5G优化案例：5G波束赋形场景化应用研究

1、5G波束赋形场景化应用研究XX无线维护中心XXXX年XX月 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 研究背景 3技术原理 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1波束原理介绍 32波束赋形原理介绍 12 HYPERLINK l bookmark142 o Current Document 3广播波束场景化 23 HYPERLINK l bookmark148 o Current Document 高楼场景适用性研究 27 HYPERLINK l bookmark150 o C

2、urrent Document 1仿真方法 27 HYPERLINK l bookmark152 o Current Document 2仿真区域 27 HYPERLINK l bookmark154 o Current Document 3仿真结果 29 HYPERLINK l bookmark182 o Current Document 4仿真小结 35 HYPERLINK l bookmark184 o Current Document 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 5G NR满足增强移动宽带(eMBB).超高可靠低时延(URLLC)以及

3、大规模机器类通 信(mMTC)三大场景技术需求的核心技术。木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、CS1R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】MaSSiVe MIMO、波束赋形、BeamfOrming 5G【业务类别】优化方法、5G NR一、研究背景MaSShe MIMo和波束赋形(Beamfonniilg BF)是5G的一项关键技术。5G将LTE时期的MIM0进

4、 行了扩展 和延伸，LTE的MIM0最多8天线，到5G扩增为16/32/64/128天线，被 称为“大规模”的 MIMOo MaSSIVe MIM0波束赋形(BeamfOrmmg BF)二者相辅相成，缺 一不可。MaSSiVe M1MO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 MIMO就是大量天线的 波束oMaSslVe MD10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：o MaSSiV

5、eMIMO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。八技术原理2? 1波束原理介绍2.1.1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

6、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。0旱环吊W吊冷辟双阵子波束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；速度二波长X频率（即C=Af ）electric fieldmagnetic field2）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plane of polarizationtransmission dircclion线性极化:/电场方向始终处于同一个平而内一圆极化：/电场有两个完全相等

7、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P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(a) linear POIariZation (b) CilcUlar POlariZatiOn (C) elliptical POIariZatiOII3）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，

8、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 (azimU th)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，如下图所示片片餐干半波振子2) 3GPP38. 901 定义的 RadiatOr Pattern:RadiatOr Pattern15?20-25-30ParameterVeniCal CUt Ofthe radiation power Pattem (dB)Phi for Horrizonttl DegreeValUeSr /r QAO V* LAvJomwUSyaa 1MVWi

9、th 0 咖=65 : SL4、二 30 dB and Cf e 0 , 180cHOriZOntal CUtOfthe radiatiOn power Pattern (dB)W = 90o ,矿尸-min12,With %B =65 wx= 30 dBand 八e-180M80 3D radiation POWer Pattern (dB)心（化矿）=-min -心，矿=00 ） + 必 0 二 90。，外8dBiLtaXimUm directional gain Ofan antenna element GExh30-25 一 25-20 : -20-15 P -15T0 ? 10-5

10、旷 S-03)赫兹偶极子(HertZ DiPOle) Pattern :PatternGain ,0) - 10 ?lgsiri ( 0)-cos2( e)0-510152025130HertZ DiPOIe PatternPhi for HOrriZOntal DegreeCJ uJ8a Q T52tf230-25? 25-20 三一 20 15 ? -15 10 三 TO 5 ? 50 天线阵列(Antenna Array):/某5G AAU-A 模块工作在NR 3. 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:TX2 /J94505M62x4)T

11、X4T X4r XK X58X XT X59H HX6O35465768xxxxxxxxk xm 534254g55涔xxxxxx 74TXS xxxxxxxxxxxx TX3CTX3TX3 itx9txxtAAU-9 TxX50TX3TX5TXx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/某5G AAU-B模块工作在MR 3. 5GHz频段，16个TRX, 192个天线单元，总功率200W。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。XXXXXXXXXXXX

