5G优化案例5G波束场景优化改善居民区深度覆盖研究与实例.docx
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5G优化案例5G波束场景优化改善居民区深度覆盖研究与实例
5G波束场景优化改善居民区深度覆盖研究与实例
XX
5G波束场景优化改善居民区深度覆盖研究与实例
XX
【摘要】传统MIMO天线阵列波束赋形只能通过利用水平维度信息来改变期望方向波束主瓣的指向,而3DMIMO场景下天线阵列可以有效的利用水平和垂直两个空间自由度使得波束主
瓣的指向性更加精确和灵活。
面对日益增加的用户通信容量和网络流量需求,3DMIMO场景下波束赋形技术为解决城市高层楼宇网络覆盖以及广场场景多用户流量需求提供了有效的方法。
本文通过对波束场景差异化设置,现场测试及验证了不同波束场景对居民区水平与垂直方向的实际覆盖情况,根据测试结果给出相应的指导性优化建议,最后利用建议解决了5G居民区用户投诉处理实例,效果良好。
本文的测试与研究结果可以为后续针对用户投诉处理和居民区MR弱覆盖等问题处理提供参考。
【关键字】波束扫描、不同场景、高层楼宇
【业务类别】5G
一、背景
中国铁塔技术部总监在2019通信产业大会暨第十四届通信技术年会上表示:
“相比4G时代的70%,5G时代室内流量占比高达80%。
”居民区楼宇室内覆盖将是5G的重中之重。
然而,在5G初始阶段,5G主要依靠宏站覆盖道路和部分高价值居民区楼宇,且使用的主流是频段3.5GHz,频率远高于4G的1.8GHz和2.1GHz,室外宏站的信号难以穿透建筑物。
从目前XXLTE网络投诉分布中分析,中高层用户网络投诉占较大比重。
目前解决中高层用户的网络使用感知主要通过新建室分系统或小区滴灌。
但由于协调周期,建设周期较长、建设成本较高等因素导致短期内无法解决用户的上网需求。
为了解决5G网络中高层分布用户业务使用问题,本文通过研究波束赋形(Beamforming)技术改善高层居民区的深度覆盖。
掌握波束赋形的覆盖特性,根据其覆盖特性将研究成果应用到实际网络中,解决网络中高层深度覆盖问题。
二、NR中的波束赋形技术
波束赋形(Beamforming)技术,即通过调整多天线的幅度和相位,赋予天线辐射图特定的形状和方向,使无线信号能量集中于更窄的波束上,来增强覆盖范围和减少干扰。
5G频段更高,尤其是毫米波频段,覆盖范围更小,为了增强5G覆盖,波束赋形应运而生。
波束赋形方向可控,可跟随移动的终端调整波束方向。
在非视距(NLOS)场景下,波束赋形还可利用波束的反射或折射让信号抵达终端。
但是,由于终端经常处于移动状态,高频信号(尤其是毫米波)又易受无线环境影响,比如被建筑物、雨水等阻挡,很容易导致波束信号无法抵达终端。
因此,为了确保连续的无缝覆盖,需要基站侧尽可能在不同的方向上发送多个波束。
要管理多个波束,就需要波束管理技术。
波束管理主要包括四个步骤:
1)波束扫描(Beamsweeping):
在波束覆盖范围内,根据预定义的时间间隔和方向发送和接收一组波束。
波束扫描是波束管理的第一步。
gNB(5G基站)在不同的空间方向上发送m个波束,UE(终端)在n个不同的接收空间方向上监听/扫描来自gNB的波束传输(因此总共有m*n次波束扫描)。
基于波束扫描,UE确定波束的信道质量,并将信道质量信息上报给gNB。
周边建筑物,天气情况,UE移动速度和方向,甚至手持UE的方式等都会影响波束信道质量。
gNB收到波束质量信息后,会基于上报的波束质量状况调整各种配置参数,比如调整波束扫描周期、切换门限判决等。
整个波束扫描过程采用穷尽搜索法,就是指先为UE和gNB在整个覆盖角度空间预定义方向码本,然后按顺序遍历发送/接收同步和参考信号。
如下图所示,一个波束组可以包括8个不同空间方向的波束,UE基于接收到的波束参考信号(BeamReferenceSignal)来确定波束索引(波束1-8)。
2)波束测量(Beammeasurement):
评估接收信号的质量,评估指标包括RSRP(参考信号接收功率)、RSRQ(参考信号接收质量)、SINR(信号与干扰加噪声比)等。
