5G优化案例：5G波束赋形场景化应用研究.docx

5G波束赋形场景化应用研究XX无线维护中心XXXX年XX月一、 研究背景3二、 技术原理32. 1波束原理介绍33. 2波束赋形原理介绍124. 3广播波束场景化23三、 高楼场景适用性研究273. 1仿真方法274. 2仿真区域275. 3仿真结果296. 4仿真小结35四、 经验总结及推广365G波束赋形场景化应用研究XX【摘要】大规模波束赋形技术是5GNR满足增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延(URLLC)以及大规模机器类通信(mMTC)三大场景技术需求的核心技术.本文将结合标准最新进展，介绍大规模波束赋形技术的实现原理、CSI反馈机制、波束扫描和波束管理等关键技术：并对大规模波束赋形的实现机制进行分析,最后给出大规模波束赋形技术在各场景中的应用和实现方式，并利用仿真技术对后续5G分场景覆盖优化给出波束Pattern建议配宜，为后续5G的覆盖及波束优化提供指导思路。【关键字】MaSSiVeMIMO、波束赋形、BeamfOrming>5G【业务类别】优化方法、5GNR一、研究背景MaSSheMIMO和波束赋形(BeamfOnniiIgBF)是5G的一项关键技术。5G将LTE时期的Mlw)进行了扩展和延伸，LTE的MlMO最多8天线，到5G扩增为16/32/64/128天线，被称为“大规模”的MIMOoMaSSIVeMIMO波束赋形(BeanlfOrmmgBF)二者相辅相成，缺一不可。MaSSlVeMIMO负责在发送端和接收端将越来越多的天线聚合起来；波束赋形负责将每个信号引导到终端接收器的最佳路径上，提高信号强度，避免信号干扰，从而改善通信质量。我们甚至可以说大规模MlMO就是大量天线的波束。MaSCVeMIMo通过集成更多的射频通道和天线、实现三维精准波束赋形和多流多用户复用技术，从而达到比传统的技术方案更好的覆盖和更大的容呈:。MaSSlVeMnIo可以大幅度提升单站的容量和覆盖能力，解决运营商在同城竞争中而临的站址紧张、建站难、深度覆盖难等痛点，同时大幅度提升单用户流量满足终端用户对不同业务极致体验的诉求。本文主要开展对5G波束相关原理及不同波束Pattem对不同场景的适用性研究，并给出适用于现网的波束Pattenl建议。二、技术原理2.1波束原理介绍2.Ll波束定义“波束”这个词看上去有些陌生，但是“光束”大家一庄都很熟悉。当一束光的方向都相同时,就成了光束，类似手电筒发出的光。反之，如果光向四面八方辎射（如电灯泡发出的光），则不能形成光束.和光束:一样，当所有波的传播方向都一致时，即形成了波束。B亡am是对于整列天线电磁波传播的一种样式。一个天线的时候，电磁波的辐射方向是360度传播的,但是一个天线阵列可以实现电磁波单方向传播。天线个数越多，电磁波传皤方向越集中4阵子波束2 L 2天线阵列电磁波极化方向1）平面电磁波单向传播，且电场和磁场方向互相垂直,两者同时也和传播方向垂直；速度2）平面波电场的方向定义为电磁波的极化方向，主要分为以下。线性极化：/电场方向始终处于同一个平而内÷圆极化：/电场有两个完全相等的垂直分疑/电场矢量在传播过程中形成圆形轨迹/在正对传播方向上观察（辐射源处于正前方）：右旋极化：电场矢量逆时针方向旋转左旋极化：电场矢量顺时针方向旋转。椭圆极化/电场有两个不完全相等的垂直分量/电场矢量在传播过程中形成椭圆形轨迹3）电磁波的极化方向由天线辐射单元的方向决左；如果两个波的极化方向是相互垂直的（正交），则可以承载不同的信息符号；通过相同极化方向天线单元之间的相互作用可以改变相应极化方向的波束方向和形状（波束赋形）；由于散射，原本正交的波形会在传播过程中逐渐丢失正交性，并在接收端产生相互影响。