12、xxxxxxxAx xxxxxxxxxHxXXXXXXsxxxxxXXXXXXXXXXX xxx xxx xxxTX8J十xl3Txloxxx xxxxxx6G AAU-B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：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二GGPta.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；A2(4/ZF/为了弥补高频带来的功率损耗，采用频率增加的同时增加每

13、个极化方向辐射单元的数量1GHz: N=I 2GHz: N=40.5 入=15cm 1 A =15cm4GHz: N=162 入=15cin5x波束(BeimCi)束集(BgnI Set)OndBi32GHz: N=102416 入=15cm,M Mr , C r L*l波束宽度频率升高-天线单元尺寸下降- 天线单元数量增加- 天线的波束宽度减小天线增益增大1GHz: N=I0. 5 X=15cm32GHz: N=102416 入二 15cmT20o2人1X-304GHz: N=162 人=15cm2GHz: N=4I 1 X=15cmLPenC:4。水平和垂直波束宽度波束增益/每个Beam的

14、Beam Pattern中给出了每个水 V:方向角p和垂直方向角0上的BeamGain(:B ) :- 4)G -90,90 ,0 e 0,180/这个aBeamGain指由于天线赋形带来的阵列增益(Array Gain),不包含天线单元Radiator木身的增益，但包含了 96个天线的能量叠加带来的增益(I0Tg(96) 19. SdB )、以及交义极化带来的3dB增益;天线阵列所以在计算E1RP的时候:EIRP ( (p, 6) = PJB伽 m + BeamGain ( (p,6) + RadiatorGain - 10 1g (96) 3AARea1BeamGain (pt 0)基于真

15、实天线单元实测 Pattern仿真出来的BealllPattern中的BeamGain己经包含了RadiatOrGain,在上述公式中不需要再加。1.4 5G与LTE天线指标对比 5G和LTE天线增益对比/ 5G的天线方向图是所有窄波束方向图的包络，水平半功率角达到120度，垂直半功率角达到22度，天线增益也远大于LTE:/ 5G的天线方向图与LTE的天线方向图存在很大差别：5G不同的波束集对应不同的天线增益和天线方向图。5G水平方向4G水平方向5G%ft方向4G垂宣方向工作频段(GHZ) 增益(dBi) 水平半功率角 垂直半功率3.55（包含赋形增益）120角1.8/1.9/2. 11765

16、222? 2波束赋形原理介绍2. 2.1波束赋形定义波束赋形左义/波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，波束赋形通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束,从而能够获得明显的阵列增益。/从不同天线发射的电磁波会在空中相互叠加或抵消。通过改变每个天线的相位和幅度（权值）可以实现不同的方位上进行叠加或抵消 -即调整波束样式。/理想情况下所有天线上发射的信号应该在到达特泄用户的接收天线时拥有完全相同的相位，产生叠加的效果。为达到这一目的，需要精确的系数来确左波束的正确方向，如果信息不全将会导致波束赋形无法达到最优效果。波束赋形示意图波束赋形实现方式SRS信号获取信道信息主要是利用

17、/ 4G主要采用信道估计来实现：发射端通过发送上行TDD信道互益性（上下行拥有相同的信道特性），然后基于信道信息计算波束赋形的权值/八7 11A J J JTDD的信道互 益0 ? Ki?力，？孙?)? d? 1008 dipoles SeParated by入/ 20 -in d ?川七? w ?x .10 数字波束赋形“数字波束赋形的幅度和相位权值作用于基带（中频）信号，即发射端工作于进入DAC之前，接受端 工作于ADC（模数转换器：AnalOg to Digital COnVerter ）之后。因此，要求天线阵列数与 射频（RF）链一一对应，即 每条RF链路都需要一套独立的DAC/ADC

