基于性能和成本平衡的5G天线最佳覆盖场景方案.pdf

Vol.43No.2Jun.2023Shandong CommuniionTechnology山东通信技术第43卷第2 期2 0 2 3年6 月基于性能和成本平衡的5G天线最佳覆盖场景方案李晓凤，杜援，黄明娟，郭振红，李恒（中国联通济南市分公司，山东济南2 50 0 14）摘要：不同场景在5G覆盖和容量上的需求是不同的。对比不同的天线类型，提出其适用的覆盖场景，对高负荷场景进行8 TR和6 4TR天线对比实验，从不同维度分析该类场景下6 4TR天线的增益。关键词：高负荷；天线类型；覆盖场景1引言随着5G网络的发展、终端渗透率的增加，5G用户分布模型趋向稳定，用户对网络使用有了更高的需求。对于5G场景，城区、县城和农村在覆盖和容量上的需求是不同的，在高校、工业园区、城市干线和乡镇农村等场景的覆盖和容量上的需求也是不同的。不同的天线各有优劣势。5GMassiveMIMO利用大规模多天线系统，实现了多流多用户资源复用和三维波束赋形，提升了系统容量和立体覆盖，是5G的重要技术之一。64TR/32TR设备标准配置5GMassiveMIMO，可实现水平和垂直方向的3D波束赋性，但存在天线设计复杂度高、体积大、造价高的缺点。16 TR/8TR天线相对成本较低、体积较小，但在水平、垂直波宽的广度上，其天线增益等方面略逊于6 4TR/32TR设备。本文针对不同的天线类型进行对比，提出其适用的覆盖场景，实现在覆盖、容量、成本等方面的最佳平衡，并对高负荷场景进行8 TR和6 4TR天线对比实验，从不同维度分析该类场景下6 4TR天线的增益。2天线原理差异性SSB（Sy n c h r o n i z e d Si g n a l Bl o c k，同步信号）属于广播波束信号，反映广播信道的质量，影响5G终端的初始接入和切换性能，决定小区在路面及整网的覆盖范围。CSI-RS属于控制波束信号，反映业务信道的质量，影响5G终端的CQI上报、MCS选阶、RANK等，决定用户的体验速率2 。因此，主要从SSB-RSRP和CSI-RS两方面进行对比（1）SSB-R SR P差异性64TR/32TRAAU使用多个SSB波束时，通常每个时刻发送一个方向的波束，不同时刻发送不同方向的SSB波束，完成对整个小区的覆盖。其中，每个SSB波束宽度为15，SSB水平波宽为10 5，垂直波宽6，AAU天线增益为2 5dBi。6 4T R A A U 水平面与垂直面波束如图1所示。图1（64TRAAU水平面与垂直面波束8TR RRU外 接 NGMN（Ne x t G e n e r a t i o n M o b i l eNetwork）适配天线，每个SSB子波束波宽约为2 0，总水平波宽为12 0，垂直波宽5，天线增益16.5dBi。8TRRRU水平面与垂直面波束如图2 所示。收稿日期：2 0 2 3-0 5-0 2作者简介：李晓凤（1994-），女，硕士，研究方向为无线网络优化。E-mail：l i x f 355 c h i n a u n i c o m.c n62023年山东通信技术图2 8 TRRRU水平面与垂直面波束8TR相对6 4TR在水平、垂直波宽的广度上均存在差距，同时考虑天线增益的差异，8 TRRRU射频线引人损耗，6 4TR的窄波束增益也会在波束上体现能力密度的差异。（2）CSI-R S差异性对于下行业务传输，由于接收端为UE，基站无法通过测量下行信号的SINR以评估下行信道质量，因此，UE通过CQI（Ch a n n e l Q u a l i t y In d i c a t o r，信道质量指示）向基站反馈其下行信道质量。UE通过测量基站下发的参考信号CSI-RS信号的SINR进行CQI测量，基站根据UE的CQI反馈以决策UE下行传输要使用的MCS（M o d u l a t i o n a n d Co d i n g Sc h e me，调制和编码方案）。对于CSI-RS信号，通过SRS波束测量，选择RSRP最大的波束给CSI-RS使用。TDD低频32 TR及以上小区，CSI-RS支持多种波束类型、波束数量，用于CSI反馈和PDSCH信道PMI权值的计算。增加CSI-RS波束数量可以提升CSI-RS信道覆盖，提高波束指向准确性。64TR最大用户级CSI-RS波束数量可达32 个，8 TR最大用户级波束为4个。6 4TR-CSI-RS与8 TR-CSI-RS对比如图3所示。图364TR-CSI-RS 与 8 TR-CSI-RS对比相对8 TR，6 4T R 的控制波束管理为用户选择最优的波束，提高波束指向的准确性，从而提高目标用户的解调信噪比和传输成功率，增强用户级信道或信号的覆盖范围。