李貝，胡煜華，王鑫炎，許國平，劉光海，肖天，成晨，李一

工程與應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)SSB 1+X波束技術(shù)應(yīng)用研究

李貝1，胡煜華2，王鑫炎2，許國平3，劉光海1，肖天1，成晨1，李一1

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100048；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 100033）

3GPP標(biāo)準(zhǔn)在5G中引入了波束掃描和空域的維度，信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）是UE上報給eNodeB的信道狀態(tài)信息，信道狀態(tài)信息參考信號（channel state information-reference signal，CSI-RS）是UE用來獲取信道狀態(tài)信息的參考信號。終端接入時基站采用SSB波束輪發(fā)探測終端的最優(yōu)波束，在終端接入后獲取參考信號的配置信息后對信道狀態(tài)信息進(jìn)行反饋，基站采用CSI-RS波束輪發(fā)的最優(yōu)波束。5G天線靈活配置波束個數(shù)并且兼顧水平維度、垂直維度的覆蓋。結(jié)合廣播波束發(fā)展、現(xiàn)網(wǎng)水平7波束面臨的挑戰(zhàn)，分析比較了水平7波束與1+波束兩種方案，并對兩種方案進(jìn)行測試分析。測試結(jié)果表明，1+波束具有較水平7波束覆蓋相當(dāng)、控制干擾、降低資源開銷和設(shè)備能耗的優(yōu)勢，結(jié)合自動優(yōu)化工具的應(yīng)用達(dá)到提升工作效率的效果。

5G；波束掃描；SSB；CSI-RS；7波束；1+波束

0 引言

移動通信使用的無線電波頻率越高路徑損耗越大，在高頻場景下穿過建筑物的穿透損耗也隨之增加，勢必增加了信號覆蓋的難度。3GPP協(xié)議在5G NR中引入了波束管理，波束管理包含波束掃描、波束測量等流程，其中，波束掃描階段，終端接入時基站采用廣播波束SSB輪發(fā)探測終端的最優(yōu)波束，在終端接入，并獲取信道狀態(tài)信息參考信號（channel state information-reference signal，CSI-RS）的配置信息并進(jìn)行信道狀態(tài)信息（channel state information，CSI）的反饋，基站采用CSI-RS波束輪發(fā)的最優(yōu)波束。同時5G NR也引入了空域的維度，相比較于傳統(tǒng)天線，5G天線權(quán)值配置更為靈活，靈活配置波束個數(shù)和兼顧水平維度、垂直維度的覆蓋。利用SSB 1+波束方案可實現(xiàn)不同場景下SSB不同波束配置，能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)、性能提升、功耗降低，結(jié)合AI訓(xùn)練選擇最優(yōu)的權(quán)值組實現(xiàn)自動優(yōu)化，提升工作效率。

1 廣播波束發(fā)展

相較于4G LTE 有1個固定寬度且不能場景定制化的廣播波束，5G NR根據(jù)3GPP協(xié)議規(guī)定SSB和CSI-RS實現(xiàn)廣播信道和業(yè)務(wù)信道的測量，主同步信號（primary synchronization signal，PSS）、輔同步信號（secondary synchronization signal，SSS）、物理廣播信道（physical broad cast channel，PBCH）和解調(diào)參考信號（de modulation reference signal，DMRS）在4個連續(xù)的正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符號內(nèi)接收并構(gòu)成SSB。SSB波束信號質(zhì)量影響用戶的接入和移動性等性能，CSI-RS波束信號質(zhì)量影響速率和用戶感知，不同的波束寬度、高度結(jié)合應(yīng)用可實現(xiàn)波束分層應(yīng)用，每20 ms為一個掃描周期，按照時分水平、垂直或立體組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域掃描，可靈活適應(yīng)不同場景。

相較于4G LTE多陣列天線，5G采用大規(guī)模陣列天線且天線波束更窄、增益提高，在機(jī)械、電子調(diào)整的基礎(chǔ)上增加了數(shù)字調(diào)整、廣播波束支持賦形。水平/垂直覆蓋增加到8/4通道，每通道3/3個振子，每通道水平波束寬度擴(kuò)展到100°、垂直波束寬度擴(kuò)展24°，支持水平、垂直波束變化，尤其是垂直面應(yīng)用更靈活。

2 水平7波束面臨波束管理挑戰(zhàn)

波束掃描使基站針對終端的不用位置在不同方位、傾角的多個波束中選擇最優(yōu)波束發(fā)射達(dá)到增強(qiáng)下行覆蓋、減少干擾。3GPP協(xié)議規(guī)定5G NR case C TDD下2.4 GHz <頻率≤6 GHz，時域最大支持8 SSB，2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)下（子幀配置配比D:Gap:U=10:2:2），SSB必須包含在一個連續(xù)5 ms內(nèi)，低頻最多連續(xù)2 ms內(nèi)可檢測4個時隙slot，也即最小集SSB要求在2 ms內(nèi)發(fā)送完畢。受此限制中國電信、中國聯(lián)通幀結(jié)構(gòu)下有7個SSB，電聯(lián)2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)SSB 7波束在每個slot的符號位置如圖1所示。

