大的天線陣列為64T64R，可實(shí)現(xiàn)多天線陣子作用于不同的用戶，實(shí)現(xiàn)多用戶之間的干擾抑制，以及不同立體方向的精準(zhǔn)覆蓋，即天線陣列中不同的天線陣子（天線）作用于不同位置的用戶，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跟蹤用戶信號(hào)覆蓋增強(qiáng)。

本文嘗試深入研究大規(guī)模天線陣列信號(hào)覆蓋增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)原理，并在提升場(chǎng)景的覆蓋效率方面進(jìn)行天饋賦形參數(shù)實(shí)際試點(diǎn)應(yīng)用，總結(jié)優(yōu)化效果形成相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以期在5G 大規(guī)模商用優(yōu)化時(shí)，快速推廣應(yīng)用至各類典型場(chǎng)景。

2 Massive MIMO波束賦形原理

2.1 下行波束賦形原理及實(shí)現(xiàn)

2.1.1 下行波束賦形定義

基站發(fā)射信號(hào)經(jīng)波束賦形器控制每一個(gè)發(fā)射裝置的相位和信號(hào)幅度，通過(guò)調(diào)整相位陣列的基本單元的參數(shù)空域預(yù)處理，使得某些角度的信號(hào)獲得相長(zhǎng)干涉，而另一些角度的信號(hào)獲得相消干涉；經(jīng)過(guò)加權(quán)后，形成了指向UE的窄帶波束，這就是波束賦形。

波束賦形是一種基于天線陣列的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)，波束賦形通過(guò)調(diào)整天線陣列中每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)產(chǎn)生具有指向性的波束，從而能夠獲得明顯的陣列增益。因此，波束賦形技術(shù)在擴(kuò)大覆蓋范圍、改善邊緣吞吐量以及干擾抑止等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。由于波束賦形帶來(lái)的空間選擇性，使得波束賦形與SDMA 之間具有緊密的聯(lián)系。實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用的波束賦形技術(shù)可能具有不同的目標(biāo)，如側(cè)重鏈路質(zhì)量改善，覆蓋范圍擴(kuò)展、用戶吞吐量提高；或者針對(duì)多用戶問(wèn)題，如提升小區(qū)吞吐量與干擾消除/避免。

與4G 以及以往的天線覆蓋不同，NR Sub6G 多天線下行各信道默認(rèn)支持波束賦形（beamforming，以下簡(jiǎn)稱“BF”），可以形成更窄的波束，精準(zhǔn)地指向用戶，提升覆蓋性能。

2.1.2 下行波束賦形原理

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，一般可以將波束賦形算法分為上行鏈路應(yīng)用以及下行鏈路應(yīng)用。無(wú)論是哪種情況，一般用一個(gè)時(shí)變矢量（MIMO）信道來(lái)描述用戶端與基站端的信號(hào)關(guān)系。對(duì)于上行鏈路，多個(gè)發(fā)射信號(hào)實(shí)質(zhì)上是N個(gè)用戶終端設(shè)備同時(shí)發(fā)送的信號(hào)，基站側(cè)使用多個(gè)天線單元接收信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行處理和檢測(cè)，這時(shí)發(fā)送端的信號(hào)分配僅在各個(gè)支路分別進(jìn)行；對(duì)于下行鏈路，基站使用多個(gè)天線單元向特定用戶發(fā)射信號(hào)，但用戶設(shè)備使用單天線檢測(cè)與其有關(guān)的信號(hào)，這時(shí)接收部分降為一維，信號(hào)組合也僅對(duì)于單路信號(hào)進(jìn)行。

a）波束賦形應(yīng)用了干涉原理，波峰與波峰相遇的位置疊加增強(qiáng)，波峰與波谷相遇的位置疊加減弱。

b）未使用BF 時(shí)，波束形狀、能量強(qiáng)弱位置是固定的，對(duì)于疊加減弱點(diǎn)用戶，如果處于小區(qū)邊緣，信號(hào)強(qiáng)度低。使用BF 后，通過(guò)對(duì)信號(hào)加權(quán)，調(diào)整各天線陣子的發(fā)射功率和相位，改變波束形狀，使主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶，信號(hào)強(qiáng)度提高。

