基于波束管理的5G小區(qū)邊緣波束上行速率抖降研究

　　【摘 要】5G的業(yè)務(wù)類型及部署場(chǎng)景復(fù)雜，不同應(yīng)用場(chǎng)景下速率需求不同，5G可通過(guò)NR波束管理或調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化。從5G關(guān)鍵特性波束管理基本原理出發(fā)，結(jié)合廣州塔央視5G高清4k直播遇到的上行速率抖降問(wèn)題，分析驗(yàn)證并確定小區(qū)邊緣弱覆蓋優(yōu)化方案，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證方案的可行性。

　　【關(guān)鍵詞】波束管理;加權(quán);上行速率下降

　　《長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》以鄧小平理論和“三個(gè)代表”重要思想為指導(dǎo)，堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，開拓進(jìn)取，為通信技術(shù)教育、高等職業(yè)教育服務(wù)，為建設(shè)小康社會(huì)服務(wù);本刊從行業(yè)特色、科學(xué)特色、地域特色三方面體現(xiàn)本學(xué)報(bào)的辦刊特色;本著立足本院、對(duì)外開放的辦刊原則，本刊熱情歡迎校內(nèi)外各方人士惠賜稿件。

　　0 引言

　　移動(dòng)性是歷代移動(dòng)通信系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，該指標(biāo)表示在滿足一定系統(tǒng)性能的前提下，通信雙方最大相對(duì)移動(dòng)速度。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)需要支持飛機(jī)、高速公路、城市地鐵等超高速移動(dòng)場(chǎng)景，同時(shí)也需要支持?jǐn)?shù)據(jù)采集、工業(yè)控制低速移動(dòng)或非移動(dòng)場(chǎng)景。因此，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要支持更廣泛的移動(dòng)性。

　　1 波束管理原理簡(jiǎn)介

　　1.1 靜態(tài)權(quán)和動(dòng)態(tài)權(quán)

　　Massive MIMO有兩種加權(quán)方式：一種是靜態(tài)權(quán)，另外一種是動(dòng)態(tài)權(quán)。

　　(1)靜態(tài)權(quán)：靜態(tài)波束對(duì)應(yīng)的權(quán)值。UE反饋SSB索引或者CSI-RS索引，gNB通過(guò)索引與波束ID的映射關(guān)系，獲得靜態(tài)波束權(quán)值。

　　(2)動(dòng)態(tài)權(quán)：SRS權(quán)或者PMI權(quán)。gNB通過(guò)SRS測(cè)量的信道估計(jì)獲得SRS權(quán)，通過(guò)UE上報(bào)的PMI反饋獲得PMI權(quán)。

　　UE在移動(dòng)過(guò)程中，控制信道和廣播信道采用預(yù)定義的權(quán)值生成離散的靜態(tài)波束，各信道在每TTI都會(huì)選擇各自的最優(yōu)波束。因此在移動(dòng)中UE可能會(huì)有靜態(tài)波束切換更新。

　　C-BAND的AAU以64T64R為例，架構(gòu)如圖1所示。對(duì)于靜態(tài)波束，在基帶做數(shù)字加權(quán)。波束管理的范疇只涵蓋靜態(tài)權(quán)，即靜態(tài)波束的管理。

　　波束管理具體包括波束掃描、波束測(cè)量、波束識(shí)別、波束上報(bào)和波束故障恢復(fù)等方面。

　　1.2 波束掃描

　　波束掃描是指在特定周期或者時(shí)間段內(nèi)，波束采用預(yù)先設(shè)定的方式進(jìn)行發(fā)送和/或接收，以覆蓋特定空間區(qū)域。

　　為了擴(kuò)大波束賦形增益，通常采用高增益的方向性天線來(lái)形成較窄的波束寬度，而波束寬度窄容易產(chǎn)生覆蓋不足的問(wèn)題，尤其在3扇區(qū)配置的情況下。為了避免這個(gè)問(wèn)題，可以在時(shí)域采用多個(gè)窄波束在覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掃描，從而滿足區(qū)域內(nèi)的覆蓋要求。采用波束掃描技術(shù)，波束在預(yù)定義的方向上以固定的周期進(jìn)行傳送。

