李宗 張黎明

【摘要】? ? 通信產(chǎn)業(yè)是關(guān)乎到國(guó)家信息發(fā)展和居民生活需要的重要行業(yè)。目前在我國(guó)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的指引下，5G網(wǎng)絡(luò)正在加速以“中國(guó)速度”進(jìn)行大規(guī)模部署，助力國(guó)家戰(zhàn)略并不斷增強(qiáng)發(fā)展動(dòng)能。5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)更加先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和先天優(yōu)勢(shì)，建立了時(shí)域、頻域和空域的容量模型，為用戶(hù)提供了大容量、抗干擾和精準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。其中SSB廣播波束是當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要影響因素之一，通過(guò)對(duì)SSB的分析和研究可以提升5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，進(jìn)一步增強(qiáng)用戶(hù)感知，賦能5G更強(qiáng)大的社會(huì)生產(chǎn)力。

【關(guān)鍵詞】? ? 多場(chǎng)景? ? 5G網(wǎng)絡(luò)? ? SSB

一、研究背景

在5G網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)初期，5G宏站覆蓋因建筑物高度區(qū)間分布不均、地形地貌起伏變化和部分站址落地難等限制，致使建網(wǎng)目標(biāo)區(qū)域存在一些弱覆蓋或覆蓋盲區(qū)現(xiàn)象。

隨著“大水漫灌”建網(wǎng)方式向“精準(zhǔn)滴溉”精細(xì)化設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)變，細(xì)化5G重要覆蓋類(lèi)參數(shù)規(guī)劃設(shè)計(jì)，從源頭保障5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可靠度和精準(zhǔn)度勢(shì)在必行。5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要技術(shù)有大規(guī)模天線陣列和SSB波束。大規(guī)模天線陣列由大量的天線振子單元（如64T64R有192個(gè)天線振子）構(gòu)成，使得目標(biāo)覆蓋空間分辨率得以提升。SSB依托自身特有的窄波束特性?xún)?yōu)勢(shì)，可以精準(zhǔn)定位5G業(yè)務(wù)發(fā)生位置。結(jié)合大規(guī)模天線陣列硬件能力和SSB波束管理技術(shù)，合理配置覆蓋區(qū)域水平方向和垂直方向波束數(shù)量，能夠進(jìn)一步提升5G網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)覆蓋能力，滿(mǎn)足目標(biāo)場(chǎng)景5G業(yè)務(wù)覆蓋需求。

二、關(guān)鍵技術(shù)

5G SSB可以定向提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，與其相關(guān)技術(shù)包括小區(qū)搜素、SSB資源塊、Massive MIMO和波束管理。

2.1小區(qū)搜索

小區(qū)搜索是為了下行同步，4G一般分為5步：第1步同步PSS（主同步信號(hào)）獲得NID2;第2步同步SSS（輔同步信號(hào)）獲得NID1;第3步從PBCH讀取MIB;第4步從PDCCH獲取SIB1的調(diào)度信息;第5步從PDSCH讀取SIB1。而5G主輔同步信號(hào)和物理廣播信道耦合以SS/PBCH資源塊的形式出現(xiàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)為SSB），簡(jiǎn)化了小區(qū)搜索步驟。

2.2 SSB資源塊

SSB作為5G特有技術(shù)，波束掃描在時(shí)域上間隔出現(xiàn)，每個(gè)SSB都對(duì)應(yīng)一個(gè)波束掃描的方向。在1個(gè)半幀（1個(gè)無(wú)線幀=2個(gè)半幀=10ms）周期內(nèi)SSB出現(xiàn)若干次，這些SSB的合集定義為SSB Burst Set。

