［李志勇 陸南昌 吳寶棟］

1 引言

1.1 5G 現(xiàn)網(wǎng)問題描述

當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)如火如荼，尤其在城市區(qū)域，深度覆蓋作為5G 通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與優(yōu)化的重要組成部分，一直備受業(yè)界關(guān)注。特別是無室分的樓宇場(chǎng)景，如何通過宏站網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提升5G-MR 覆蓋率，快速改善弱覆蓋區(qū)域用戶體驗(yàn)，是本次基于5G Pattern 場(chǎng)景化覆蓋增強(qiáng)方案研究。

5G MDT R16 協(xié)議版本于2020 年7 月凍結(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈配套需要較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)MDT 需要獲取用戶授權(quán)[1]；MDT 數(shù)據(jù)對(duì)樓宇場(chǎng)景中，三維平面的垂直海拔高度維度數(shù)據(jù)上報(bào)比例極低，無法支持樓宇立體覆蓋優(yōu)化，5G 以Massive MIMO 組網(wǎng)為主，急需破解能支持垂直維度立體覆蓋評(píng)估的方法。

1.2 5G 現(xiàn)網(wǎng)異?，F(xiàn)象

5G 網(wǎng)絡(luò)室外道路覆蓋良好，室內(nèi)深度覆蓋相對(duì)較差，且弱覆蓋空間位置定位不準(zhǔn)，很難精確找到問題點(diǎn)位置。

（1）室外覆蓋良好

室外RSRP>-93 dBm 覆蓋率已經(jīng)達(dá)到99%以上，如圖1 所示。

圖1 室外信號(hào)覆蓋RSRP 渲染圖

（2）深度覆蓋不足

圖2 中紅色柵格表示平均電平值低于-105 dBm，可以看到在局部區(qū)域存在深度覆蓋不足情況。

圖2 局部區(qū)域深度覆蓋不足

（3）空間定位不準(zhǔn)

5G 以Massive MIMO 組網(wǎng)為主，支持垂直維立體覆蓋，傳統(tǒng)5G MDT 尚不成熟，終端支持路標(biāo)暫不明確，且傳統(tǒng)定位主要為二維平面柵格化定位（如圖3 所示），計(jì)算同一個(gè)柵格上搜到兩個(gè)小區(qū)的電平值作為坐標(biāo)矩陣，通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算[2]。短期內(nèi)無法支持樓宇立體覆蓋評(píng)估優(yōu)化，而且嚴(yán)重依賴覆蓋電平的理論標(biāo)準(zhǔn)波形變化，受道路移動(dòng)物體、信號(hào)反射、繞射等波動(dòng)仿真差異大，準(zhǔn)確率低。若柵格僅收到一個(gè)小區(qū)覆蓋，則無法實(shí)現(xiàn)柵格化定位。

圖3 二維平面柵格化定位示意圖

2 5G Pattern 尋優(yōu)方案

2.1 波束管理介紹

波束管理主要分為小區(qū)級(jí)廣播信道波束管理以及用戶級(jí)靜態(tài)波束管理。對(duì)于用戶級(jí)靜態(tài)波束管理，用戶級(jí)靜態(tài)波束設(shè)計(jì)成了多個(gè)窄波束，UE 需要對(duì)這些窄波束進(jìn)行掃描以獲取最優(yōu)波束集合。gNodeB 針對(duì)UE 掃描上報(bào)的最優(yōu)波束集合進(jìn)行維護(hù)，從而選擇給這些信道使用最優(yōu)的波束集合[3]。

而對(duì)于小區(qū)級(jí)波束管理，5G NR 的廣播波束為N 個(gè)方向固定的窄波束，相較于LTE TDD 用一個(gè)寬廣播波束覆蓋整個(gè)小區(qū)，NR 能夠通過在不同時(shí)刻發(fā)送不同方向的窄波束完成小區(qū)的廣播波束覆蓋。UE 掃描每個(gè)窄波束來獲得最優(yōu)波束，完成同步和系統(tǒng)消息解調(diào)如圖4 所示。對(duì)于廣播信道的波束管理，支持針對(duì)不同的覆蓋場(chǎng)景配置不同的波束場(chǎng)景。