　　1.3 波束測(cè)量

　　波束測(cè)量是指gNB或者UE對(duì)所接收到的賦形信號(hào)的質(zhì)量和特性進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程。在波束管理過(guò)程中，UE或者gNB通過(guò)相關(guān)測(cè)量識(shí)別最好波束。

　　下行方向上，3GPP定義了基于L1-RSRP的波束測(cè)量上報(bào)過(guò)程，以支持波束選擇和重選，該測(cè)量可以基于SSB或者分配給UE的CSI-RS。采用L1-RSRP的考慮是，為了進(jìn)行快速的波束信息測(cè)量和上報(bào)，測(cè)量將基于L1進(jìn)行，而不需要L3的濾波過(guò)程。傳統(tǒng)的L3 RSRP由高層上報(bào)，而5G中的L1 RSRP直接在物理層報(bào)告，因此其可靠性和信道容量都比較重要。

　　上行方向上，測(cè)量則基于SRS(探測(cè)參考信號(hào))進(jìn)行。SRS用于監(jiān)測(cè)上行信道質(zhì)量，由UE發(fā)送，gNB接收。UE可配置多個(gè)SRS用于波束管理，它們包含1到4個(gè)OFDM符號(hào)，占用分配給UE的部分帶寬進(jìn)行傳送。

　　1.4 波束確定

　　gNB或者UE選擇其所使用的Tx/Rx波束。下行波束由UE來(lái)確定，其判決準(zhǔn)則是波束的最大接收信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)大于特定的門限。上行方向上，移動(dòng)終端根據(jù)gNB的方向傳送SRS，gNB對(duì)SRS進(jìn)行測(cè)量以確定最好的上行波束。

　　如果gNB側(cè)能夠根據(jù)UE的下行波束測(cè)量結(jié)果來(lái)確定上行接收波束，或者gNB側(cè)能夠根據(jù)上行接收波束的測(cè)量結(jié)果來(lái)確定下行發(fā)送波束，則gNB側(cè)可認(rèn)為Tx/Rx波束是一致的。

　　同樣，如果UE側(cè)能夠根據(jù)UE的下行波束測(cè)量結(jié)果來(lái)確定上行發(fā)送波束，或者UE能夠根據(jù)UE的上行波束測(cè)量結(jié)果來(lái)確定UE的下行接收波束，且gNB支持UE的波束一致性相關(guān)的特性指示信息，則UE側(cè)可以認(rèn)為Tx/Rx波束是一致的。

　　1.5 波束報(bào)告

　　確定最好波束后，UE或者gNB將所選擇的波束信息通知給對(duì)端。另外，gNB和UE側(cè)還需要進(jìn)行波束錯(cuò)誤恢復(fù)等相關(guān)工作。使用多波束操作時(shí)，由于波束寬度比較窄，波束故障很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)和終端之間的鏈路中斷。當(dāng)UE的信道質(zhì)量較差時(shí)，底層將發(fā)送波束失敗通知。UE將指示新的SS塊或者CSI-RS，并通過(guò)新的RACH過(guò)程來(lái)進(jìn)行波束恢復(fù)。gNB將在PDCCH上傳送下行設(shè)定或者UL許可信息，來(lái)結(jié)束波束恢復(fù)過(guò)程。

　　2 案例分析

　　2.1 問(wèn)題概述

　　央視新媒體實(shí)驗(yàn)室協(xié)同廣州電信共同完成4k高清直播，地點(diǎn)選定在廣州塔，采用游船的拍攝方式。演示業(yè)務(wù)類型為視頻回傳，無(wú)線側(cè)通過(guò)CPE連接5G基站，再到核心網(wǎng)，并通過(guò)專線，整條鏈路打通5G網(wǎng)絡(luò)，將拍攝內(nèi)容回傳至北京演播大廳。