UE通过测量每一个波束的接收功率或质量来选择波束。
波束接收功率参数为BRSRP,即波束参考信号的接收功率
3)波束决策(Beamdetermination):
UE根据波束测量选择最优波束(或波束组),比如测量的BRSRP值最高的波束。
如下图所示,本例中UE选择了波束6。
4)波束上报(Beamreporting):
当UE选择完最佳波束后,通过执行随即接入过程将波束质量和波束决策信息上报给基站,以实现UE与gNB之间波束对齐建立定向通信。
在波束上报过程中,UE必须等待gNB将RACH(随机接入信道)机会调度到其选择的最佳波束方向上执行随机接入。
因此,若在SA(独立组网)模式下,gNB可能需要再进行一次完整的波束扫描。
若在NSA(非独立组网)模式下,则可以通过LTE连接直接通知gNB。
MassiveMIMO与传统的天线相比,MassiveMIMO通过大量增加天线振子数量,并且用集中性更高的窄波束取代以前的宽波束,并通过波束权值的调整从而可以实现更高的赋形增益,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面临的站址紧张、建站难、深度覆盖难等痛点。
传统的赋形技术只能实现业务信道的赋形,在5G中,广播信道也是采
用窄波束发射,从而实现了控制信道的赋形,使用广播/控制信道覆盖能力更强:
可波束扫描,覆盖增益2.5~5dB。
由此可见,波束赋形的关键在于天线单元相位的管控,也就是天线权值的处理。
广播波束管理优化,主要涉及宽波束和多波束轮询配置以及波束级的权值配置优化。
华为5G支持不同权值赋形的广播波束,增强不同组网场景下广播信道、同步信号的覆盖范围,更好的匹配小区覆盖范围和用户分布,gNodeB支持多种覆盖场景的波束。
运营商可以选择适合自身覆盖需求的波束场景,解决不同组网场景下小区覆盖受限以及邻区干扰问题。
华为定义了17种不同权值组合,水平3dB波宽可设置为105°,110°,90°,65°,45°,25°以及15°垂直3dB波宽可设置为6°,12°以及25°;除了17种典型的权值组合外,还可以根据实际场景自定义权值组合。
系统根据设置的场景调整天线波束形态。
不同AAU类型支持的覆盖场景可通过DSPNRDUCELLTRP命令查询。
该参数仅适用于TDD低频。
实际取值范围:
DEFAULT,SCENARIO_1,SCENARIO_2,SCENARIO_3,SCENARIO_4,SCENARIO_5,SCENARIO_6,SCENARIO_7,SCENARIO_8,SCENARIO_9,SCENARIO_10,SCENARIO_11,SCENARIO_12,SCENARIO_13,SCENARIO_14,SCENARIO_15,SCENARIO_16
三、SSB波束权值分场景现场测试研究
本次SSB(广播波束)权值验证的目的旨在给出典型场景下的5G立体波束的权值建议。
根据现网华为5G站点的覆盖典型情况,选取了高层楼宇的覆盖场景,并分别验证华为RAN
2.1版本支持的几种权值组合的覆盖效果,最终给出典型场景下5G权值建议。
3.1场景选取
根据AAU天线覆盖场景进行筛选。
将接覆盖场景设定在5G站点梁溪区公安分局_4小区,目标覆盖高层建筑为沁园新村小区高层住宅:
860单元-865单元。
地理位置信息:
1.天线高25米;
2.天线距目标建筑之间距离为105米;
3.目标建筑物长180米,高99米。
场景截面图:
场景平面图:
场景地图:
现场勘察:
AAU位置:
工程参数设置:
现场天馈工程参数确定,方位角155度,机械倾角:
2度。
3.2测试方法
测试软件:
ZTEAxon10sPro5G(TP-A2020SP-V2.3.0)分析软件:
T-PhoneAnalyzerfor5GSAV20.20.200723测试方法:
1、后台NRDUCellTrpBeam.CoverageScenario设置为默认场景(水平105°垂直6°);
2、使用Tphone配置FTP下载测试计划,对860至865楼栋单元每隔5层进行CQT测试,记录LOG;
