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1、5G Massive MIMO广播波束场景化研究5G Massive MIMO广播波束场景化研究5G Massive MIMO广播波束场景化研究【摘要】 Massive MIMO和波束赋形(Beamforming 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MIMO。提到Massive MIMO，就不得不提波束赋形了。二者相辅相成，缺一不可。我们甚至可以说大规模MIMO就是大量天线的波束。如果把Massive MIMO比作外在肉体，那么波束赋形就是内在灵魂。【关键字】 Massi

2、ve MIMO、波束赋形、Beamforming、SCENARIO【业务类别】基础维护一、技术原理Massive MIMO（简称MM）站点技术是多天线演进的一种高端形态，被业界公认为4.5G和5G网络的关键技术之一。作为一种新的站点形态，Massive MIMO通过集成更多的射频通道和天线、实现三维精准波束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量。Massive 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面临的站址紧张、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。1.1 Massive MIMO

3、和波束赋形的关系Massive MIMO和波束赋形(Beamforming BF) 二者相辅相成，缺一不可。Massive MIMO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，提高信号强度，避免信号干扰，从而改善通信质量。Massive MIMO和波束赋形的优点：1)更精确的3D波束赋形，提升终端接收信号强度；2)同时同频服务更多用户(多用户空分)，提高网络容量；3)有效减少小区间的干扰；4)更好的覆盖远端和近端的小区；1.2 广播波束场景化在3D天线管理模块中呈现天线3D视图。天线在不同Pattern配置下，不同数字方向角、数字下倾角配置

4、下，增益波形差异明显。常见三种场景如下：1、高楼场景：使用垂直面覆盖比较宽的波束，提升垂直覆盖范围。2、广场场景：近点使用宽波束，保证接入，远点使用窄波束，提升覆盖。3、小区间干扰场景：可以使用水平扫描范围相对窄的波束，避免强干扰源。目前MM广播波束场景化配置加默认模式共计17种模式，具体如下：二、高楼场景测试方案选择有天线直接面对高楼覆盖的场景进行测试，天线与被测试高楼之间无遮挡且距离适当， 本次测试选取天鹅湖大酒店进行测试。测试地点为客房楼层中部的窗户旁边，测试楼层为1、5、10、15、20、25。如下图所示，测试终端占用第3小区，PCI（92），由于现场条件限制，测试点无法完全正对天线。

5、利用室外基站覆盖高楼场景的难点在于高层的室内覆盖，所以后续分析将主要关注高层的覆盖效果。Cell NameAzimuthPCIHF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-1590HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-211091HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-3280922.1测试方法对被测楼宇进行隔层测试，测试采用定点下行灌包的方式进行测试，单次测试时长1分钟，最终以平均值统计结果。将HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-1与HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-2小区去激活，防止影响测试效果。2.2测试过程2.2.1水平波宽广覆盖，对比垂直

6、波宽将HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-3小区覆盖场景分别设置为SCENARIO_0（水平波宽105，垂直波宽6，方位角0，倾角6）；SCENARIO_6（水平波宽110，垂直波宽12，方位角0，倾角6）；SCENARIO_12（水平波宽110，垂直波宽25，方位角0，倾角6）；注：数字下倾角默认值为6度。测试位置测试结果S0(105/6/0/6)S6(110/12/0/6)S12(110/25/0/6)1FSS-RSRP-99.91-100.33-102.01SS-SINR14.3613.4512.89Throughput811.02795.89782.925FSS-RSRP-

7、83.57-84.41-84.37SS-SINR18.4218.0316.88Throughput805.86808.67806.8910FSS-RSRP-98.39-102.53-102.11SS-SINR14.8113.1211.07Throughput746.19795.03791.5315FSS-RSRP-108.92-108.03-108.2SS-SINR8.298.629Throughput568.5577.99602.3920FSS-RSRP-102.15-101.17-98.94SS-SINR8.6410.4110.91Throughput636.41631.88634.132

8、5FSS-RSRP-92.09-93.1-87.94SS-SINR16.5515.2217.34Throughput800.53804.32739.71由上面的测试结果可以发现，使用垂直波宽25，可以明显提升20层和25层的覆盖增益。2.2.2水平波宽65，对比垂直波宽由于测试点不是完全正对小区天线，所以在水平波宽65的时候需要调整方位角以达到最优效果，经测试验证，方位角设置为-22是最佳设置。将HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-3小区覆盖场景分别设置为SCENARIO_3（水平波宽65，垂直波宽6，方位角-22，倾角6&倾角-2）；SCENARIO_8（水平波宽65，垂直波宽1