水平BF(azimUth)天线单元（RadiatOr）:每个极化方向代表一个天线单元1）天线单元（Radiator）由半波振子加反射板构成，如下图所示:0削S半波振子2)3GPP38.901定义的RadiatOrPattern：RadiatOrPatternPhi for Horrizonttl DegreeUyaa IPJOmVqlParaaeterVaIUeSVeniCalCUtOftheradiationpowerPattern(dB)r/rQAOV<=Oo)=-三n2LAv&刃BJWith0咖=65：SL4、=30dBandO0；1801HOriZOntalCUtOftheradiatinpowerPattern(dB)W=90o,矿)=-min12,¼WithB=65lWX=30dBand-180M80o3DradiationPOWerPattern(dB)心（化矿）=-min-心,矿=0。）+必0=90。，外yf&LtaXimUmdirectionalgainOfanantennaelementG&8dBi30-25-25-20:-20-15B-15-1010-5a-S-03)赫兹偶极子(HertZDiPOle)Pattern：PatternGain,)=10Igsirf()COS2()HertZDiPOIePatternPhi for HOrriZOntaI DegreeCJUtJeaaT52tf2«苗芒SS60b 艮«2520三-20-15B-1510三-l(h5H5O>天线阵列(AntennaArray):/某5GAAU-A模块工作在NR3.5GHz频段，64个TRX,192个天线单元，总功率200肌天线阵列示意图如下所示：×××××××××××× TX4Tx5 :4 x8 x4 x59 x4 x6o× × × × 534254g55<4456 × × × ×××××××××TXTXHXTX TXTXHXTX ×××××××× 1 0 2 3TX4TX3TX5O3TX5TX4TXS× × × × X 3>94505M6feu XXXXX 3 5 4 6 5 7 × × × × × TXWX2TZmTX2TXlTX2×X6×XXXXXX 周 TX3TX2STX3TX3C3TX3TX3TX3 一 g XXXXXX M8 mTX2TXlTX2TXX2TXlTX2AXXXXXxAAU-XXXXXXXTX5TX17TX6TX18TX7TX198TX20××××××××××××TXInm3TX4每个极化方向上有32个TRX,每个TRX分路到3个天线单元，总共对应12*8*2二192个天线单元/某5GAAU-B模块工作在NR3.5GHz频段，16个TRX,192个天线单元，总功率200Wl.16通道的RRU每个极化方向只有8个TRX,每列天线单元共用一个TRX,只能在水平方向做波束赋形，不能在垂直方向做波束赋形。*1 ×× × ×X × × × × × X ××××××××××××× TXai ×××××××××××× 8* ××××M××××××× T l3 ××××M××××××× 严 I ××××M××××××× r FXXXXXXXXXXXX 严 FlmO ×××XXX××××××6GAAmB天线阵列示意图每个极化方向上有16个TRX,每个TRX分路到12个天线单元，总共对应12*8*2二192个天线单元。2.1.3波束增益频率与路损/自由空间传播模型：(4/ZF设发射功率为Pt,接收功率为Pr,人为工作波长，Gr与Gt分别为发射天线和接收天线增益，r为发射天线与接收天线的距离。=GrGtPta.路损和载波频率的平方成反比：b.辐射单元的有效而积和波长成反比；/公共信道覆盖:使用波束赋形后基站将无法使用单个或几个波束进行小区连续覆盖。因此引入了波束扫描的概念:在预左义的时间段内将广播信息在每个波束上轮流发送至所有终端来监听公共信认/随机接入信道覆盖(PRACH)：随机接入信道设讣需要考虑波束赋形原理:波束赋形的引入使得下行控制信道无法同一时间实现连续覆盖，同样上行也无法在同一时间监听所有方向上的公共信逍。