3、后台修改NRDUCellTrpBeam.CoverageScenario为SCENARIO_12(水平110°垂直25°)、SCENARIO_8(水平65°垂直12°)、SCENARIO_16(水平15°垂直25°),依次重复步骤2。
3.3测试分析
3.3.1默认场景(水平105°垂直6°)
垂直面基于数学计算的方案:
站高25米,楼站距105米,垂直6°,计算得到垂直覆盖高度H=25+tan(6/2)*105≈31米;AAU天线主瓣垂直覆盖大致在10层楼左右。
水平面基于数学计算的方案:
楼站距105米,水平105°,计算得到水平覆盖距离
L=105*tan(105/2)≈136米;AAU天线主瓣覆盖水平方向覆盖136米左右。
ØCQT测试楼层占用研究小区(PCI:
313)SS-RSRP(dBm)统计如下:
DEFAULT(水平105°垂直6°)
楼层
860
861
862
863
864
865
33
-105.33
-104.31
-109.20
-105.01
-113.19
-116.95
30
-104.87
-121.44
-106.89
-110.07
-107.75
-112.17
25
-105.04
-106.89
-108.67
-108.22
-105.69
-110.67
20
-99.95
-103.79
-103.32
-102.27
-106.21
-101.04
15
-104.94
-107.10
-102.18
-100.60
-109.39
-107.25
10
-108.03
-110.68
-106.91
-104.21
-99.75
-111.23
5
-102.66
-100.06
-90.62
-105.02
-94.81
-102.51
1
-98.54
-96.55
-98.56
-100.48
-93.41
-91.37
从CQT测试结果来看:
水平层面能较好覆盖860-865楼栋,垂直面主要覆盖中低楼层(1-20楼层),相对来讲20层以上信号覆盖较弱。
ØDT测试结果统计如下:
波束场景
覆盖率(SS-RSRP>=-105dBm&&SS-SINR>=-3dB)
平均SS-RSRP(dBm)
平均SS-SINR
(dB)
下行(FTP层)平均速率(Mpbs)
DEFAULT
100%
-79.55
17.65
712.71
3.3.2SCENARIO_12(水平110°垂直25°)
垂直面基于数学计算的方案:
站高25米,楼站距105米,垂直25°,计算得到垂直覆盖高度H=25+tan(25/2)*105≈48米;AAU天线主瓣垂直覆盖大致在16层楼左右。
水平面基于数学计算的方案:
楼站距105米,水平110°,计算得到水平覆盖距离L=105*tan(110/2)≈150米;AAU天线主瓣覆盖水平方向覆盖150米左右。
ØCQT测试楼层占用研究小区(PCI:
313)SS-RSRP(dBm)统计如下:
SCENARIO_12(水平110°垂直25°)
楼层
860
861
862
863
864
865
33
-98.45
-104.02
-103.44
-101.75
-99.42
-98.81
30
-97.36
-104.74
-99.59
-106.62
-104.74
-106.88
25
-96.82
-99.24
-105.25
-99.23
-95.46
-102.77
20
-98.98
-99.93
-95.48
-98.26
-104.67
-100.13
15
-101.72
-93.78
-101.43
-97.98
-106.28
-98.51
10
-87.95
-119.86
-96.59
-101.66
-92.19
-104.63
5
-103.45
-97.38
-88.90
-95.17
-78.79
-76.64
1
-100.80
-96.58
-100.77
-102.54
-94.11
-78.96
从CQT测试结果来看:
水平面能较好覆盖860-865楼栋,垂直面也能较好覆盖1-33楼层,较默认场景(水平105°垂直6°)垂直方向覆盖改善非常明显。