圖1 2.5 ms雙周期的幀結(jié)構(gòu)SSB7波束在每個slot的符號位置

現(xiàn)網(wǎng)采用水平7波束能快速實現(xiàn)高質(zhì)量拉網(wǎng)性能，但是從今后商用來看，覆蓋方面，因水平7波束無預(yù)留波束，空間可拓展性差，未考慮到垂直覆蓋的需求；容量方面，7波束及配套的SIB/paging消息帶來較大的資源開銷，影響極限體驗和網(wǎng)絡(luò)容量；切換方面，7波束切換決策需要權(quán)衡多個波束的測量結(jié)果，精細(xì)化優(yōu)化難度大；節(jié)能方面，7波束及配套的SIB/paging消息帶來較大的時隙占空比，影響低負(fù)載條件下的時隙關(guān)斷和節(jié)能。上述潛在問題給后繼波束管理提出了挑戰(zhàn)。

3 SSB 1+X方案

波束用“五元”權(quán)值組畫像，“五元”權(quán)值組指水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、下傾角、方位角、pattern（即SSB波束數(shù)量）。1指1個水平寬波束、指靈活的垂直波束，根據(jù)需要配置垂直波束，=｛0,1,2,3｝。5G在小區(qū)簇優(yōu)化中采取小區(qū)組連片優(yōu)化，因此在常規(guī)優(yōu)化中需考慮小區(qū)組、小區(qū)和波束的“三級”優(yōu)化。“五元”權(quán)值組和“三級”優(yōu)化組合后，單小區(qū)數(shù)萬級權(quán)值組，隨小區(qū)數(shù)量指數(shù)級增長，大量權(quán)值組人工無法精細(xì)優(yōu)化?；谥悄芑脚_實現(xiàn)規(guī)劃波束權(quán)值、時域錯開，以及自動優(yōu)化波束權(quán)值實現(xiàn)場景化精細(xì)部署，智能迭代優(yōu)化達(dá)到最簡單波束結(jié)構(gòu)、最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)性能、最低設(shè)備能耗、最快優(yōu)化效能的目標(biāo)。本文研究模型的參數(shù)配置見表1。

表1 參數(shù)配置

3.1 彌補(bǔ)覆蓋損失、控干擾提升網(wǎng)絡(luò)性能

為達(dá)到單播束獲得與多波束相當(dāng)?shù)母采w水平的目標(biāo)，SSB水平覆蓋波束方案對比如圖2所示，“1”寬波束與多波束相比增益損失6～7 dB，但可通過6 dB SSB功率增強(qiáng)進(jìn)行彌補(bǔ)，即功率增強(qiáng)型水平單播束獲得與7波束接近的覆蓋性能，支撐良好網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平。

1+波束方案降低干擾原理如圖3所示，1+中=｛0,1,2,3｝，可預(yù)留多個波束位置用于垂直擴(kuò)充，以最少的水平SSB波束加上按需垂直波束實現(xiàn)三維全空間覆蓋及深度覆蓋拓展，相鄰干擾小區(qū)SSB時域位置模（=1，2，3，4）錯開以降低鄰區(qū)間SSB的相互干擾，通過業(yè)務(wù)信道自動打孔調(diào)度降低相鄰小區(qū)SSB與業(yè)務(wù)信道之間的干擾。

圖2 SSB水平覆蓋波束方案對比

圖3 1+X波束方案降低干擾原理

3.2 SSB靈活使用降低資源開銷和設(shè)備能耗

當(dāng)SSB周期20 ms，5G系統(tǒng)消息1（system information blocks 1，SIB1）周期40 ms，paging周期10 ms時，對功率增強(qiáng)型水平單波束（以SSB單束boosting 6 dB+模3錯開為例）、水平7波束資源開銷和AAU節(jié)電理論對比分析如下，根據(jù)表1參數(shù)配置共273個5G資源塊（resource block，RB），初始接入相關(guān)消息在48個RB中調(diào)度，資源開銷對比見表2，功率增強(qiáng)型水平單播束較水平7波束總體開銷節(jié)省約3%、接入資源開銷節(jié)省約20%。

表2 資源開銷對比

有源天線單元（active antenna unit，AAU）節(jié)電能耗對比見表3，與7波束相比，功率增強(qiáng)型水平單波束（以1+3波束為例）下AAU節(jié)電4.88% [(78.06%?45.56%)×15%]，其中，15%為完全空載時 64TR AAU的節(jié)電幅度。

