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)務類型及部署場景復雜，不同應用場景下速率需求不同，5G可通過NR波束管理或調(diào)整進行優(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題，分析驗證并確定小區(qū)邊緣弱覆蓋優(yōu)化方案，并通過實踐驗證方案的可行性。

　　【關(guān)鍵詞】波束管理;加權(quán);上行速率下降

　　《長沙通信職業(yè)技術(shù)學院學報》以鄧小平理論和“三個代表”重要思想為指導，堅持與時俱進，開拓進取，為通信技術(shù)教育、高等職業(yè)教育服務，為建設小康社會服務;本刊從行業(yè)特色、科學特色、地域特色三方面體現(xiàn)本學報的辦刊特色;本著立足本院、對外開放的辦刊原則，本刊熱情歡迎校內(nèi)外各方人士惠賜稿件。

　　0 引言

　　移動性是歷代移動通信系統(tǒng)重要的性能指標，該指標表示在滿足一定系統(tǒng)性能的前提下，通信雙方最大相對移動速度。5G移動通信系統(tǒng)需要支持飛機、高速公路、城市地鐵等超高速移動場景，同時也需要支持數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制低速移動或非移動場景。因此，5G移動通信系統(tǒng)的設計需要支持更廣泛的移動性。

　　1 波束管理原理簡介

　　1.1 靜態(tài)權(quán)和動態(tài)權(quán)

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

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

　　(2)動態(tài)權(quán)：SRS權(quán)或者PMI權(quán)。gNB通過SRS測量的信道估計獲得SRS權(quán)，通過UE上報的PMI反饋獲得PMI權(quán)。

　　UE在移動過程中，控制信道和廣播信道采用預定義的權(quán)值生成離散的靜態(tài)波束，各信道在每TTI都會選擇各自的最優(yōu)波束。因此在移動中UE可能會有靜態(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、波束測量、波束識別、波束上報和波束故障恢復等方面。

　　1.2 波束掃描

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

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

　　1.3 波束測量

　　波束測量是指gNB或者UE對所接收到的賦形信號的質(zhì)量和特性進行測量的過程。在波束管理過程中，UE或者gNB通過相關(guān)測量識別最好波束。

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

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

　　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來確定，其判決準則是波束的最大接收信號強度應大于特定的門限。上行方向上，移動終端根據(jù)gNB的方向傳送SRS，gNB對SRS進行測量以確定最好的上行波束。

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

　　同樣，如果UE側(cè)能夠根據(jù)UE的下行波束測量結(jié)果來確定上行發(fā)送波束，或者UE能夠根據(jù)UE的上行波束測量結(jié)果來確定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)可以認為Tx/Rx波束是一致的。

　　1.5 波束報告

　　確定最好波束后，UE或者gNB將所選擇的波束信息通知給對端。另外，gNB和UE側(cè)還需要進行波束錯誤恢復等相關(guān)工作。使用多波束操作時，由于波束寬度比較窄，波束故障很容易導致網(wǎng)絡和終端之間的鏈路中斷。當UE的信道質(zhì)量較差時，底層將發(fā)送波束失敗通知。UE將指示新的SS塊或者CSI-RS，并通過新的RACH過程來進行波束恢復。gNB將在PDCCH上傳送下行設定或者UL許可信息，來結(jié)束波束恢復過程。

　　2 案例分析

　　2.1 問題概述

　　央視新媒體實驗室協(xié)同廣州電信共同完成4k高清直播，地點選定在廣州塔，采用游船的拍攝方式。演示業(yè)務類型為視頻回傳，無線側(cè)通過CPE連接5G基站，再到核心網(wǎng)，并通過專線，整條鏈路打通5G網(wǎng)絡，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)絡進行移動性場景嘗試，涉及站內(nèi)小區(qū)，站間切換等調(diào)試業(yè)務，此前CPE均在定點進行演示，未涉及移動性場景，難度較大。站點部署完成后，進行業(yè)務調(diào)測過程中發(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 問題分析

　　(1)網(wǎng)絡拓撲

　　業(yè)務演示網(wǎng)絡拓撲如圖2所示。

　　(2)站點分布

　　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)測試分析

　　分析測試log發(fā)現(xiàn)，問題并不是切換產(chǎn)生，而是切換前就已經(jīng)有速率下降現(xiàn)象，同時上行MCS同步下降，上行SRS和DMRS RSRP在掉坑點都陡降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60°以外、垂直負10°以外)，超出小區(qū)覆蓋范圍，波束落入衰落點的概率加大，進而速率陡降。

　　2.3 原因定位

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

　　2.4 處理方案

　　如圖4所示，增加主覆蓋小區(qū)到三個，精準控制覆蓋，避免用戶移動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

　　針對5G上行大帶寬需求，需提前結(jié)合實際場景需求，保障重點區(qū)域覆蓋情況，盡量避免水平和垂直夾角過大的場景。建議可以配合廠商5G智能仿真預估覆蓋情況和測試效果，結(jié)合現(xiàn)場測試，確定最終的網(wǎng)絡部署方案。

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