c）一般控制信道和廣播信道系統(tǒng)采用預(yù)定義的權(quán)值生成離散的靜態(tài)波束，而基于SRS 加權(quán)或PMI 權(quán)獲得的波束一般稱為動(dòng)態(tài)波束，依據(jù)測(cè)量結(jié)果隨時(shí)調(diào)整。

d）對(duì)于TDD 系統(tǒng)，可以方便地利用信道的互易性，通過(guò)上行信號(hào)估計(jì)信道傳播向量或DoA（Direction-of-Arrival）并用其計(jì)算波束賦形向量。對(duì)于FDD系統(tǒng)，也可以通過(guò)上行信號(hào)估計(jì)DoA 等長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)信息并進(jìn)行下行賦形。

2.1.3 下行波束賦形流程

通道校正：保證上下行收發(fā)通道的互易行和通道間的一致性；對(duì)于上行鏈路，由于可以獲得可靠的信道實(shí)時(shí)估計(jì)；對(duì)于TDD 模式的系統(tǒng)，在上下行信道間隔時(shí)隙很小的條件下，可以近似認(rèn)為信道未發(fā)生變化，從而可以在下行鏈路使用由上行數(shù)據(jù)獲得的信道空時(shí)域參數(shù)的估計(jì)值，甚至可以直接使用上行波束賦形的數(shù)據(jù)。但是對(duì)于FDD 系統(tǒng)，則一般無(wú)法滿足上下行信道頻率間隔足夠小的要求使得兩者的變化強(qiáng)相關(guān)，因此如果不使用反饋回路獲取移動(dòng)站的測(cè)量數(shù)據(jù)，僅可根據(jù)上行數(shù)據(jù)獲得一些與頻率變化無(wú)關(guān)或者弱相關(guān)的信道參量，這包括信道的空域參量以及空時(shí)域參量的平均值等。

a）權(quán)值計(jì)算：gNB 基于下行信道特征計(jì)算出一個(gè)向量或權(quán)值矢量的值，以便作用于數(shù)據(jù)流信號(hào)預(yù)處理，用以改變波束形狀和方向。

b）加權(quán)：在基帶信號(hào)處理時(shí)，將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量相加，改變信號(hào)幅度和相位。

c）賦形：應(yīng)用了干涉原理，調(diào)整波束的寬度和方向。

2.2 Massive MIMO參數(shù)

5G Massive MIMO 設(shè)備相對(duì)4G天線屬性的差異如表1所示。

如表2 所示，5G AAU 重要工程參數(shù)既包含如4G RRU 的射頻性能參數(shù)，也包含了傳統(tǒng)天線的工程屬性參數(shù)。

Massive MIMO 設(shè)備參數(shù)是實(shí)現(xiàn)5G 波束賦形的關(guān)鍵。

2.3 5G波束分類

5G Massive MIMO 天線波束分為靜態(tài)波束和動(dòng)態(tài)波束。5G Massive MIMO 天線對(duì)于導(dǎo)頻信道，可以通過(guò)天線架構(gòu)和預(yù)定義的權(quán)重矩陣生成靜態(tài)波束。其中SS Block 及PDCCH 中小區(qū)級(jí)數(shù)據(jù)、CSI-RS 采用小區(qū)級(jí)靜態(tài)波束，采用時(shí)分掃描的方式。而PDSCH 中用戶數(shù)據(jù)采用用戶級(jí)動(dòng)態(tài)波束，根據(jù)用戶的信道環(huán)境實(shí)時(shí)賦形，一般為動(dòng)態(tài)波束，如圖1所示。

表1 5G Massive MIMO 設(shè)備相對(duì)4G天線屬性對(duì)比

表2 5G AAU重要工程參數(shù)