針對(duì)Sub3G，協(xié)議規(guī)定1個(gè)SSB Burst Set中最多4個(gè)SSB塊;對(duì)于Sub3G～Sub6G，規(guī)定最大8個(gè)SSB塊;大于6G規(guī)定了最大64個(gè)SSB塊。周期內(nèi)SSB塊數(shù)量受子載波間隙影響，1個(gè)半幀內(nèi)SSB的位置會(huì)有5種不同情況。SSB時(shí)域位置設(shè)計(jì)其實(shí)主要是考慮到不同子載波之間的共存。

SSB在時(shí)域上占4個(gè)符號(hào)，在頻域上240個(gè)子載波（20個(gè)PRB），編號(hào)0～239。1個(gè)SSB中用于傳輸PBCH的RE總共有：（20+4）×2×12=576個(gè)RE。其中，每個(gè)RB中包含有3個(gè)PBCHDMRS導(dǎo)頻RE，因此共有144個(gè)導(dǎo)頻RE，PBCH數(shù)據(jù)RE為432個(gè)，QPSK調(diào)制后可以攜帶864bit數(shù)據(jù)。

2.3 Massive MIMO

Massive MIMO大規(guī)模陣列天線在水平維度空間基礎(chǔ)上，引入垂直維度空域，進(jìn)一步增加天線數(shù)目，形成更窄的波束，使射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，同時(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。SSB廣播波束是小區(qū)級(jí)靜態(tài)波束，AAU硬件不是它的決定因素，例如8T8R的AAU，可以配置4個(gè)SSB胖波束。SSB廣播波束主要用于同步下行、發(fā)送系統(tǒng)廣播和小區(qū)信號(hào)質(zhì)量測(cè)量。

2.4波束管理

5G的廣播信道是賦型窄波束，采用輪詢(xún)掃描覆蓋整個(gè)小區(qū)的機(jī)制。通過(guò)波束管理合理設(shè)計(jì)窄波束，并選擇合適的時(shí)頻資源在不同時(shí)刻發(fā)送不同的窄波束，完成小區(qū)的廣播波束覆蓋。UE通過(guò)掃描每個(gè)窄波束，獲得最優(yōu)波束，完成同步和系統(tǒng)消息解調(diào)。

由于5G使用頻段較高，為多天線提供了天然的應(yīng)用空間。通過(guò)窄波束設(shè)計(jì)，將發(fā)射能量對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)用戶(hù)，提高目標(biāo)用戶(hù)的解調(diào)信噪比和傳輸成功率。同時(shí)提高系統(tǒng)覆蓋率，增強(qiáng)控制信道的覆蓋范圍，從而擴(kuò)大小區(qū)半徑提升覆蓋性能。

三、模型建立

5G SSB波束通過(guò)水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、方位角和傾角這四種參數(shù)進(jìn)行配置。5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)中，不同場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求不同，對(duì)5G廣播波束需進(jìn)行差異化配置。由此可以建立一套“場(chǎng)景識(shí)別—覆蓋需求明確—站址規(guī)劃—波束計(jì)算并配置”的規(guī)劃模型，最終形成《各場(chǎng)景SSB波束配置工具》成果。

3.1波束計(jì)算原理

5G覆蓋波束是通過(guò)規(guī)劃的5G設(shè)備和覆蓋目標(biāo)的空間位置關(guān)系，以及覆蓋目標(biāo)的物理特性進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)AAU掛高、AAU與覆蓋目標(biāo)距離、覆蓋目標(biāo)需覆蓋范圍的高度和寬度信息，運(yùn)用三角函數(shù)，計(jì)算AAU的垂直半功率角、水平半功率角和傾角。通過(guò)科學(xué)合理的計(jì)算結(jié)果，保障5G的良好覆蓋效果，其原理見(jiàn)圖2。

AAU垂直&水平半功率角&傾角具體計(jì)算如下

3.2覆蓋場(chǎng)景及需求分析

5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景多種多樣，如酒店、小區(qū)、購(gòu)物中心等。這些場(chǎng)景本身特征不同，對(duì)5G業(yè)務(wù)需求也不同，因此不同場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)存在差異性。從這些覆蓋場(chǎng)景的空間特性上來(lái)講，可以分垂直和水平兩個(gè)空間維度，AAU的水平和垂直半功率角決定是否滿(mǎn)足覆蓋。