圖4 基站波束示意圖

2.2 5G Pattern 場(chǎng)景化尋優(yōu)方案分析

采用基于主波束AI 預(yù)測(cè)模型，波束級(jí)虛擬柵格建模，虛擬柵格路損矩陣模型的算法，實(shí)現(xiàn)深度覆蓋立體評(píng)估，并輸出解決方案。

（1）借助CSI-RS 波束定位MR 覆蓋

廣播波束與 CSI-RS 波束的賦型是分別控制的，CSIRS 波束是靜態(tài)窄波束，其發(fā)送方向由物理RF 參數(shù)決定，且波束發(fā)送范圍為AAU 所支持的最大覆蓋包絡(luò)，不受廣播波束權(quán)值調(diào)整的影響。基站側(cè)根據(jù)上行SRS 測(cè)量可以判斷出UE 所在波束ID，因此可基于CSI-RS 波束建模UE（User Equipment）在三維立體空間中的位置如圖5 所示，實(shí)現(xiàn)不依賴MDT 的立體覆蓋優(yōu)化[4]。

圖5 CSI-RS 波束建模示意圖

（2）波束級(jí)路損矩陣構(gòu)建

根據(jù)主鄰小區(qū)信息、波束信息、電平信息構(gòu)建立體路損矩陣。如圖6 所示，3D 波束路損矩陣獲取，柵格Grid n收到的立體三維小區(qū)信息包括小區(qū)cell 1 的（小區(qū)信息1、波束編號(hào)#1，電平信號(hào)強(qiáng)度n1）、小區(qū)cell 2 的（小區(qū)信息2、波束編號(hào)#0，電平信號(hào)強(qiáng)度n2）和小區(qū)cell 3 的（小區(qū)信息3、波束編號(hào)#2，電平信號(hào)強(qiáng)度n3），歸一化為標(biāo)準(zhǔn)三維坐標(biāo)信息（PL1_1_n1，PL2_0_n2，PL3_2_n3）。

圖6 波束級(jí)路損矩陣構(gòu)建示意圖

（3）采用SSB 天線文件計(jì)算各波束范圍內(nèi)的天線增益，預(yù)測(cè)波束范圍內(nèi)的電平變化

（a）高層垂直覆蓋增強(qiáng)

如圖7 所示，SSB 波束可以設(shè)置成水平款波束，也可以設(shè)置成垂直寬波束，保證不同覆蓋場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)需求。本項(xiàng)目計(jì)劃根據(jù)波束級(jí)路損矩陣構(gòu)建的用戶3D 分布，識(shí)別當(dāng)前選擇的覆蓋波束類型[5]。

圖7 高層垂直覆蓋增強(qiáng)示意圖

（b）水平重疊覆蓋優(yōu)化

由于5G 波束水平覆蓋方位角達(dá)到110 度，相對(duì)于4G時(shí)代的65 度覆蓋范圍，提升了將近一倍，導(dǎo)致5G 網(wǎng)絡(luò)重疊覆蓋率非常高?；诒卷?xiàng)目的波束級(jí)路損矩陣構(gòu)建，識(shí)別同一個(gè)柵格上有多個(gè)覆蓋小區(qū)，且電平差小于3 dB 的連片柵格分布，進(jìn)行Pattern參數(shù)（包括波束寬度、波束高度、下傾角、方位角、功率等）的差異化設(shè)置，優(yōu)化重疊覆蓋如圖8 所示。

圖8 水平重疊覆蓋優(yōu)化示意圖

（4）迭代尋優(yōu)

迭代尋優(yōu)過程中，首先基于問題類型按照參數(shù)設(shè)定的調(diào)整步長(zhǎng)進(jìn)行覆蓋尋優(yōu)。然后根據(jù)路損矩陣和天線文件計(jì)算出調(diào)整后問題Polygon 內(nèi)覆蓋的變化情況，最終結(jié)合設(shè)定的權(quán)重計(jì)算出與優(yōu)化目標(biāo)的滿足度Fitness[6]，如式1所示。