Massive MIMO 目前主要是廣播波束SSB，后續(xù)還有業(yè)務(wù)信道CSI-RS。5G 為支持廣播信道賦形以及節(jié)省系統(tǒng)固定開(kāi)銷，將同步、廣播信道進(jìn)行組合，形成多流波束賦形的傳輸模式，因此取消了4G中的CRS。使用SSB和CSI-RS得到RSRP和SINR測(cè)量功能。

2.3.1 SSB靜態(tài)廣播波束

SSB靜態(tài)廣播波束主要組成及功能參見(jiàn)表3，主要用于下行同步、小區(qū)信號(hào)質(zhì)量測(cè)量以及發(fā)送系統(tǒng)廣播。

協(xié)議規(guī)定，SSB 波束包含7 個(gè)或者8 個(gè)（協(xié)議不超過(guò)8 個(gè)）子波束。按照時(shí)分方式輪發(fā)，每個(gè)波束占用4個(gè)符號(hào)，決定小區(qū)接入和切換性能。波束覆蓋基于場(chǎng)景化參數(shù)配置，是小區(qū)級(jí)靜態(tài)波束。其掃描范圍如圖1（a）所示。

對(duì)于TDD 系統(tǒng)，不同子幀配比可配置的SSB 波束個(gè)數(shù)不一樣，如表4所示。

對(duì)于SSB 廣播信號(hào)時(shí)分掃描的方式，協(xié)議中定義Sub3G場(chǎng)景最大SSB波束個(gè)數(shù)為4個(gè)時(shí)也應(yīng)支持掃描。比如8T8R，也支持掃描，配的波束會(huì)胖一些，沒(méi)有MMIMO 增益，帶來(lái)30%～40%的增益。目前中國(guó)移動(dòng)已明確使用2.6 GHz來(lái)部署5G，4個(gè)靜態(tài)波束會(huì)限制覆蓋場(chǎng)景使用的靈活性，3GPP RAN#81 會(huì)議中提出2.6 GHz 頻譜應(yīng)用時(shí)，也要支持SSB 的最大8 個(gè)波束分時(shí)掃描，圖2 為小區(qū)SSB（7+1 波束）與用戶級(jí)窄波束二維覆蓋示意圖。

1 個(gè)胖波束+7 個(gè)窄波束，比LTE（同頻段的LTE TDD 相比）有9 dB 的增益。每個(gè)用戶接收到SSB 的掃描，然后解調(diào)。

2.3.2 CSI-RS靜態(tài)控制波束

與SSB 波束不同的是CSI-RS 波束為用戶級(jí)靜態(tài)波束。CSI-RS 信號(hào)的主要功能如表5 所示，主要包含信道質(zhì)量測(cè)量、波束管理、時(shí)頻偏跟蹤以及RRM/RLM測(cè)量。

圖1 SSB、CSI-RS和PDSCH波束屬性對(duì)比

表3 SSB信道功能描述

表4 不同幀結(jié)構(gòu)下的最大SSB個(gè)數(shù)

波束覆蓋由AAU 硬件能力決定，CSI-RS 波束決定了用戶的業(yè)務(wù)信道能力。CSI-RS 波束連接態(tài)可用，與用戶業(yè)務(wù)連接行為相伴。如圖1（b）所示。

2.3.3 PDSCH業(yè)務(wù)信道動(dòng)態(tài)波束

業(yè)務(wù)信道波束決定UE 的速率體驗(yàn)及重傳，是與用戶密切相關(guān)的用戶級(jí)動(dòng)態(tài)波束，波束覆蓋由波束賦形過(guò)程的權(quán)值計(jì)算結(jié)果決定。如圖1（c）所示。

PDSCH波束與SSB和CSI-RS波束不同，后兩者采用靜態(tài)權(quán)，前者依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、質(zhì)量情況，采用不同的beam pattern。PDSCH 波束有2 種情況：中近點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候，采用SRS 測(cè)量，通過(guò)動(dòng)態(tài)權(quán)，能獲得精度高的波束；對(duì)于遠(yuǎn)點(diǎn)信號(hào)弱的場(chǎng)景，采用PMI 測(cè)量，通過(guò)靜態(tài)權(quán)也能獲得相應(yīng)精度的波束。