3.3 自動優(yōu)化提升工作效率

網(wǎng)管上進(jìn)行小區(qū)波束配置時首先配置水平波瓣寬度、垂直波瓣寬度、下傾角、方位角，系統(tǒng)會自動計算出對應(yīng)的權(quán)值，選擇對應(yīng)的pattern，再考慮小區(qū)組、小區(qū)和波束的“三級”優(yōu)化共計數(shù)萬級單位權(quán)值組合，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練智能規(guī)劃實現(xiàn)“1”時域錯開規(guī)劃和“”波束規(guī)劃的高效部署使權(quán)值組合降低至數(shù)千級權(quán)值組合，利用AI訓(xùn)練選優(yōu)權(quán)值組確保SSB自動權(quán)值優(yōu)化取得穩(wěn)定增益，但用戶感知速率并未得到實質(zhì)性改善。目前5G商用終端不支持CSI-RS波束參考信號接收功率（reference signal receiving power，RSRP）測量及上報，無法直接進(jìn)行優(yōu)化，通過蟻群優(yōu)化算法訓(xùn)練建模，建立SSB和CSI權(quán)值匹配映射表，然后根據(jù)SSB優(yōu)化后的權(quán)值尋優(yōu)CSI權(quán)值。而通過蟻群優(yōu)化算法優(yōu)化獲取局部最優(yōu)天線權(quán)值，通過初始值個數(shù)和迭代次數(shù)的優(yōu)化，自動下發(fā)權(quán)值，大幅降低了波束的尋優(yōu)、迭代和配置時間。

表3 AAU節(jié)電能耗對比

4 SSB 1+X波束方案實施效果

SSB 1+波束方案理論上達(dá)到覆蓋與7波束相當(dāng)、控制干擾、降低資源開銷和設(shè)備能耗，以及自動優(yōu)化提升工作效率的作用，某市選取高樓和空曠公園兩個場景進(jìn)行水平7波束和1+3波束的測試驗證。

4.1 空曠場景遠(yuǎn)中近點覆蓋和抗干擾效果提升明顯

選取某市婦幼保健院場景，婦幼保健院基站高約18 m，PCI 523小區(qū)覆蓋廣場和公園；選取遠(yuǎn)、中、近點進(jìn)行多次測試；拉網(wǎng)路線圍繞廣場和公園，全長950 m左右，拉網(wǎng)測試RSRP/信號與干擾加噪聲比（signal to interference plus noise ratio，SINR）/下行平均速率的7波束與1+3波束對比如圖4所示。定點測試數(shù)據(jù)顯示，1+3波束在遠(yuǎn)中近點效果明顯，具有相當(dāng)?shù)乃礁采w，垂直覆蓋提升30%，遠(yuǎn)點SINR提升1.7 dB降低了干擾，遠(yuǎn)點下行速率提升明顯，定點測試（遠(yuǎn)、中、近點）7波束與1+3波束對比如圖5所示。拉網(wǎng)測試7波束與1+3波束對比見表4，1+3波束RSRP持平，SINR平均下降1.49 dB，下行平均速率下降5.8 Mbit/s。整體看，1+3波束在空曠場景遠(yuǎn)中近點覆蓋和抗干擾效果提升明顯，拉網(wǎng)測試感知與水平7波束相當(dāng)。

4.2 高層建筑高樓層覆蓋和抗干擾提升明顯

選取某市財富廣場大廈場景，財富廣場大廈基站高約18 m，PCI28小區(qū)正對財富廣場大廈，直線間距420 m，無遮擋；財富廣場大廈共39層，高166 m，定點測試點位分布1F、5F、6F、8F、10F、12F、15F、17F、20F、21F、23F、25F、27F和30F；拉網(wǎng)路線圍繞財富廣場，全長950 m。測試顯示，在低層（1F～5F），水平7波束和1+3波束的覆蓋能力相當(dāng)；在高層（6F～30F），1+3波束的覆蓋能力均強(qiáng)于水平7波束。

拉網(wǎng)測試7波束與1+3波束對比見表5，1+3波束與7波束覆蓋相當(dāng)。選取財富廣場大廈8層樓道進(jìn)行走動測試，樓層測試RSRP/SINR/下行平均速率的7波束與1+3波束對比如圖6所示，呈現(xiàn)出正向增益。定點1F～30F 7波束與1+3波束對比如圖7所示。整體來看，1+3波束與7波束在高層建筑的低層感知相當(dāng)，在中高層1+3波束覆蓋和抗干擾提升明顯，綜合整體覆蓋，1+3波束的覆蓋優(yōu)勢較為明顯。