因此gNB周期性的激活覆盖部分范羽的接收波束，来监听该范围内终端可能发送的随机接入信息：上行接收波束周期和下行SS扫描周期存在对应关系：UE通过接收下行SS波束的时间可以计算出对应PRAeH信道的时间位置(完整的信息应包含SIOt.PRB.OCaSSion,Preamble)0 基础波束配置#4#4表示波束分为两行，每行4个波束 基础波束配置#3#3#2表示波束分为3行，最上而一行和中间行包含3个波束，最下方一行包含2个波束基础波束酉己置集#3#3 #2/基础波束配置集：目前支持数字波束赋形20种，详情如下:BenlPattemBeaml#SSBbeamsAzinuthOPnIn<gangles1row01453-45Ox60or-60oJ0-0#22<45%-450r<60or60,>O-O-O-O444<45%-450k<60o,-60">O-O-O-O-O-O6<45,-45*>.<60,-60o>(HHHHHHH)#88<4热-45"1.<60or60o>2rows(XHH)Q-O-O-O#4#4<45%<60o-60>O-O-O-O-O(HH)#5#38C&Oo-soo>Q-O-O-O-（三）（三）#6tt28<601,601>3rovs：0-01-0O-O-O0-0*3#3#2845<-45OX<60%-60->4rows0-0（三）o-o0-0#2#2#2#28<20%-20O>,<450,-450L天线在不同Pattern配置下，不同数字方向角、数字下倾角配置下，增益波形会呈现明显差异。举例1：BeamSet#6#2水平波宽垂直波宽举例2：BeamSet#3#3#2水平波宽垂直波宽常见两种典型场景如下：1、高楼场景：使用垂直而覆盖比较宽的波束，提升垂直覆盖范用。2、广场场杲：近点使用宽波束，保证接入，远点使用窄波束，提升覆盖。不同场景使用不同波束提升覆盖窄波束对道路、宽波束对海岸垂直波束打高楼兼顾广场和楼宇水平波束覆盖广场三.高楼场景适用性研究3.1仿真方法5GmMIMO可以通过对不同beamSet修改天线权值，来满足不同场景的覆盖要求。淮南金地国际城区域，为高楼密集区域，高层居民楼室内覆盖主要依靠室外宏站.此处针对beamset#6#2与#3#3#2在高楼密集区的区域表现情况来对比两者的适用情况。针对具体的楼宇，通过精细仿真，对比两个不同的beamSet针对楼宇的覆盖表现。3.2仿真区域金地国际城小区的8、9、11、12、13五栋楼，89两栋楼楼高36米，11、12、13三栋楼楼高78米，周边主要为一个4G基站“前锋社区”，假设后期5G基站和其共站址建设，经仿真可知这五栋楼的bestSerVer为“前锋社区_3小区”，站高27米，下倾角8度，三小区方位角230度。修改该基站的天线beamSet可以研究不同的beamSet对于该居民楼的覆盖影响情况。仿真评估区域：仿基站信息:CellNameAZimUth站高HN-市区-前锋社区-5G-11027米HW市区-前锋社区-5G-212027米HV-市区-前锋社区-5G-323027米仿真楼宇截图:3.3仿真结果楼宇beamSet#6#2和#3#3#2仿对比结果：5G室内浅层(L5m)(ThrOUghPUtUL&DL)覆盖对比：上下行速率对比:ThrOUghPUtIJL(1.5mIndOOr)7"号牌VYVM的羽、心敢戴卜篦卜卜犬国/F匿善詈第卜第r“DM'EO70J®5。9。388卜886。>5G室内浅层(45m)(ThrOUghPUtUL&DL)覆盖对比：上下行速率对比:#6甘2«3#3#2OooR6000、吊OOoo68C3“OoOSgOoOoH8(一OOO0、2-宫。、)类一OoooegSy9OoQO=9(一0§N-(1OOQoSS(7OoQoCUP0。帛OOOO导OOO、05r(一Ps:#6#2#3#3#25G室内浅层(16.5m)(ThrOUghPUtUL&DL)覆盖对比：beamSet#6#2beamSet#3#3#2上下行速率对比:ThrOUghPUtIJL(16.5mIndOOr)tt6tt2«3ff3#2ThrOUghPUtDL(16.5mIndOOr)5G室内浅层(34.5m)(ThrOUghPUtUL&DL)覆盖对比：beamSet#6#2beamSet#3#3#2上下行速率对比:ThrOUghPUtUL(37.5mIndoor)5,00010,01S,O20,025,00030,00035,8。