9、2，方位角-22，倾角6&倾角0）；SCENARIO_13（水平波宽65，垂直波宽25，方位角-22，倾角6）；测试位置测试结果S3(65/6/-22/6)S3(65/6/-22/-2)S8(65/12/-22/6)S8(65/12/-22/0)S13(65/25/-22/6)1FSS-RSRP-106.35-104.26-104.22-101.45-104.51SS-SINR12.8912.7813.8816.4314.71Throughput657.18806.35806.64815.51760.195FSS-RSRP-83.01-84.94-84.18-83.87-84.35SS-SIN

10、R21.2615.1818.618.2416.76Throughput773.47815.72819.21813.75792.9210FSS-RSRP-101.86-102.36-99.65-98.55-99.51SS-SINR12.7710.8914.3713.9112.69Throughput811.75809.2802.78819.02803.5115FSS-RSRP-108.36-107.12-109.27-107.14-110.5SS-SINR9.4710.78.678.029.17Throughput585.93609.2587.55613.05576.1220FSS-RSRP-1

11、04.21-100.72-100.94-101.37-99.55SS-SINR10.4412.5412.2610.9411.41Throughput671.1636.74648.58611.05557.9125FSS-RSRP-93.76-89.59-90.42-83.21-82.58SS-SINR17.7713.6417.4318.8220.86Throughput771.54730.59782.33755.74770.79由上面的测试结果可以发现，使用垂直波宽25，可以明显提升25层的覆盖增益。2.2.3水平波宽25，对比垂直波宽由于测试点不是完全正对小区天线，所以在水平波宽25的时候需要

12、调整方位角以达到最优效果，经测试验证，方位角设置为-32是最佳设置。将HF-市区-天鹅湖大酒店-5G-1000122-3小区覆盖场景分别设置为SCENARIO_5（水平波宽25，垂直波宽6，方位角-32，倾角6）；SCENARIO_10（水平波宽25，垂直波宽12，方位角-32，倾角6）；SCENARIO_15（水平波宽25，垂直波宽25，方位角-32，倾角6）；测试位置测试结果S5(25/6/-32/6)S10(25/12/-32/6)S15(25/25/-32/6)1FSS-RSRP-106.15-104.21-101.25SS-SINR15.1415.4117.48Throughput8

13、12.45833.52792.495FSS-RSRP-81.47-80.74-82.45SS-SINR22.6823.4418.06Throughput815.83824.36797.4710FRSRP-105.05-101.83-94.86SS-SINR14.8814.6416.65Throughput834.77827.82787.2915FSS-RSRP-108.74-107.54-107.83SS-SINR13.6810.499.93Throughput573.54603.92567.820FSS-RSRP-105.45-110.64-98.26SS-SINR12.969.5614.1

14、6Throughput631.93610.75612.5325FSS-RSRP-90.96-86.77-83.46SS-SINR15.9818.0216.93Throughput800.2498.41781.01由上面的测试结果可以发现，使用垂直波宽25，可以明显提升20层和25层的覆盖增益。2.2.4垂直波宽25，对比水平波宽在前面的测试中已经可以证明在高楼场景中，使用垂直波宽25可以更好的提升高层室内覆盖，下面对比分析使用哪种水平波宽最为合理。测试位置测试结果S12(110/25/0/6)S13(65/25/-22/6)S15(25/25/-32/6)1FSS-RSRP-102.01-10

15、4.51-101.25SS-SINR12.8914.7117.48Throughput782.92760.19792.495FSS-RSRP-84.37-84.35-82.45SS-SINR16.8816.7618.06Throughput806.89792.92797.4710FSS-RSRP-102.11-99.51-94.86SS-SINR11.0712.6916.65Throughput791.53803.51787.2915FSS-RSRP-108.2-110.5-107.83SS-SINR99.179.93Throughput602.39576.12567.820FSS-RSRP-