聚類(lèi)分析5G覆蓋各個(gè)場(chǎng)景的空間分布和業(yè)務(wù)需求，可以將所有場(chǎng)景歸納劃分為14種對(duì)應(yīng)場(chǎng)景。具體分類(lèi)見(jiàn)表1，其中高中低樓層的宏覆蓋為典型場(chǎng)景。

3.3覆蓋波束配置

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商5G頻段集中FR1，主要采用30KHz子載波間隙部署，單小區(qū)SSB理論最大配置數(shù)為8。而國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商主流使用的2.5ms雙周期配置，因時(shí)隙配置的不同，實(shí)際單小區(qū)可用SSB數(shù)僅為7個(gè)。通過(guò)對(duì)已分類(lèi)的14種場(chǎng)景進(jìn)行各場(chǎng)景覆蓋目標(biāo)統(tǒng)計(jì)和分析，取典型值算出各場(chǎng)景所需小區(qū)波束，并最終得出SSB波束模型。

四、成果結(jié)論

通過(guò)對(duì)5G小區(qū)搜索、波束管理、Massive MIMO、SSB資源塊等5G技術(shù)的研究，得出SSB廣播波束賦型是解決不通場(chǎng)景5G覆蓋問(wèn)題的關(guān)鍵。建立各場(chǎng)景SSB波束配置模型，在5G網(wǎng)絡(luò)前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中進(jìn)行最優(yōu)SSB廣播波束參數(shù)配置，最大程度提升5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。

經(jīng)過(guò)SSB波束配置，有效地為不同場(chǎng)景5G網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)化覆蓋提供有力的支撐，增強(qiáng)了5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，降低建網(wǎng)成本，提升用戶(hù)感知。示例仿真對(duì)比效果如圖3。

在未開(kāi)展5G SSB波束精細(xì)化規(guī)劃時(shí)，目標(biāo)區(qū)域5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果仿真顯示存在部分區(qū)域弱覆蓋或盲覆蓋現(xiàn)象，建網(wǎng)效果欠佳。利用SSB規(guī)劃配置工具，對(duì)多場(chǎng)景5G SSB開(kāi)展精細(xì)化規(guī)劃，仿真覆蓋效果明顯改善提升。因此，5G SSB波束精細(xì)化規(guī)劃對(duì)目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果提升行之有效，可以助力5G精品網(wǎng)絡(luò)建成。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]梁松柏 李新衛(wèi) 徐軍平. 5G波束覆蓋優(yōu)化研究[J] 郵電設(shè)計(jì)技術(shù). 2020， （08） .27-33;

[2]印翀，馮偉. 5G網(wǎng)絡(luò)掃描波束規(guī)劃方案探討[J]移動(dòng)通信. 2020，44（09）.75-79;

[3]王曉剛 杜健 李嬋嬋 張水斌. SSB尋優(yōu)在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化中的應(yīng)用[J] 郵電設(shè)計(jì)技術(shù). 2020，（08）.21-26;

[4]韓瑋，江海，李曉彤. 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與規(guī)劃優(yōu)化探討[J]中興通訊技術(shù). 2019，25（04）.59-66;

[5]許國(guó)平，王科，楊飛虎，王權(quán). 基于5G MR實(shí)現(xiàn)Massive MIMO權(quán)值智能尋優(yōu)的技術(shù)方案研究[J]郵電設(shè)計(jì)技術(shù). 2021， （02）.6-10;

[6]萬(wàn)朝輝，王紅雷， 張航， 羅福龍. 5G波束調(diào)整優(yōu)先策略的網(wǎng)絡(luò)側(cè)干預(yù)方案研究[J] 長(zhǎng)江信息通信. 2021，34（02）.196-198;