圖2 小區(qū)SSB（7+1波束）與用戶級(jí)窄波束二維覆蓋示意圖

表5 CSI-RS信道功能描述

以上各種波束的電平值（RSRP）和Throughput 有直接的關(guān)系。從以上這3類波束中，簡(jiǎn)析其對(duì)應(yīng)RSRP如下：

第1 種廣播波束：SS RSRP。即PBCH 的DM-RS RSRP，接收到的廣播消息，空閑態(tài)可測(cè)量。

第2 種控制波束：CSI RSRP。即確定CSI-RS 序列下的RSRP，連接態(tài)可測(cè)量。如64T64R，則CSI 波束采用64個(gè)靜態(tài)波束。

第3 種業(yè)務(wù)波束：PDSCH RSRP。即PDSCH 的DM-RS RSRP，采用基于SRS 的動(dòng)態(tài)權(quán)值或者PMI 靜態(tài)權(quán)值賦形后的RSRP，業(yè)務(wù)態(tài)可測(cè)量。SRS信噪比不足時(shí)，動(dòng)態(tài)權(quán)可切換至PMI靜態(tài)權(quán)。

綜上所述，動(dòng)態(tài)波束是一種網(wǎng)絡(luò)和終端依據(jù)無(wú)線環(huán)境自適應(yīng)的波束調(diào)整方式。而對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，靜態(tài)波束的優(yōu)化對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。

2.4 靜態(tài)波束優(yōu)化

關(guān)于Massvie MIMO 2 種波束的優(yōu)化，業(yè)界一直認(rèn)為分別對(duì)SSB 的優(yōu)化和CSI-RS 的優(yōu)化是保障物理網(wǎng)絡(luò)性能的重要手段。目前網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化主要集中在SSB 的優(yōu)化，SSB 和CSI-RS 雖然是2 張邏輯覆蓋網(wǎng)，但在覆蓋上兩者趨勢(shì)相同。也就是說(shuō)，SSB 好，CSI-RS大概率會(huì)好。CSI-RS 優(yōu)化重點(diǎn)聚焦干擾。從雙層波束的功能特性看，不同SSB 和CSI-RS 的性能還是會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

a）SSB RSRP 和SINR 反映廣播信道的質(zhì)量，影響5G 終端的初始接入和切換性能，決定小區(qū)在路面及整網(wǎng)的覆蓋范圍。

b）CSI-RS RSRP 和SINR 反映業(yè)務(wù)信道的質(zhì)量，影響5G終端的MCS選階、調(diào)制方式、RANK 等，決定實(shí)際的用戶體驗(yàn)速率。

SSB 靜態(tài)波束通過(guò)調(diào)整以上Massive MIMO 參數(shù)（指配好不再改變，比如指向方向等），然后在設(shè)定周期內(nèi)一個(gè)個(gè)掃描。

SSB 和CSI-RS 的覆蓋范圍大致趨同，也就是SSB好的時(shí)候，CSI大致也會(huì)好。但是因?yàn)镃SI的波束更窄一些，所以會(huì)覆蓋稍微大一些。因此，靜態(tài)波束優(yōu)化，特別是廣播波束的優(yōu)化是當(dāng)下5G覆蓋優(yōu)化的關(guān)鍵。

3 SSB波束研究及應(yīng)用分析

3.1 SSB波束因子

表征一個(gè)波速的四元組為方向角、傾角、水平波束寬度、垂直波束寬度。以64TRX為例，可以由2個(gè)極化方向的天線使用相同的權(quán)值，總共32組權(quán)值數(shù)據(jù)生產(chǎn)一個(gè)波束。

3.2 5G權(quán)值規(guī)劃及計(jì)算

5G 權(quán)值的規(guī)劃涉及到5 個(gè)流程：明確新建站點(diǎn)、場(chǎng)景識(shí)別、覆蓋范圍需求、權(quán)值計(jì)算、權(quán)值匹配。5G 權(quán)值的計(jì)算如圖3所示。