18、.混频器、滤波器和功放器。/通过CPR1接口和BBU相连的6GHz以下RU支持时域数字波束赋形，波束赋形通过 GOB和UE反馈的 方式在下 行功放前或上行功放后为每个 TRX分配权值实现；即波束赋形的权值在前传和 TRX之间 实现：/在LTE中数字波束赋形是默认的实现方式；/波束赋形的权值在R1I内实现，波束的选择由RAU决龙。Iyjv2W；数字波束赋形原理图模拟波束赋形/模拟波束赋形技术将幅度和相位权值作用于模拟信号，在发射端，数字信号（RF链）经过DAC（数模转换器：Digital to AnalOg COnVerter ）之后先由功分器分解为多路模拟信号之后再 赋形；在接收端， 多个天线

19、阵子的模拟信号先合并（合路器）之后再进入ADC （模数转换器： AnalOg to DigitalCOnVerter）。由于多路模拟信号共用一套 DAC/ADC,功分器和混频器，整 个系统的功耗就显著下降。同时， 功放器和滤波器可以细化到每一个阵列，可以采用小功率，但线性度更好的器件来代替。/在模拟波束赋形中，每个极化方向只有一个 TRX,为RU集成了相控阵天线来支持6GHz （28GHz / 39GHz）以上的波束赋型：模拟波束赋型通过使用射频集成电路（RFIC）在 功放 和天线之间赋予上下行权值实现赋形。即波束赋形在 TRX和天线之间实现：/模拟波束赋型不支持细波束,因此不需要用于波束管理

20、的CSl-RSa混合波束赋形技术/ HBF是一种既含有数字预编码也含有模拟预编码的混合式波束赋形系统结构，可以支持多用户M1M0通信。整个波束赋型分为两个阶段：首先数据流会在时域做预编码形成和TRX数量同样多的时域数据流，然后做时域的模拟波束赋型。示意图如下：AnAIog IrccOder V elfDigitalPrecoderV v Dig混合波束赋型/英中VDig?为数字域的预编码矩阵，其包含了相位和幅度的调整，VRF为模拟域的预编码矩阵，只有 相位的调整。经研究表明，对于单用户 MIMO,如果每个阶段RF Chjn的数疑大于两倍的数据流 数，则可以达到和数字波束赋 型类似的性能。/ H

21、BF是ABF和DBF方案的折中，HBF的优点是：在搭建系统所需要的模拟移相器不需要 ABF那么 多，数字传输 所需的TXRU也不需要DBF那么多，一定程度上降低了硬件实现复杂度。鱼缺点 是：在多用户多流的通信中，流间干扰的抑制性能较DBF会有一左性能损失/对于中频段大规模天线，一般采用 DBF （数字波束赋型）使得波束更切合信道的实际状况，即波束具有更高的精度和分辨率。也可以采用 HBF （混合波束赋型），对一些特殊场景降低 RF的成本。例如，首先，多用户多流数据首先经过数字域的波束赋形技术实现对水平维度预编码；英次，完成数字预编码后的多路数据再经过模拟预编码模块实现在垂直维度的划分子扇区，最

22、终实现多用户多流通信。/对于高频大规模天线，一般采用模拟波束赋形或者混合波束赋形。如果采用混合波束赋形，在数字部分做幅度和相位的调整，在模拟部分只做固定相位调整。从而一方而保证波束的增益，另一方而支持更多的数据流数。2. 2. 3波束细分在GOB模式下，特别是针对6GHz以下且SSB数量较少时，AB通过波束细分可以增强单用户的上 下行 S1NR,并且降低使用相同时频资源IJE之间的干扰，比如MU-MIMO的情形。波束细分需要基站发 送CSI-RS给UE 进行测量，并且为一个SSB对应的多个细波束的CSI-RS分配不同的天线端口:支持每 个SSB对应4个细波束。2. 2. 4波束管理 CSI-R