ØDT测试结果统计如下:
波束场景
覆盖率(SS-RSRP>=-105dBm&&SS-SINR>=-
3dB)
平均SS-RSRP
(dBm)
平均SS-SINR
(dB)
下行(FTP层)
平均速率(Mpbs)
SCENARIO_12
100%
-79.16
18.42
732.43
3.3.3SCENARIO_8(水平65°垂直12°)
垂直面基于数学计算的方案:
站高25米,楼站距105米,垂直12°,计算得到垂直覆盖高度H=25+tan(12/2)*105≈36米;AAU天线主瓣垂直覆盖大致在12层楼左右。
水平面基于数学计算的方案:
楼站距105米,水平65°,计算得到水平覆盖距离L=105*tan(65/2)≈67米;AAU天线主瓣覆盖水平方向覆盖67米左右。
ØCQT测试楼层占用研究小区(PCI:
313)SS-RSRP(dBm)统计如下:
SCENARIO_8(水平65°垂直12°)
楼层
860
861
862
863
864
865
33
(无313)
-113.91
-106.45
-104.23
-106.79
-101.4
30
-105.19
-113.1
-110.21
-100.39
-108.24
-100.84
25
(无313)
-113.21
-95.97
-106.02
-94.12
-108.29
20
-106.71
-98.06
-103.02
-99.26
-98.24
-101.63
15
-105.6
-110.69
-106.7
-95.78
-111.2
-101.99
10
-108.07
-113.33
-100.15
-100.85
-95.41
-102
5
-107.61
-101.83
-97.95
-97.36
-85.06
-72.48
1
-105.96
-100.65
-98.25
-95.55
-87.49
-88.57
从CQT测试结果来看:
水平面能较好覆盖862-865楼栋,垂直面也能较好覆盖1-20楼层,较默认场景(水平105°垂直6°)垂直方向覆盖有所改善。
ØDT测试结果统计如下:
波束场景
覆盖率(SS-RSRP>=-105dBm&&SS-SINR>=-3dB)
平均SS-RSRP(dBm)
平均SS-SINR
(dB)
下行(FTP
层)平均速率(Mpbs)
SCENARIO_8
100%
-79.73
17.55
702.41
3.3.4SCENARIO_16(水平15°垂直25°)
垂直面基于数学计算的方案:
站高25米,楼站距105米,垂直25°,计算得到垂直覆盖高度H=25+tan(25/2)*105≈48米;AAU天线主瓣垂直覆盖大致在16层楼左右。
水平面基于数学计算的方案:
楼站距105米,水平15°,计算得到水平覆盖距离L=105*tan(15/2)≈14米;AAU天线主瓣覆盖水平方向覆盖14米左右。
ØCQT测试楼层占用研究小区(PCI:
313)SS-RSRP(dBm)统计如下:
SCENARIO_16(水平15°垂直25°)
楼层
860
861
862
863
864
865
33
-106
-112.55
-106.42
-103.34
-108.81
-95.95
30
(无313)
(无313)
-110.55
-101.67
-108.35
-103.06
25
-109.4
(无313)
-105.11
-97.63
-97.47
-111.83
20
(无313)
-109.71
-111.04
-103.52
-102.59
-102.44
15
(无313)
-109.6
(无313)
-99.11
-102.5
-108.92
10
-109.77
(无313)
-109.56
-105.24
-98.46
-104.92
5
-105.47
-106.63
-102.24
-98.62
-91.72
-88.95
1
-109.5
-108.41
-100.36
-99.08
-97.44
-91.35
从CQT测试结果来看:
水平面能较好覆盖这些863-865楼栋,垂直面也能较好绝大部分楼层,较默认场景(水平105°垂直6°)水平方向覆盖面有所收窄,垂直方向覆盖面有所改善。