4.3 節(jié)能降功耗

在低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)下，采集了2020年5月5日到11日小時級數(shù)據(jù)，與水平7波束相比，1+3波束配置下發(fā)送更少的SSB/SIB1/paging，占用更少的時隙/符號，在低負(fù)載條件下可以實現(xiàn)更多的亞幀關(guān)斷。以某區(qū)域450個某型號AAU為例，平均每小時0.465 kW.h電（7波束），平均每小時0.386 kW.h電（7波束開啟節(jié)能），平均每小時0.349 kW.h電（SSB 1+3波束開啟節(jié)能），能耗改善明顯。測算如下，保障最小的復(fù)雜度提供最高的網(wǎng)絡(luò)能耗收益，能耗對比如圖8所示。

圖4 拉網(wǎng)測試RSRP/SINR/下行平均速率的7波束與1+3波束對比

圖5 定點測試（遠(yuǎn)、中、近點）7波束與1+3波束對比

表4 拉網(wǎng)測試7波束與1+3波束對比

圖6 樓層測試RSRP/SINR/下行平均速率的7波束與1+3波束對比

圖7 定點1F～30F 7波束與1+3波束對比

7波束開啟節(jié)能的省電比例：（0.465?0.386）/0.465=17.0%

SSB 1+3波束開啟節(jié)能后相較于7波束開啟節(jié)能：（0.386?0.349）/0.386=9.6%

5 1+X方案波束的限制

終端上報NR小區(qū)RSRP測量時采用SSB測量結(jié)果合并上報RSRP門限和評估小區(qū)級質(zhì)量的SSB兩個參數(shù)計算小區(qū)RSRP，移動終端進(jìn)行NR小區(qū)RSRP測量時只有當(dāng)NR SSB 波束信號高于SSB測量結(jié)果合并上報RSRP門限才會參與小區(qū)RSRP的計算。若所有波束測量結(jié)果均小于該門限，則小區(qū)的測量結(jié)果上報最好波束的測量結(jié)果，否則小區(qū)的測量結(jié)果則大于該門限的所有波束測量結(jié)果的平均值，做平均的波束數(shù)不能超過SSB最大個數(shù)（一般建議設(shè)為3）。對于1+組網(wǎng)因1和波束覆蓋范圍不同則不能按照波束求平均方式上報，需要按照最強(qiáng)波束上報，SSB測量結(jié)果合并上報RSRP門限建議設(shè)置為?45 dBm。

6 結(jié)束語

本方案水平與垂直覆蓋解耦設(shè)計保證水平連續(xù)覆蓋穩(wěn)定的同時，靈活的波束配置滿足不同場景的垂直覆蓋要求，提供優(yōu)質(zhì)水平覆蓋的基礎(chǔ)上垂直覆蓋率提升30%+，更少的時隙資源占用達(dá)到低負(fù)載下設(shè)備功耗降低9%～10%，依托智能網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工具，高效部署與優(yōu)化，助力移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化數(shù)字化轉(zhuǎn)型。1～1+分步實施，具備演進(jìn)性。隨著5G的廣泛覆蓋和大量應(yīng)用，場景精細(xì)優(yōu)化越來越突現(xiàn)其重要性，1+的智能應(yīng)用將會更加廣泛應(yīng)用，提供更好的用戶體驗。

表5 拉網(wǎng)測試7波束與1+3波束對比

圖8 能耗對比

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Research on SSB 1+X beam technology of 5G network

LI Bei1, HU Yuhua2, WANG Xinyan2, XU Guoping3, LIU Guanghai1, XIAO Tian1, CHENG Chen1, LI Yi1

1. Research Institute of China UnitedNetwork Communications Co.,Ltd.,Beijing 100048, China 2. Zhejiang Branch ofChina United Network Communications Co.,Ltd.,Hangzhou 310051, China 3. China United Network Communications Group Co.,Ltd, Beijing 100033, China

Beam scanning and spatial dimensions in 5G was introduced in the 3GPP standard. When UE connects gNodeB, gNodeB uses SSB beam rotation to detect the optimal beam of UE. After UE was connected, the CSI-RS configuration information could be obtained and the CSI could be normal feedback，gNodeB adopted the optimal beam transmitted by the CSI-RS beam in turn. 5G antennas flexibly configure the number of beams and take into account coverage in both horizontal and vertical dimensions. The development of broadcast beams and the horizontal 7 beams facing challenges were presented, the horizontal 7 beam and 1+beam schemes were analyzed. Finally, efficiency was presented.

5G, beam scanning, SSB, CSI-RS, 7 beam, 1+beam

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022012

2021?12?01；

2022?01?07

胡煜華，huyh33@chinaunicom.cn

李貝（1983?），女，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)營。

胡煜華（1973?），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司高級工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)。

王鑫炎（1985?），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化。

許國平（1978?），男，博士，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司教授級高級工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

劉光海（1972?），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為智能運(yùn)營。

肖天（1991?），男，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)營。

成晨（1990?），女，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)營。

李一（1990?），女，中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)營。