依據(jù)圖3 中的公式以及場(chǎng)景通用覆蓋需求，引入場(chǎng)景參數(shù)，可計(jì)算得出16種權(quán)值參數(shù)組合（見(jiàn)表6），可以應(yīng)用到不同場(chǎng)景。

3.3 典型權(quán)值應(yīng)用

選取廣覆蓋場(chǎng)景、低層密集場(chǎng)景、高層場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，其中廣覆蓋場(chǎng)景采用DT測(cè)試，低層密集場(chǎng)景、高層場(chǎng)景采用CQT測(cè)試。匹配相同的4個(gè)波束方案進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，確認(rèn)不同權(quán)值對(duì)場(chǎng)景的覆蓋差異，如表7所示。

路面覆蓋，從DT 測(cè)試覆蓋數(shù)據(jù)上來(lái)看，當(dāng)選用波束方案1 時(shí)覆蓋最佳。方案2 在水平波寬減小后，覆蓋效果大幅降低。方案3、4 在垂直波寬增大后，覆蓋效果大幅降低，如圖4所示。

覆蓋場(chǎng)景主要為密集中低層樓宇，從CQT 測(cè)試覆蓋數(shù)據(jù)上來(lái)看，當(dāng)選用波束方案2 時(shí)整體覆蓋最佳。方案1、2，在水平波寬減小后，覆蓋效果變好。方案1、3、4，隨著垂直波寬增大，覆蓋效果越來(lái)越差，如圖5所示。

覆蓋場(chǎng)景主要為高層場(chǎng)景，從CQT 測(cè)試覆蓋數(shù)據(jù)上來(lái)看，當(dāng)選用波束方案3時(shí)整體覆蓋最佳。方案1、3在垂直波寬增大后，覆蓋效果變好；但方案4在大幅增大垂直波寬后，覆蓋效果卻變差。方案4 設(shè)計(jì)本身存在缺陷，若采用多層覆蓋效果更好，如圖6所示。

圖3 5G權(quán)值計(jì)算公式及應(yīng)用

表6 典型天線權(quán)值參數(shù)組合

表7 實(shí)驗(yàn)權(quán)值參數(shù)組合方案

綜上所述：廣覆蓋場(chǎng)景，優(yōu)先采用水平寬波束方案覆蓋，垂直波寬保持不變。低層密集場(chǎng)景，優(yōu)先采用中等水平波寬，垂直波寬保持不變。高層場(chǎng)景，優(yōu)先考慮增大垂直波寬，可以考慮適當(dāng)收縮水平波寬，并采用分層覆蓋。

4 總結(jié)

本文從Massive MIMO 波束賦形原理、關(guān)鍵參數(shù)入手，討論SSB、CSI-RS 和業(yè)務(wù)波束特點(diǎn)及對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，明確SSB 波束是影響當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的關(guān)鍵因素。進(jìn)而引入SSB波束權(quán)值計(jì)算公式和場(chǎng)景通用覆蓋需求參數(shù)，即可計(jì)算得出SSB 波束權(quán)值方向角、傾角、水平波束寬度、垂直波束寬度四元組參數(shù)的多種組合；最后選取4 種典型波束權(quán)值參數(shù)分別應(yīng)用到廣覆蓋、低層多密度建筑物及高層樓宇覆蓋場(chǎng)景，通過(guò)各方案覆蓋性能對(duì)比分析，得出了廣覆蓋優(yōu)先優(yōu)化水平波束，高層優(yōu)先增加垂直波束的場(chǎng)景覆蓋提升的權(quán)值參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，對(duì)后續(xù)5G 波束優(yōu)化提供了參考，改善了5G網(wǎng)絡(luò)用戶感知。

圖4 道路覆蓋不同權(quán)值方案差異性

圖5 中低層密度樓宇覆蓋不同權(quán)值方案差異性

圖6 高層樓宇覆蓋不同權(quán)值方案差異性