16、98.94-99.55-98.26SS-SINR10.9111.4114.16Throughput634.13557.91612.5325FSS-RSRP-87.94-82.58-83.46SS-SINR17.3420.8616.93Throughput739.71770.79781.01由上面的测试结果可以发现，在使用垂直波宽25时，使用水平波宽65，对提升25层的覆盖增益最为明显，同时其它楼层的覆盖也达到了要求。2.3测试小结对于利用室外站点覆盖高楼的场景来说，难点在于高层的覆盖，对于中、低楼层的区别不是很大，所以参数配置的重点应围绕高层的覆盖效果。正常来讲选择垂直波宽25是最佳选择，同时

17、根据覆盖地点与小区天线的夹角，确定最佳的方位角。在本次测试中，选择水平波宽65、垂直波宽25，达到了最佳的效果，其它的类似场景可参考本次测试结果。应用场景层高是否正对扇区首选Pattern备选Pattern高楼场景11层是S4(水平波宽45，垂直波宽6)S3(水平波宽65，垂直波宽6)否S3(水平波宽65，垂直波宽6)S2(水平波宽90，垂直波宽6)18层是S9(水平波宽45，垂直波宽12)S8(水平波宽65，垂直波宽12)否S8(水平波宽65，垂直波宽12)S7(水平波宽90，垂直波宽12)18层以上是S14(水平波宽45，垂直波宽25)S13(水平波宽65，垂直波宽25)否S13(水平波宽

18、65，垂直波宽25)S12(水平波宽110，垂直波宽25)三、广场场景测试方案选择有天线直接正对广场覆盖的场景进行测试，天线与被测试广场之间无遮挡且距离适当，目前选取合肥火车站站前广场进行测试。3.1测试方法对广场采用步测下行灌包的方式进行测试，最终以平均值统计结果。将HF-市区-站前路宜尚酒店-5G-1000116-2与HF-市区-站前路宜尚酒店-5G-1000116-3小区去激活，防止影响测试效果。测试路线如下：3.2测试过程3.2.1覆盖场景使用SCENARIO_1将HF-市区-站前路宜尚酒店-5G-1000116-1小区覆盖场景修改为SCENARIO_1（水平波宽110，垂直波宽6），

19、进行测试结果统计。SS-SINR SCENARIO_1SS-RSRP SCENARIO_13.2.2覆盖场景使用SCENARIO_3将HF-市区-站前路宜尚酒店-5G-1000116-1小区覆盖场景修改为SCENARIO_3（水平波宽65，垂直波宽6），进行测试结果统计。SS-SINR SCENARIO_3SS-RSRP SCENARIO_33.2.3覆盖场景使用SCENARIO_5将HF-市区-站前路宜尚酒店-5G-1000116-1小区覆盖场景由默认场景修改为SCENARIO_5（水平波宽25，垂直波宽6），进行测试结果统计。SS-SINR SCENARIO_5SS-RSRP SCENAR

20、IO_53.3测试小结对几种场景汇总统计覆盖场景名称SS-RSRP(dBm)SS-SINR(dB)Throughput DL(Mbit/s)SCENARIO_1(水平波宽110，垂直波宽6)-81.7222.35754.65SCENARIO_3(水平波宽65，垂直波宽6)-82.8520.51750.11SCENARIO_5(水平波宽25，垂直波宽6)-84.2418.30765.41在广场场景区域，由于没有明显的建筑物遮挡，可尽量选取水平波宽较大的覆盖类型。本次测试中，选择场景SCENARIO_1时，SS-RSRP和SS-SINR都达到了最优值，大多数场景可考虑借鉴本次测试结果。应用场景是否

21、有低楼需覆盖首选Pattern备选Pattern广场场景是S6(水平波宽110，垂直波宽12)S7(水平波宽90，垂直波宽12)否S1(水平波宽110，垂直波宽6)S2(水平波宽90，垂直波宽6)四、小区间干扰场景测试方案选取站点较为密集的区域进行测试，目前合肥市政府附近：怀宁路与长河西路交口、政务区人防二个站点已达到连片覆盖，故选取合肥市政府附近进行测试。4.1测试方法对合肥市政府附近进行DT测试，最终以平均值统计结果。由于合肥市政府东侧的覆盖较差，不利于本次的干扰场景验证，所以最终测试路线如下：4.2测试过程4.2.1使用默认场景测试，分析干扰情况按照规划的测试路线，进行第一次DT测试T0