23、S用于波束管理/波束细分（6GHz以下）时需要为每个粗波束 （SSB波束）分配相应用于波束管理的 CSl-RSe用于波束管理的CS1-RS位于相应SSB波束所在的时隙，并共享时域符号位卷；/用于波束管理的CS1-RS在频域上可以位于SSB的上方或下方，将会调度给相应 SSB波束下的所有UEo下行波束选择/根据3GPP38. 802下行波束选择分为3个主要步骤Pl、P2和P3:/ P1:粗扫描，基站使用少量的宽波束覆盖整个小区，并依次扫描各宽波束对准的方向P2:细扫描，基站利用多个窄波束逐一扫描己在粗扫描中被宽波束覆盖的方向。对单个用户而言，尽管此时的扫描波束变窄，但所需扫描的范围却己缩小，扫描

24、次数便相应减少。在宽波束对准的基础上，基站只需继续细化扫描与各用户有关的 4个窄波束，基站 改善了对准每个用户的波束方向的精度，所建立的无线通信连接质虽得到提高；P3:基站使用少量的宽波束覆盖整个小区，终端波束细化同步扫描测量基站最强波束2. 2? 5波束扫描在下行过程中，基站依次使用不同指向的波束发射无线信号，该过程被称作波束扫描(Beam SWeePing);与此同时，用齐测虽：不同波束发射出的无线信号 (Beam measurement)并第2处共37页向基站报告相关信息(Beam reporting);基站根据用户报告确定对准该用尸的最佳发射波束(Beam determination)

25、 SS block 块组(burst Set):多波束扫描/在一个SS/PBCH块组内，每个波束按照其索引号顺序映射到连续的SS/PBCH内：/波束索引号从0到L-1编号,L为每个SS/PBCH块组内的最大SS/PBCH数：/初始化时，波束0固左映射到包含SS/PBCH的无线帧的第一个 SS/PBCH:/ SS BlOCk块组内的SS/PBCH数量等于波束的数量SS BUrSt SetSSblock? SS blockSS blockSS block 2SS block 3SS blockSS SS block blockSS block 3SS block T.SS BUrSt Set通过波

26、束扫描，在一个 SS block块组时间内实现对小区服务区域实现全覆盖2. 2. 6波束跟踪实现波束跟踪需要UE测量CSI-RS或SSB的RSRP并通过UCI上报给基站：/关闭细波束时，终端 需要上报两个 最强的SSB测量结果(SBRI-RSRP) : /激活细波束时，终端需要上报两个最强的 CSI-RS测量结果(CR1-RSRP) o当测量到的非服务波束 RSRP(滤波后)强度大于服务波束一左门限后会执行波束更换。基站可能会通过波束更换指示(BCI)通知*5G-UE需要更换服务波束。2. 2. 7波束恢复当发生波束失败时，基站可能无法再使用原来的最优波束和UE进行通信，这时需要通过一泄的 方

27、式重新建立连接。波束恢复流程:/ 5G-UE探测到波束异常，比如上行数据 NACK或下行数据中断:? 5G-UE测量到源波束RSRP低于特左门限:? 5GUE没有收到BC1 （波束更换指示）。/ 5G-UE重新测量最强波束：/ 5G-UE任测量到的最强波束上发起随机接入；/在新波束上恢复上下行业务。NPRACH3广播波束场景化波束配宜和基础波束配置/用于配宜小区波束的所有相关参数组成一个波束配宜。波束配置的核心参数为波束在角空间内的排列方式，但不包含波束的具体方向和角度。以这种方式左义的波束分布称为基础波束配置:?基础波束配由行列两个维度组成?每一行的列数不一定相同?波束的总数应小于等于最大S

28、SB数量/基础波束配置使用专用术语来左义：每行的列数由后而的数字表示：行数按从上到下的顺序计数，即第一行为下倾角最小的波束，最后一行为下倾角最大的波束。例如:基础波束配置#4#4表示波束分为两行，每行4个波束3个波束，最下方一行包含基础波束配置#3#3#2表示波束分为3行，最上而一行和中间行包含2个波束基召出波束酉己彗集#4#4基础波束西己置集#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:Beni Pa tternBeaml# SSB beamsAzimuth 0PenIng angles1 row01453 -4 5 Ox 601-6070-0#224 5% -4

