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XXXX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。

O 旱环吊 W 吊冷辟 O• ■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(a) Iinear 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，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 RadiatOr Pattern ：ParameterVaIUeSVeniCal CUt Ofthe radiation rff 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 radiatiOnW = 90。

,矿) = -min[12,仏]power Pattem (dB)With ⅛i 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 mH8dBi30-25-25-20 : -20-15 β -15-10 ∙10-5 a -S-O3) 赫兹偶极子(HertZ DiPOle) Pattern ：半波振子U;Myaa l≡v> JomwqlRadiatOr PatternPhi for Horrizonttl Degree15 •20 -25-305G 波束赋形场景化应用研究PatternGain{φ, θ) = 10 ・ lg[sin 2(θ)・cos 2(φ)]HertZ DiPOIe Pattern30-25 « 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<4456Tx τ×τx τ×τx τx τx Tx××××××××××××7 9 β Q 9 1 O2 TX3TX4TX3TX5O TX3TX5TX4TXS×××××××××××× 3>94505M 6 烷TX3TX2S TX3TX3C TX3TX3TX3TX3 ××××××××××××3 54 65 76 8 TX1TX2TX1TX2TX1TX2TX1TX2××××××××××××TX9TX2TX1Z TX1TX2TX1TX2××××××××××××TX5TX17TX6TX18TX7TX19TX8TX20××××××××××××TX1TX2TX3TX4Phi for HOrriZOntaI DegreeCJυ-J8aαT52tf2>«苗芒S S 60m艮LIPEV 6052U 一\」k・1O-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 o16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 tA 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=15cmQndBi4GHz: N=16 2λ=15cm32GHz: N=1024 16λ=15cm，kM —≡ ,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;2（以BeamSet#6#2 120度为例t粗波束816 9171018O I 2 - )(CFAM 和空口也是这样的)k20 •60 243225332634细波束U 2230 38627 35 283629376。