5G优化案例5G波束赋形场景化应用研究.docx
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5G优化案例5G波束赋形场景化应用研究
5G波束赋形场景化应用研究
XX无线维护中心
XX
XX年XX月
一、研究背景3
二、技术原理3
2.1波朿原理介绍3
2.2波束赋形原理介绍12
2.3广播波朿场景化23
三、高楼场景适用性研究27
3.1仿真方法27
3.2仿真区域27
3.3仿真结果29
3.4仿真小结35
四、经验总结及推广36
5G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、CSl反馈机制、波朿扫描和波束管理等关键技术:
并对大规模波朿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朿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】MaSSiVeMIM0、波束赋形、BeamfOrming>5G
【业务类别】优化方法、5GNR
一、研究背景
MaSSheMIMo和波朿赋形(BeamfonniiIgBF)是5G的一项关键技术。
5G将LTE时期的MIMO进行了扩展和延伸,LTE的MIMO最多8天线,到5G扩增为16/32/64/128天线,被称为“大规模”的MIM0。
MaSSIVeMIMO波束赋形(BeamfOrmmgBF)二者相辅相成,缺一不可。
MaSSlVeMlMO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,提髙信号强度,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就是大量天线的波朿。
MaSSlVeMIMO通过集成更多的射频通道和天线、实现三维精准波朿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:
。
MaSSlVeMIMO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朿PattenI对不同场景的适用性研究,并给岀适用于现网的波朿PattenI建议。
二、技术原理
2.1波束原理介绍
2.1.1波束定义
“波朿”这个词看上去有些陌生,但是“光朿”大家一圧都很熟悉。
当一朿光的方向都相同时,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(如电灯泡发岀的光),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,即形成了波朿。
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。
双阵子波束
-≡««第••
4阵子波束
2∙L2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)
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
V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(azim∪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:
2)
3GPP38.901定义的RadiatOrPattern:
RadiatOrPattern
Parameter
VaIUeS
VeniCalCUtOftheradiation
rffnQAOV
<=θ°)=-≡n√2—一^LAV
∖&刃B丿
With0咖=65:
SL4、=30dBand0t,∈[0o,180c]
powerPattem(dB)
HOriZOntalCUtOftheradiatiOn
W=90。
矿)=-min[12,仏]
powerPattem(dB)
With⅛iB=65o^nWX=30dBand^∈[-180M80°]
3DradiationPOWerPattern(dB)
心(化矿)=-min{-心",矿=0°)+必0=90。
外仏}
LtaXimUmdirectionalgainOfanantennaelementGEmH
8dBi
30-25-25-20:
-20-15β-15-10∙10-5a-S-O
3)赫兹偶极子(HertZDiPOle)Pattern:
PatternGain{φ,θ)=10・lg[sin2(θ)・cos2(φ)]
HertZDiPOIePattern
30-25«25-20≡-20-15■-15-10≡-10-5■-5O
>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:
××××××××××××TX4Tx5τx4τx58τx4τx59τx4τx6o××××××××××××⑷534254g55<4456Txτ×τxτ×τxτxτxTx××××××××××××79βQ91O2TX3TX4TX3TX5OTX3TX5TX4TXS××××××××××××3>94505M6烷TX3TX2STX3TX3CTX3TX3TX3TX3××××××××××××35465768TX1TX2TX1TX2TX1TX2TX1TX2××××××××××××TX9TX2TX1ZTX1TX2TX1TX2××××××××××××TX5TX17TX6TX18TX7TX19TX8TX20××××××××××××TX1TX2TX3TX4
5GAAU-A天线阵列示意图
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α
/某5GAAU-B模块工作在NR3.5GHz频段,16个TRX,192个天线单元,总功率200Wo
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。
6GAAU-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。
a.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;
c.