29、5 ro-o-o-o#4445% -4 5 ko-o-o-o-o-o6#884 5 : -4 5 L 2 rows00-CH) o-o-o-o#4 #4045%o-o-o-o-o 0-0-0#5 #38?C&O o ?-so o-o-o-o-o-o o-o#6 #283 rows :0-01-00-0-0o-o*3 #3 #2845 -4 5 OX4rowso-o00 ooo-o#2 #2 #2 #2820% -200 X 45 r-4 SOL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: Beam Set #6#2水平波宽垂直波宽举例 2:

30、 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1仿真方法5G mMIMO可以通过对不同beam Set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beam set#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

31、过精细仿真，对比两个不同的beam Set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，8 9两栋楼楼高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best SerVer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beam Set可以研究不同的beam set对于该居民楼的 覆盖影响情况。仿真评估区域:仿K ?基站信息:Cell NameAZimUth站高HN-市区-前锋社区-5G-11027米HN-市区-前锋社区-5G-2

32、12027米HN-市区-前锋社区-5G-323027米仿真楼宇截图:3. 3仿真结果楼宇beam Set #6#2和#3#3#2仿史I?对比结果：5G 室内浅层(L 5m) (ThrOUghPUt UL &DL)覆盖对比：beam set #6#2beam set #3#3#2上卜行速率对比ThrOUghPUt IJL(1.5m IndOOr)1009。80700050403。2010#6片2ThrOUghPUt DL(1.5m IndOOr)DZEO叼 5090吕金幺卜*60 5G 室内浅层(4 ? 5m) (ThrOUghPUt UL &DL)覆盖对比：beam set #6#2beam

33、set #3#3#2.尸产L-1_ W gaaf h、1*itIy 一I-10上下行速率对比:ThrOUghPUt UL(4. 5m IndOOr)?3#3#2#6甘2ThrOUghPUt DL (4. 5m Indoor)boo 0 000 (-、OOQOOQOSS00Qy9000二二。、OOOOeg062( - PSM 9000ioz00Q0H9#6#2#3#3#25G室内浅层（16. 5m) (ThrOUghPUt UL &DL)覆盖对比:beam Set #6#2beam Set #3#3#2上下行速率对比:ThrOUghPUt IJL(16. 5m IndOOr)ThrOUghPUt

34、 DL(16. 5m IndOOr)g 2 S 8 ? ? 2 金 5 9 ? 2 *亍卡 5 2 S S ? ? 2 S S ? S三 /2 分 2 % S ?2 8 8 ? ?三fHTTTTtNZfszzEFEfnmkPkkWsirsensggvogg 卜、g 卜卜 880030DCGG一#6? W%25G 室内浅层(34. 5m) (ThrOUghPUt UL &DL)覆盖对比:beam Set #6#2beam Set #3#3#2上下行速率对比:ThrOUghPUt UL(37. 5m Indoor)12080604020055,COO 60,0005,000 10 r00015,0

35、00 20,000 25,00030,COO 35,000 40,(X)045,000 50,3#2120ThrOUghPUt DL(34. 5m IndOOr)100LflflZCNZZClfOEEanp uD00000 0 C 2N r? S R 8 OC 8 G 63s8S?SS 4SSS6S2 八一8302 5G 室内浅层(67 ? 5m) (ThroUghPUt UL &DL)覆盖对比:上下行速率对比:beam Set #6#2beam Set #3#3#2ThrOUghPUt UL(67. 5m IndOOr)90807060501030205Q8 i (X0o0 25-020, 0002s严030产035, 00010, 000Gtt233#2ThrOUghPUt DL(67. 5m IndOOr)3. 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