ØDT测试结果统计如下:
波束场景
覆盖率(SS-RSRP>=-105dBm&&SS-SINR>=-
3dB)
平均SS-RSRP
(dBm)
平均SS-SINR
(dB)
下行(FTP层)
平均速率(Mpbs)
SCENARIO_16
100%
-79.84
16.06
712.03
3.4测试总结
综合以上分析,可以得出以下结论:
1、测试得到的不同波束场景下的,覆盖范围和角度与理论值吻合,但覆盖范围略大。
2、高层或超高层(楼高50-100米)覆盖场景在SCENARIO_12(水平110°,垂直
25°)8波束2H4V权值组合下,覆盖效果较好。
3、独栋高层或孤立高层楼宇(楼长30-50米、楼高50-100米)覆盖场景在SCENARIO_16(水平15°,垂直25°)4波束1H4V权值组合下,覆盖效果较好。
4、小高层居民区(楼高20-50米)覆盖场景在SCENARIO_7(水平90°垂直12°)或SCENARIO_8(水平65°垂直12°)权值组合下,覆盖效果较好。
5、城中村、多层居民区(楼高3-20米)覆盖场景在默认场景(水平105°垂直
6°)、SCENARIO_2(水平90°垂直6°)或SCENARIO_3(水平65°垂直6°)权值组合下,覆盖效果较好。
四、利用波束优化改善居民区深度覆盖实例
根据上述研究结果,解决居民区5G用户投诉,提升深度覆盖水平。
【问题描述】
在日常优化工作中,有用户反映在五湖大道雪溪苑A区5G信号差,信号时有时无。
【问题分析】
联系用户现场勘察用户所处位置15层,占用WX5GHTB经开_仙河苑南_[1][4522255][室外]AA
(PCI:
150,SS-RSRP:
-108dBm)。
基站现场勘察:
天线挂高30米,方位角340°,机械下倾角3°,扇区主要覆盖周边居民区和内部道路。
安排对该区域部分楼栋进行摸查CQT测试结果如下:
T0
SS-RSRP(dBm)
SINR(dB)
33号楼
34号楼
40号楼
41号楼
33号楼
34号楼
40号楼
41号楼
18F
-103.52
-101.57
-96.21
-99.63
6.89
7.02
9.19
5.02
15F
-104.07
-103.89
-96.46
-102.67
5.91
4.40
5.92
3.57
10F
-101.38
-113.87
-103.96
-99.24
2.15
-1.25
3.02
3.52
5F
-101.78
-103.15
-105.28
-98.95
5.55
6.50
5.99
7.32
1F
-110.99
-111.25
-113.17
-110.07
-1.61
1.72
0.84
2.75
DT测试结果如下:
基本覆盖率(%)
符合基本覆盖的
采样点数
总采样点数
平均SS-
RSRP(dBm)
平均SS-SINR(dB)
T0
68.29%
168
246
-98.72
6.5
SS-RSRP覆盖轨迹图T0
SINR覆盖轨迹图T0
【解决方案】
1、垂直面基于数学计算的方案:
楼高54米,站高30米,楼站距180米,计算得到垂直覆盖角度=arctan[(54-30)/180]*2≈15°。
2、后台修改NRDUCellTrpBeam.CoverageScenario为SCENARIO_12(水平110°垂直25°)利用主瓣覆盖,改善对高层楼宇的深度覆盖。
【复测结果】
对NR波束覆盖场景参数优化后高层SS-RSRP和SINR指标均有所改善。
回访用户表示问题已解决。
CQT测试结果如下:
T1
SS-RSRP(dBm)
SINR(dB)
33号楼
34号楼
40号楼
41号楼
33号楼
34号楼
40号楼
41号楼
18F
-93.86
-101.30
-99.79
-106.58
10.30
8.85
8.99
6.92
15F
-98.22
-107.56
-94.08
-104.64
15.12
4
- 配套讲稿:
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