/为了弥补髙频带来的功率损耗,采用频率增加的同时增加每个极化方向辐射单元的数量;
>波束(Beam)和波束集(BgnISet)
/多个不同方向的波束组成一个波朿集(BeamSet),
/一个小区可以选择一种天线波束集提供覆盖-最多带有8个SSB粗波朿(SSBBeam),用于公共控制信道:
-每个SSB粗波束对应4个细波束(RefinedBeam),所以最多32个细波束,用于专用业务
信道:
-有一个例外:
当小区选用SeCtorBeam时,一个小区只有一个SSB粗波朿,没有细波束:
/BeamSet中的波束使用BeamID进行编号-SSB粗波束使用较小的编号;
-业务细波朿使用较大的编号;
(以BeamSet#6#2120度为例
t
粗波束
8169171018
OI2-
)(CFAM和空口也是这样的)
k
20
•60243225332634
细波束
U223038
6
2735283629376。
15233139
7
>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
>波朿增益
/每个Beam的BeamPattern中给出了每个水V:
方向角
(φ,β):
-φ∈-90,90,θ∈0,180
/这个“BeamGain"单指由于天线赋形带来的阵列增益(ArrayGain),不包含天线单
元Radiator本身的增益,但包含了96个天线的能量叠加带来的增益(IO-Ig(96)二
19.SdB)、以及交义极化带来的3dB增益;
所以在计算ElRP的时候:
基于真实天线单元实测Pattern仿真岀来的BeallIPattern中的BeamGain已经包含了
RadiatOrGain,在上述公式中不需要再加。
2.1.45G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朿方向图的包络,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。
2.2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,波朿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朿,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朿的正确方向,如果信息不全将会导致波朿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
/4G主要采用信道估计来实现:
发射端通过发送上行SRS信号获取信道信息主要是利用
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。
/5G通过波束栅格原理实现波束赋形:
主要表现在通过RAU使用波束ID控制RU内存储波束的权值实现波束选择和合成。
通过相位的调整,可以控制波束的指向
/该方式的主要优点是减少了前传的容量需求-只需要传送每个用户数据流的信息,而不是每个TRX的信息。
同时也减少了基带的容量需求-实时计算波束权值非常耗费处理能力;
/该方式的主要缺点是指向用户的波朿可能不是最优的:
/当前支持+-45度极化方向的天线使用相同的权值,即每个波朿有两个交叉极化方向,可以传送两个流的数据。
/基站传送给单个用户的数据和控制信息都是通过窄波朿实现:
每个波束只覆盖一部分空间区域(窄波朿),使得只有该波朿方向上的IJE能够接收到,而对于其他方向的IJE接收到的信号将非常弱。
/上下行数据传输的转换可以是时隙级别的也可以是符号级别的;TDD意味着在上下行可
以使用相同的载波频率。
上下行调度器将根拯帧结构来确左下一个TTl的波束方向。
/公共信道覆盖:
使用波束賦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PRACH信道的时间位置(完整的信息应包含slot.PRB.OCaSSion,Preamble)O
2.2.2波束赋形类别
波束賦形分为数字波束赋形、模拟波束赋形、混合波束赋形三种:
>数字波朿赋形
“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:
AnaIOgtoDigitaICOnVerter)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.混频器、滤波器和功放器。
/通过CPRl接口和BBU相连的6GHz以下RU支持时域数字波束赋形,波朿赋形通过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;即波朿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RlI内实现,波朿的选择由RAU决龙。
IyyIv2Wn
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:
DigitaItoAnaIOgCOnVerter)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,多个天线阵子的模拟信号先合并(合路器)之后再进入ADC(模数转换器:
AnaIOgtoDigitaICOnVerter)O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)以上的波朿赋型:
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賦形。
即波束赋形在TRX和天线之间实现:
/模拟波朿赋型不支持细波束,因此不需要用于波束管理的CSl-RSa
模拟波束赋形原理图
>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MlMO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数量冋样多的时域数据流,然后做时域的模拟波朿赋型。
示意图如下:
AnAIogrccOderVEUr
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RFChain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。
/HBF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。
苴缺点是:
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)使得波朿更切合信道的实际状况,即波朿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朿赋形。
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,gNB通过波束细分可以增强单用户的上下行SlNR,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。
波朿细分需要基站发送CSI-RS给UE进行测量,并且为一个SSB对应的多个细波朿的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-RS用于波朿管理
/波束细分(6GHz以下)时需要为每个粗波朿(SSB波朿)分配相应用于波朿管理的CSl-RSe
用于波束管理的CSl-RS位于相应SSB波束所在的时隙,并共享时域符号位巻;
/用于波朿管理的CSl-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
>下行波朿选择
/根据3GPP38.802下行波朿选择分为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已在粗扫描中被宽波朿覆盖的方向。
对单个用户而言,尽管此时的扫描波朿变窄,但所需扫描的范围却已缩小,扫描次数便相应减少。
在宽波朿对准的基础上,基站只需继续细化扫描与各用户有关的4个窄波朿,基站改善了对准每个用户的波朿方向的精度,所建立的无线通信连接质虽得到提髙;P3:
基站使用少量的宽波束覆盖整个小区,终端波朿细化同步扫描测量基站最强波束:
/P2主要适用于数字波束赋型,初始接入时使用相对较宽的波束:
回孕
TRP°
•InitialgNBBearnACqUiSitiOn
・SSBOrCSI-RS
•gNBBeamRefinement
・E.g.,CSI-RS
•UEBeamRefinement
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,该过程被称作波朿扫描
(BeamSWeePing);与此同时,用戸测虽:
不同波朿发射出的无线信号(Beammeasurement),并
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向基站报告相关信息(Beamreporting);基站根据用户报告确定对准该用戸的最佳发射波束
(Beamdetermination)<,>SSblock块组(burstSet):
多波束扫描
/在一个SS/PBCH块组内,每个波朿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-I编号,L为每个SS/PBCH块组内的最大SS/PBCH数:
/初始化时,波朿0固左映射到包含SS/PBCH的无线帧的第一个SS/PBCH:
/SSBIOCk块组内的SS/PBCH数量等于波束的数量。
通过波束扫描,在一个SSblock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(CRl-RSRP)O
>当测量到的非服务波束RSRP(滤波后)强度大于服务波朿一左门限后会执行波朿更换。
>
基站可能会通过波束更换指示(BCI)通知*5G-UE需要更换服务波朿°
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朿和UE进行通信,这时需要通过一泄的方式重新建立连接。
>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测量到源波朿RSRP低于特左门限:
・5G-UE没有收到BCl(波束更换指示)。
/5G-UE重新测量最强波朿:
/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。
2.3广播波束场景化
>波束配宜和基础波束配置
/用于配宜小区波朿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朿在角空间内的排列方式,但不包含波朿的具体方向和角度。
以这种方式左义的波朿分布称为基础波束配置:
・基础波朿配由行列两个维度组成
・每一行的列数不一定相同
・波朿的总数应小于等于最大SSB数量
/基础波朿配置使用专用术语……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朿,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个波朿
・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:
目前支持数字波朿赋形20种,详情如下:
Be^nlPattern
Beaml
#SSBbeams
AzimuthOPenIn 1row O 1 {453-45Ox {60Or-60OJ 0-0 #2 2 <45%-45<>}r <60Or・60o> O-O-O-O #4 4 <45%-45Ok <60Or・60σ> O-O-O-O-O-O 6 <45^r-45∙^>r<60°r-60o> O-O-O-O-O-O-O-O #8 8 <45OZ-45OIr<60Or・60o> 2 rows OO-O-O O-O-O-O #4#4 Θ <45% <60Or-60o> O-O-O-O-OO-O-O #5#3 8 •C&O。 .-soo> O-O-O-O-O-O 0-0 #6#2 8 <60or・60o> 3 rows: O-Ol-O O-O-O O-O *3#3#2 8 {45<∖-45OX <60or-60o> 4 rows O-O O-Oo-o 0-0 #2#2#2#2 8 <20%-20θ>z<45<>r-45OL >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 >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: 近点使用宽波朿,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 3.高楼场景适用性研究 3.1仿真方法 5G
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