　　本次演示首次接入5G SA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動(dòng)性場(chǎng)景嘗試，涉及站內(nèi)小區(qū)，站間切換等調(diào)試業(yè)務(wù)，此前CPE均在定點(diǎn)進(jìn)行演示，未涉及移動(dòng)性場(chǎng)景，難度較大。站點(diǎn)部署完成后，進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在跨站切換發(fā)生前幾秒，上行速率有抖降現(xiàn)象，在切換點(diǎn)前速率上行速率下降到50 Mb/s以下，演播廳回傳畫面出現(xiàn)花屏。

　　2.2 問(wèn)題分析

　　(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

　　業(yè)務(wù)演示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

　　(2)站點(diǎn)分布

　　如圖3所示，主用南岸搬遷2扇區(qū)+電視塔室外1扇區(qū)滿足覆蓋。

　　(3)測(cè)試分析

　　分析測(cè)試log發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題并不是切換產(chǎn)生，而是切換前就已經(jīng)有速率下降現(xiàn)象，同時(shí)上行MCS同步下降，上行SRS和DMRS RSRP在掉坑點(diǎn)都陡降10 dB以上，上行SRS和DMRS SINR也是陡降10 dB。

　　(4)速率分析

　　此時(shí)最優(yōu)2波束一直在變化，概率是0/32波束，已經(jīng)在小區(qū)邊緣(水平負(fù)60°以外、垂直負(fù)10°以外)，超出小區(qū)覆蓋范圍，波束落入衰落點(diǎn)的概率加大，進(jìn)而速率陡降。

　　2.3 原因定位

　　華為現(xiàn)版本產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)是上行PMI靜態(tài)權(quán)值波束，不如下行基于用戶移動(dòng)的動(dòng)態(tài)權(quán)值波束變換，因此超出覆蓋水平正負(fù)60°，垂直正負(fù)10°，上行峰值速率就會(huì)受損。

　　2.4 處理方案

　　如圖4所示，增加主覆蓋小區(qū)到三個(gè)，精準(zhǔn)控制覆蓋，避免用戶移動(dòng)到最佳波束覆蓋范圍外。

　　2.5 成效

　　優(yōu)化后，如圖5所示，RSRP在航線上穩(wěn)定在-95 dBm以上，演示航路上平均SINR為19 dB左右，SINR覆蓋良好，演示航段速率基本穩(wěn)定在50 Mb/s以上，能夠滿足央視視頻直播回傳的需求。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)5G上行大帶寬需求，需提前結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景需求，保障重點(diǎn)區(qū)域覆蓋情況，盡量避免水平和垂直夾角過(guò)大的場(chǎng)景。建議可以配合廠商5G智能仿真預(yù)估覆蓋情況和測(cè)試效果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，確定最終的網(wǎng)絡(luò)部署方案。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 薛青. 下一代毫米波網(wǎng)絡(luò)波束資源控制和管理技術(shù)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2018.

　　[2] 柯翔敏. 基于波束賦形技術(shù)的無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2019，36(1)： 170-173.

　　[3] 堯橫. MIMO系統(tǒng)中波束成形和檢測(cè)器技術(shù)的研究[D]. 北京： 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 2013.

　　[4] 高秋彬，孫韶輝. 5G新空口大規(guī)模波束賦形技術(shù)研究[J]. 信息通信技術(shù)與政策， 2018(11)： 14-21.

　　[5] BJ?RNSON E， HOYDIS J， Kountouris M， et al. Massive MIMO Systems With Non-Ideal Hardware： Energy Efficiency， Estimation， and Capacity Limits[J]. IEEE Transactions on Information Theory， 2013，60(11)： 7112-7139.

　　[6] MARZETTA， THOMAS L， LARSSON， et al. Fundamentals of Massive MIMO || MULTI-CELL SYSTEMS[Z]. 2016.

　　[7] 徐嘯濤，陳麗琴，朱燕. 一種自適應(yīng)波束賦形的大規(guī)模MIMO信道估計(jì)方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2018，35(4)： 199-202.★