其中wrsrp、woverlap、wsinr為權(quán)重值，SSB_RSRP f、Overlap f、SSB_SINR f分別為SSB 覆蓋、過覆蓋和SSB SINR 的強(qiáng)度值。對(duì)比尋優(yōu)前后的，即可得出預(yù)期增益值，如式2 所示。

其中Gain forecast為預(yù)期增益值，F(xiàn)itness new和Fitness current分別為調(diào)整后的滿足度和原先的滿足度。

整體的流程如圖9 所示，整個(gè)迭代優(yōu)化過程即Pattern 尋優(yōu)過程。

圖9 迭代尋優(yōu)流程圖

迭代尋優(yōu)結(jié)果包括Pattern 波束覆蓋場(chǎng)景、方位角、下傾角、天線發(fā)射功率等射頻天線配置參數(shù)，不同場(chǎng)景下差異化設(shè)置，覆蓋提升效果如圖10 所示。

圖10 Pattern 尋優(yōu)后覆蓋變化示意圖

2.3 5G Pattern 場(chǎng)景分類

根據(jù)波束水平3 dB 波寬、垂直3 dB 波寬、傾角可調(diào)范圍等取值不同，對(duì)5G Pattern 尋優(yōu)結(jié)果按場(chǎng)景化劃分，便于優(yōu)化過程中根據(jù)不同的覆蓋場(chǎng)景進(jìn)行選擇。目前5G Pattern 尋優(yōu)增強(qiáng)場(chǎng)景化覆蓋方案主要有16 種，已根據(jù)不同的設(shè)備型號(hào)，集成在設(shè)備信息中，可以通過網(wǎng)管在線按場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)整[7]。

5G Pattern 增強(qiáng)場(chǎng)景化覆蓋方案，如表1 所示。針對(duì)不同的覆蓋類型，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需要，選取不同的5G Pattern增強(qiáng)場(chǎng)景化覆蓋方案[8]。例如：場(chǎng)景S1～S5場(chǎng)景中，垂直3 dB 波寬相同，但水平3 dB 波寬存在差異，依據(jù)不同的值，可將覆蓋場(chǎng)景劃分為“廣場(chǎng)場(chǎng)景、干擾場(chǎng)景、樓宇場(chǎng)景”等。例如S2 和S3 同為干擾場(chǎng)景，但水平3 dB波寬不同，可以對(duì)不同的干擾源進(jìn)行規(guī)避?，F(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行選擇。

表1 各種5G Pattern 增強(qiáng)場(chǎng)景化覆蓋方案

3 可行性分析和應(yīng)用效果

優(yōu)選模式，有效指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋優(yōu)化工作，改善用戶感知。

3.1 仿真與驗(yàn)證測(cè)試

以某市某區(qū)域?yàn)楸敬卧囼?yàn)場(chǎng)景，分別以中高層和低層兩種分為不同場(chǎng)景；定義20 m 以下為低層，20～40 m 為中層，40 m 以上為高層。中高層在原垂直波寬上根據(jù)選取的場(chǎng)景和原則改變默認(rèn)的立體波束場(chǎng)景覆蓋模式，進(jìn)行測(cè)試并記錄。下文基于Rayce 射線追蹤模型光束追蹤的覆蓋仿真，覆蓋站點(diǎn)默認(rèn)水平波寬105°，垂直波寬6°。

（1）中高層場(chǎng)景，首先對(duì)劃定區(qū)域進(jìn)行3D 仿真，設(shè)置50 層切片，每層3 m，改變垂直波寬為25°，得到如圖11 所示，左為默認(rèn)Pattern 配置水平波寬105°，垂直波寬6°，右為調(diào)整后Pattern 配置水平波寬110°，垂直波寬25°。

圖11 中高層場(chǎng)景尋優(yōu)前后仿真對(duì)比

（2）低層場(chǎng)景，首先對(duì)劃定區(qū)域進(jìn)行3D 仿真，設(shè)置30層切片，每層3 m，水平波寬改為25°，垂直波寬不變，得到如圖12 所示，左為默認(rèn)Pattern 配置水平波寬105°，垂直波寬6°，右為調(diào)整后Pattern 配置水平波寬25°，垂直波寬6°。