40,045,000S0,00055,8060,0#6件3#221.MZoaZCIWEffiert、.3S8S?SS§?SSJRBflcuc.6SQnMr)>卜S6S2-8302>5G室内浅层(675m)(ThroUghPUtUL&DL)覆盖对比：beamSet#6#2beamSet#3#3#2上下行速率对比:8 000000000 98765432 1ThrOUghPUt UL (67. 5m IndOOr)90807060504030205r0o I (XOoO 25020,0002Sr<=>030s035,00040,000>>Gtt2«3«3U2ThrOUghPUt DL(67. 5m IndOOr)UrU<rWNZtCTfnt<t<P8S5SSWW OOWOO«6«妇口 3 口 23.4仿真小结一般天线挂高低于建筑物，建筑物上层无法直接覆盖川6#2的一层六个波束能疑集中，适合区域覆盖，垂直半功率角较小，不能满足楼宇的垂直而的覆盖：#3#3#2的垂直半功率角较大，适合垂直而的覆盖增强。通过仿真，对比#6#2与#3#3#2对高层建筑物的不同楼层的上下行速率的影响，分楼层分析，在一层、三层、六层，即对于一般的板式居民楼（总高六层），通过分析室内的上下行速率，#6#2与#3#3#2在覆盖与干扰方而差异不大。对于高层居民楼，分析了十一层、二十二层的高度，通过分析室内的上下行速率，#6#2与#3#3#2在覆盖与干扰方而差异较大。由于#3#3#2的垂直半功率角较大，使得楼宇的高层有更好的覆盖，更小的干扰：Bemset#3#3#2能够为高层提供更强的主控信号,有效减少了高层居民楼信号杂乱、干扰较大的现象，通过修改天线权值，更改天线的beamset,可以达到提升高楼用户体验的效果。四、经验总结及推广波束赋形技术可以针对不同场景，选择不同的广播波束场景应用方案，同时设相应的电子方位角和电子倾角，可以有效优化覆盖、提升用户感知。但是，不同组合下天线的参数权值超过万种，因此在5G的规划、优化中，快速选择正确的覆盖方案，能够大大节约时间，减少错误。本文主要介绍了beam相关原理及实现方式，并通过对淮南金地国际城楼宇仿真验证，在一层、三层、六层，即对于一般的板式居民楼（总高六层），通过分析室内的上下行速率，#6#2与#3#3#2在覆盖与干扰方面差异不大。对于高层居民楼，分析了十一层、二十二层的高度，通过分析室内的上下行速率，#6#2与#3#3#2在覆盖与干扰方面差异较大。由于#3#3#2的垂直半功率角较大，使得楼宇的高层有更好的覆盖，更小的干扰：BeJnSet#3#3#2能够为高层提供更强的主控信号，有效减少了高层居民楼信号杂乱、干扰较大的现象，通过修改天线权值，更改天线的beamset,可以达到提升高楼用户体验的效果。仿真效果可供大多数场景应用参考、借鉴，更加认识到5G覆盖优化当以波束优化为主，RF优化为辅。详细创新成效如下：/创新成效一：5G覆盖优化以波束优化为主，RF优化为辅，主要是通过SSBPaUern和数字方位角、下倾角的优化，来使用户获取更加合理的覆盖，减少干扰；/创新成效二：场景化的波束Patlern规划满足不同的场景需求，不同场景使用不同波束提升覆盖，涉及水平和垂直半功率角合理化配置：/创新成效三：使用水平多波束、垂直多层SSB波束提供立体覆盖，能有效覆盖高层居民楼场景。现网波束配置建议：Ig盖区域水平张优化手段基中UbBL75-150度30-75度密盖区域垂直高度无站下填充宪求（AU挂高<15m）有站下填充需求（AAU挂高>15m）先站下填充需求（AAU挂高<15m）有站下填充宪求（AAU挂高>15m）仅（疑覆盖需求（9层以下）$4/$6$4#2$2$2#2有高层覆盖需求（9层以上）*2$4#2$2#2$2#2备注90度张角，引弋表主力覆靛层40度张角，S代表主力覆盖层说明：_L90度张角波束集使用水平4波束作为主力覆盖层用于扇区覆盖：40度张角波束集使用水平2波束作为主力覆盖层用于特殊场景（如楼宇等）覆盖：±主力覆盖层数字下倾6度：±超过15米的站点使用2波束做站下填充，提升3/4流比例;，根据实际覆盖需求增加高层和超高层波束。