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

【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P a ttern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 MIM0、波束赋形、BeamfOrming> 5G

【业务类别】优化方法、5G NR

一、研究背景

MaSShe MIMo和波朿赋形(BeamfonniiIg BF)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。MaSSIVe MIMO 波束赋形(BeamfOrmmg BF)二者相辅相成，缺一不可。MaSSlVe MlMO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。MaS S lVe MIMO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:。MaSSlVe MIMO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Patten I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? 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

O 旱环吊 W 吊冷辟 O

? ■

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:

(a) Iinear POIariZation (b) CilcUlar POlariZatiOn (C) elliptical POIariZatiOII

2) 3GPP38.901 定义的 RadiatOr Pattern ：

Parameter

VaIUeS

VeniCal CUt Ofthe radiation r

ff n QAO V

< = θ°) = -≡n√2 —一 ^LA V

? &刃B 丿

With 0咖=65： SL4、= 30 dB and 0t,

∈ [0o

,180c

]

power Pattem (dB)

HOriZOntal CUtOfthe radiatiOn

W = 90。,矿) = -min[12,仏]

power Pattem (dB)

With ?i B =65o

^nWX = 30 dBand ^∈[-180M80°]

3D radiation POWer Pattern (dB) 心（化矿）=-min{- 心",矿=0°）+必0 = 90。,外仏}

LtaXimUm directional gain Ofan antenna element GE mH

8dBi

30-25

-25-20 : -20-15 β -15-10 ?10-5 a -S-O

3) 赫兹偶极子(HertZ DiPOle) Pattern ：

半波振子

U;Myaa l≡v> Jomwql

RadiatOr Pattern

Phi for Horrizonttl Degree

15 ?20 -25

-30

5G 波束赋形场景化应用研究

PatternGain{φ, θ) = 10 ? lg[sin 2

(θ)?

cos 2

(φ)]

HertZ DiPOIe Pattern

30-25 ? 25-20 ≡-20-15 ■-15-10 ≡-10-5 ■-5 O

> 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：

5G AAU-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

××××××××××××

TX4Tx5τx4τx58τx4τx59τx4τx6o

××××××××××××

⑷534254g 55<4456

Tx τ×τx τ×τx τx τx Tx

××××××××××××

7 9 β Q 9 1 O

2 TX3TX4TX3TX5O TX3TX5TX4TXS

×××××××××××× 3>94505M 6 烷

TX3TX2S TX3TX3C TX3TX3TX3TX3 ××××××××××××

3 5

4 6

5 7

6 8 TX1TX2TX1TX2TX1TX2TX1TX2

××××××××××××

TX9TX2TX1Z TX1TX2TX1TX2

××××××××××××

TX5TX17TX6TX18TX7TX19TX8TX20

××××××××××××

TX1TX2TX3TX4

Phi for HOrriZOntaI Degree

CJυ-J8aαT52tf2>

苗芒

S S 60m

艮

LIP

EV 60

U 一

」

O-51015-20-25-30 ■ ■

3-p

】

Q.Ee9E￡15d

单元α

/ 某5G AAU-B 模块工作在NR 3. 5GHz 频段，16个TRX, 192个天线单元，总功率200W o

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。

6G 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。

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;

×××××××××××× TX8M ×××××××××××× Il TO

××××x××××××× 1TX8j

-τx13 ××××x×××××××

严

E ××××x××××××× r ? ?

F ××××x×××××××

严

F-TX1O ××××x×××××××

××××××××××××

1 Tx

=G r G t P t

A 2

（4/ZF

> 波束(Beam)和波束集(BgnI Set)

/ 多个不同方向的波束组成一个波朿集(Beam Set ),

/ 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(SSB Beam),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SeCtor Beam 时，一个小区只有一个SSB 粗波朿，没有细波束: / Beam Set 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;

1GHz: N=I 2GHz: N=4 0.5λ=15cm 1 λ=15cm

QndBi

4GHz: N=16 2λ=15cm

32GHz: N=1024 16λ=15cm

，k

M —≡ ,C r L ?1?W.

.?1K ?'

16λ

「

驟??擁

/ 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;

（以BeamSet#6#2 120度为例

粗波束

8 16 9 17 10 18

O I 2 -

)(CFAM和空口也是这样的)

?6024 32 25 3326 34

细波束

U 2230 38

27 35 28 36 29 37

6。

15 23 31 39

> 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Beam Pattern中给出了每个水V：方向角

/ 这个“BeamGain"单指由于天线赋形带来的阵列增益(Array G a in),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；

1GHz: N=I2GHz: N=44GHz: N=16

0.5λ=15cm

o?5λ! M

T20。

2λ=15cm

2λ

32GHz: N=1024

16λ=15cm

■ ■ ■

16入

U PenCil

beams:U

~4°

水平和垂直波束宽度

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。

2.1.4 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。

NR LTE 工作频段(GHZ )

3.5

1.8/1.9/

2.1

增益(dBi)

25.5(包含赋形增益)

水平半功率角

120

垂直半功率

角

所以在计算ElRP的时候:

5G水平方向4G水平方向5G?ft方向

VO 60 $0 40

4G垂宜方向

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

/ 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。

8 dipoles SeParated by λ

/ 2

-4Γ phase shift

8 dipoles SeParated by λ

/ 2

O C PhaSe Shift

8 dipoles SeParated by λ

/ 2

60° PhaSe Shift

TDD的信道互益

/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。

系统模块(RAU) (ENB ?DU e×cl. RF

Part)

系统模块

UE 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。

ι?≡

??二山0 ττ?

------ MAC 调度器，阶数（秩, rank ） . MCS r 波束，PMl

(RU)

(RF Part Of gNB-DU)

Rank r PMI, MCS

/ 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：AnaIOg to DigitaI 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. 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。

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：DigitaI to AnaIOg 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，多个天线阵子的模拟信号先合并（合路器）之后再进入ADC （模数转换器：AnaIOg to DigitaI COnVerter）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-RS a

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：

AnAIog I)rcc Oder V EU r

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 Ch a in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。