圖12 低層場(chǎng)景尋優(yōu)前后仿真對(duì)比

中高、低層具體的仿真數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 中高低層場(chǎng)景尋優(yōu)前后仿真對(duì)比

中高、低層場(chǎng)景尋優(yōu)前后測(cè)試對(duì)比如表3 所示。

表3 中高低層場(chǎng)景尋優(yōu)前后測(cè)試對(duì)比

從上述仿真數(shù)據(jù)來看，中高層場(chǎng)景的RSRP都分析提升了2～3 dBm 左右，覆蓋稍有改善；而在實(shí)際測(cè)試中，可以看到RSRP 提升比較明顯，大部分樓層提升了大約5 dBm 左右。

低層場(chǎng)景的在仿真中的RSRP 也提了4 dBm左右；而在實(shí)際測(cè)試中RSRP 也提升了大約2～3 dBm 左右。

對(duì)于高層樓宇，增大垂直波寬對(duì)于提升樓宇覆蓋具有良好的效果；而對(duì)于低層樓宇，其高度較低但樓宇寬度較大可以降低垂直波寬以及增大水平波寬來達(dá)到良好的覆蓋提升效果。

3.2 商業(yè)區(qū)域試點(diǎn)效果

本次測(cè)試區(qū)域位于核心區(qū)域，市民中心附近路段，周邊遍布大型寫字樓、商業(yè)中心和高檔住宅區(qū)等，基本完成道路覆蓋。且該區(qū)域多處站點(diǎn)存在上站困難問題，所以選取該區(qū)域做為試驗(yàn)點(diǎn)。

（1）試驗(yàn)前網(wǎng)絡(luò)摸底測(cè)試

對(duì)該區(qū)域進(jìn)行摸底拉網(wǎng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)多處存在弱覆蓋問題，如圖13 中紅色圈。

圖13 試驗(yàn)前摸底拉網(wǎng)測(cè)試情況

（2）工具尋優(yōu)后Pattrn 調(diào)整建議

根據(jù)摸測(cè)試結(jié)果，針對(duì)上圖中弱覆蓋區(qū)域站點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)修改，修改不同的波束場(chǎng)景。相關(guān)小區(qū)波束場(chǎng)景修改情況如表4 所示。

表4 小區(qū)波束調(diào)整表

（3）優(yōu)化效果

針對(duì)工具尋優(yōu)后調(diào)整建議修改波束場(chǎng)景，修改前后將整個(gè)區(qū)域的RSRP 進(jìn)行前后對(duì)比，優(yōu)化后的RSRP 提升了5.3dBm，而SINR 也提長(zhǎng)了1.24。調(diào)整優(yōu)化前后RSRP、SINR 數(shù)據(jù)對(duì)比，如表5、圖14、圖15 所示。

圖14 優(yōu)化前后RSRP 對(duì)比圖

圖15 優(yōu)化前后SINR 對(duì)比圖

表5 優(yōu)化前后覆蓋強(qiáng)度對(duì)比

4 結(jié)論

本文主要介紹5G Pattern 尋優(yōu)增強(qiáng)場(chǎng)景化覆蓋的方案研究及應(yīng)用。根據(jù)不同的覆蓋場(chǎng)景，利用Pattern 尋優(yōu)場(chǎng)景化波束方案，提升目標(biāo)區(qū)域覆蓋，降低干擾，改善區(qū)域內(nèi)性能指標(biāo)，并給客戶帶來更好的體驗(yàn)。在Pattern 方案可行性的驗(yàn)證中，選取了兩種場(chǎng)景，分別為中高層、低層。對(duì)于覆蓋這兩個(gè)區(qū)域的站點(diǎn)，調(diào)整Pattern 場(chǎng)景模式來實(shí)現(xiàn)各自場(chǎng)景類型的覆蓋最優(yōu)。本文介紹的Pattern 參數(shù)迭代尋優(yōu)方法，來獲得更優(yōu)的SSB 覆蓋。無論是通過仿真模型進(jìn)行仿真還是實(shí)地測(cè)試都能獲得一定的提升，且仿真模型所獲得的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試的整體結(jié)果之間的誤差在可接受的范圍之內(nèi)。