22、（小区默认覆盖场景）并统计结果。平均SS-RSRP为-95.09dBm，平均SS-SINR为6.12dB。从SS-SINR分布可以发现有两个区域的质量较差，结合小区方位角决定对以下4个小区覆盖场景优化：政务区人防的的2、3小区；怀宁路与长河西路交口的1、2。SS-SINR SCENARIO_0SS-RSRP SCENARIO_04.2.2干扰小区使用覆盖场景SCENARIO_2将干扰小区的覆盖场景修改为SCENARIO_2（水平波宽90，垂直波宽6），进行测试结果统计。平均SS-RSRP为-94.38dBm，平均SS-SINR为7.66dB。SS-SINR SCENARIO_2 SS-RSRP

23、 SCENARIO_24.2.3干扰小区使用覆盖场景SCENARIO_3将干扰小区的覆盖场景修改为SCENARIO_3（水平波宽65，垂直波宽6），进行测试结果统计。平均SS-RSRP为-94.90dBm，平均SS-SINR为7.54dB。SS-SINR SCENARIO_3SS-RSRP SCENARIO_34.2.4干扰小区使用覆盖场景SCENARIO_4将干扰小区的覆盖场景修改为SCENARIO_4（水平波宽45，垂直波宽6），进行测试结果统计。平均SS-RSRP为-97.25dBm，平均SS-SINR为7.20dB。SS-SINR SCENARIO_4SS-RSRP SCENARIO_

24、44.3测试小结对几种场景汇总统计覆盖场景名称SS-RSRP(dBm)SS-SINR(dB)Throughput DL(Mbit/s)默认场景(水平波宽105，垂直波宽6)-95.096.12367.63SCENARIO_2(水平波宽90，垂直波宽6)-94.387.66435.15SCENARIO_3(水平波宽65，垂直波宽6)-94.907.54348.84SCENARIO_4(水平波宽45，垂直波宽6)-97.257.20309.45对于干扰较强的区域，在保证覆盖没有明显恶化的前提下，可以考虑适当降低扇区的水平波宽来降低干扰。本次测试中，选择场景SCENARIO_3时，在保证覆盖没有恶化

25、的情况下，SS-SINR达到最优，相对修改前平均提升了1.54dB。应用场景是否有低楼需覆盖首选Pattern备选Pattern干扰场景是S7(水平波宽90，垂直波宽12)S8(水平波宽65，垂直波宽12)否S2(水平波宽90，垂直波宽6)S3(水平波宽65，垂直波宽6)五、经验总结Massive MIMO结合波束赋形技术可以针对不同场景，选择不同的广播波束场景应用方案，同时设置相应的电子方位角和电子倾角，可以有效优化覆盖、提升用户感知。但是，不同组合下天线的参数权值超过万种，因此在5G的规划、优化中，快速选择正确的覆盖方案，能够大大节约时间，减少错误。本次测试结果，验证并输出了主要覆盖场景的

26、推荐覆盖方案，可供大多数场景参考、借鉴。应用场景层高是否正对扇区首选Pattern备选Pattern高楼场景11层是S4(水平波宽45，垂直波宽6)S3(水平波宽65，垂直波宽6)否S3(水平波宽65，垂直波宽6)S2(水平波宽90，垂直波宽6)18层是S9(水平波宽45，垂直波宽12)S8(水平波宽65，垂直波宽12)否S8(水平波宽65，垂直波宽12)S7(水平波宽90，垂直波宽12)18层以上是S14(水平波宽45，垂直波宽25)S13(水平波宽65，垂直波宽25)否S13(水平波宽65，垂直波宽25)S12(水平波宽110，垂直波宽25)应用场景是否有低楼需覆盖首选Pattern备选Pattern广场场景是S6(水平波宽110，垂直波宽12)S7(水平波宽90，垂直波宽12)否S1(水平波宽110，垂直波宽6)S2(水平波宽90，垂直波宽6)应用场景是否有低楼需覆盖首选Pattern备选Pattern干扰场景是S7(水平波宽90，垂直波宽12)S8(水平波宽65，垂直波宽12)否S2(水平波宽90，垂直波宽6)S3(水平波宽65，垂直波宽6)