基于波束管理的5G小区边缘波束上行速率抖降研究

　　【摘 要】5G的业务类型及部署场景复杂，不同应用场景下速率需求不同，5G可通过NR波束管理或调整进行优化。从5G关键特性波束管理基本原理出发，结合广州塔央视5G高清4k直播遇到的上行速率抖降问题，分析验证并确定小区边缘弱覆盖优化方案，并通过实践验证方案的可行性。

　　【关键词】波束管理;加权;上行速率下降

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　　0 引言

　　移动性是历代移动通信系统重要的性能指标，该指标表示在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。因此，5G移动通信系统的设计需要支持更广泛的移动性。

　　1 波束管理原理简介

　　1.1 静态权和动态权

　　Massive MIMO有两种加权方式：一种是静态权，另外一种是动态权。

　　(1)静态权：静态波束对应的权值。UE反馈SSB索引或者CSI-RS索引，gNB通过索引与波束ID的映射关系，获得静态波束权值。

　　(2)动态权：SRS权或者PMI权。gNB通过SRS测量的信道估计获得SRS权，通过UE上报的PMI反馈获得PMI权。

　　UE在移动过程中，控制信道和广播信道采用预定义的权值生成离散的静态波束，各信道在每TTI都会选择各自的最优波束。因此在移动中UE可能会有静态波束切换更新。

　　C-BAND的AAU以64T64R为例，架构如图1所示。对于静态波束，在基带做数字加权。波束管理的范畴只涵盖静态权，即静态波束的管理。

　　波束管理具体包括波束扫描、波束测量、波束识别、波束上报和波束故障恢复等方面。

　　1.2 波束扫描

　　波束扫描是指在特定周期或者时间段内，波束采用预先设定的方式进行发送和/或接收，以覆盖特定空间区域。

　　为了扩大波束赋形增益，通常采用高增益的方向性天线来形成较窄的波束宽度，而波束宽度窄容易产生覆盖不足的问题，尤其在3扇区配置的情况下。为了避免这个问题，可以在时域采用多个窄波束在覆盖区域内进行扫描，从而满足区域内的覆盖要求。采用波束扫描技术，波束在预定义的方向上以固定的周期进行传送。

　　1.3 波束测量

　　波束测量是指gNB或者UE对所接收到的赋形信号的质量和特性进行测量的过程。在波束管理过程中，UE或者gNB通过相关测量识别最好波束。

　　下行方向上，3GPP定义了基于L1-RSRP的波束测量上报过程，以支持波束选择和重选，该测量可以基于SSB或者分配给UE的CSI-RS。采用L1-RSRP的考慮是，为了进行快速的波束信息测量和上报，测量将基于L1进行，而不需要L3的滤波过程。传统的L3 RSRP由高层上报，而5G中的L1 RSRP直接在物理层报告，因此其可靠性和信道容量都比较重要。

　　上行方向上，测量则基于SRS(探测参考信号)进行。SRS用于监测上行信道质量，由UE发送，gNB接收。UE可配置多个SRS用于波束管理，它们包含1到4个OFDM符号，占用分配给UE的部分带宽进行传送。

　　1.4 波束确定

　　gNB或者UE选择其所使用的Tx/Rx波束。下行波束由UE来确定，其判决准则是波束的最大接收信号强度应大于特定的门限。上行方向上，移动终端根据gNB的方向传送SRS，gNB对SRS进行测量以确定最好的上行波束。

　　如果gNB侧能够根据UE的下行波束测量结果来确定上行接收波束，或者gNB侧能够根据上行接收波束的测量结果来确定下行发送波束，则gNB侧可认为Tx/Rx波束是一致的。

　　同样，如果UE侧能够根据UE的下行波束测量结果来确定上行发送波束，或者UE能够根据UE的上行波束测量结果来确定UE的下行接收波束，且gNB支持UE的波束一致性相关的特性指示信息，则UE侧可以认为Tx/Rx波束是一致的。

　　1.5 波束报告

　　确定最好波束后，UE或者gNB将所选择的波束信息通知给对端。另外，gNB和UE侧还需要进行波束错误恢复等相关工作。使用多波束操作时，由于波束宽度比较窄，波束故障很容易导致网络和终端之间的链路中断。当UE的信道质量较差时，底层将发送波束失败通知。UE将指示新的SS块或者CSI-RS，并通过新的RACH过程来进行波束恢复。gNB将在PDCCH上传送下行设定或者UL许可信息，来结束波束恢复过程。

　　2 案例分析

　　2.1 问题概述

　　央视新媒体实验室协同广州电信共同完成4k高清直播，地点选定在广州塔，采用游船的拍摄方式。演示业务类型为视频回传，无线侧通过CPE连接5G基站，再到核心网，并通过专线，整条链路打通5G网络，将拍摄内容回传至北京演播大厅。

　　本次演示首次接入5G SA网络进行移动性场景尝试，涉及站内小区，站间切换等调试业务，此前CPE均在定点进行演示，未涉及移动性场景，难度较大。站点部署完成后，进行业务调测过程中发现在跨站切换发生前几秒，上行速率有抖降现象，在切换点前速率上行速率下降到50 Mb/s以下，演播厅回传画面出现花屏。

　　2.2 问题分析

　　(1)网络拓扑

　　业务演示网络拓扑如图2所示。

　　(2)站点分布

　　如图3所示，主用南岸搬迁2扇区+电视塔室外1扇区满足覆盖。

　　(3)测试分析

　　分析测试log发现，问题并不是切换产生，而是切换前就已经有速率下降现象，同时上行MCS同步下降，上行SRS和DMRS RSRP在掉坑点都陡降10 dB以上，上行SRS和DMRS SINR也是陡降10 dB。

　　(4)速率分析

　　此时最优2波束一直在变化，概率是0/32波束，已经在小区边缘(水平负60°以外、垂直负10°以外)，超出小区覆盖范围，波束落入衰落点的概率加大，进而速率陡降。

　　2.3 原因定位

　　华为现版本产品实现是上行PMI静态权值波束，不如下行基于用户移动的动态權值波束变换，因此超出覆盖水平正负60°，垂直正负10°，上行峰值速率就会受损。

　　2.4 处理方案

　　如图4所示，增加主覆盖小区到三个，精准控制覆盖，避免用户移动到最佳波束覆盖范围外。

　　2.5 成效

　　优化后，如图5所示，RSRP在航线上稳定在-95 dBm以上，演示航路上平均SINR为19 dB左右，SINR覆盖良好，演示航段速率基本稳定在50 Mb/s以上，能够满足央视视频直播回传的需求。

　　3 结束语

　　针对5G上行大带宽需求，需提前结合实际场景需求，保障重点区域覆盖情况，尽量避免水平和垂直夹角过大的场景。建议可以配合厂商5G智能仿真预估覆盖情况和测试效果，结合现场测试，确定最终的网络部署方案。

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