3天线性能对比及适用的覆盖场景由于16 TR设备性价比较低，但某运营商无此设备，因此，针对6 4TR、32 T R 和8 TR设备从不同场景的覆盖和容量两方面进行对比，如表1、表2 所示。表1覆盖能力对比Band3.5 GHz(100 MHz)相对6 4TR达成率场景(Bandwidth)nTnR64TR 32TR8TR32TR8TRDL(100 Mbps)1551288582%55%DL(50 M)19516110883%56%密集DL(10 M)21818012283%56%城区UL(10 Mbps)45413191%69%(m)UL(5 M)59544292%72%UL(1 M)90836793%75%DL(100 Mbps)40933822983%56%DL(50 M)51342428883%56%DL(10 M)57547532383%56%城区UL(10 Mbps)1221139193%75%(m)UL(5 M)15214211593%76%UL(1 M)22621017293%76%DL(100 Mbps)40933822983%56%DL(100 Mbps)94578152983%56%DL(50 M)1,18798066583%56%郊区DL(10 M)1,3291,09874583%56%(m)UL(10 Mbps)25223419293%76%UL(5 M)31429223993%76%UL(1 M)46343135493%76%DL(100 Mbps)1,8951,5641,06083%56%DL(50 M)2,3821,9671,33283%56%乡镇DL(10 M)2,6702,2041,49383%56%(m)UL(10 Mbps)47644236293%76%UL(5 M)59255145193%76%UL(1 M)87481366793%76%表2 容量能力对比（倍数关系）8TR32TR64TR类别场景8HIV16H2V16H4V密集城区高楼宏站1.02.94.6(ISD=200 m)下行容量增益密集城区低楼宏站1.02.83.7(Full buffer)(ISD=300 m)（倍数）普通城区1.02.43.1(ISD=500 m)郊区(ISD=900 m)1.02.12.4密集城区高楼宏站1.03.44.2(ISD=200 m)上行容量增益密集城区低楼宏站1.03.43.7(Full buffer)(ISD=300 m)（倍数）普通城区1.03.03.3(ISD=500 m)郊区(ISD=900 m)1.02.52.7基于以上分析，再结合天线投资成本，由于6 4TR设备在密集城区的覆盖和容量增益较大，并且有更高的第2 期李晓凤，基子性能和成本平衡的5 G天线最佳覆盖场景方案频谱效率，具备三维立体覆盖的能力和较强的抗干扰能力，因此，6 4TR的MassiveMIMO3D赋形天线更适用于密集城区，能够容纳更多的用户和提高小区边缘用户体验速率。MassiveMIMO算法复杂，而大规模的天线阵列增加了天线的体积和重量，由于天线造价昂贵，考虑到投资成本，6 4TR并不适用于所有场景。对于32 TR设备，普通城区天线通道数的增加并没有获得明显的覆盖和容量增益，更适用于普通城区场景。广域覆盖时不需要在垂直方向进行波束的数字扫描，常规的波束电下倾调整就可以满足网络的覆盖要求3，并且8 TR设备成本较低，所以更适用于郊区和乡镇场景。4高负荷场景6 4TR与8 TR对比测试随着5G建设投资收紧，某些高负荷场景下安装了8TR设备。在分析指标的过程中，发现部分8 TR站点的质差小区过多，用户感知速率低，且用户投诉集中。因此，某运营商在投诉集中的山东现代学院11号学生宿舍楼开展了对比测试。山东现代学院11号楼5G由10 号楼楼顶宏站小区JNGX1557-HW-S3H-联通-现代职业学院10 号学生宿舍楼-B1小区覆盖，10 0 M带宽，原RRU类型为RRU5818，小区发送接收模式为8 TR。根据投诉情况，现场测试数据发现，在投诉所在楼层走廊5G覆盖RSRP在-95dBm以下,南侧宿舍内RSRP在-10 5dBm左右，楼内小区间切换较多，RANK主要为1、2；投诉集中区域（东侧）下载速率在2 0 Mbps左右。为解决投诉，需解决覆盖、RANK低等问题，以增强楼内覆盖，增加高阶RANK占比。因此，替换10 号楼B扇区原有8 TR设备，替换为AAU5639W，小区发送接收模式为6 4TR，前后发射功率设置相当，替换后波束场景修改为默认场景。（1）现场测试结果对该宿舍楼室外道路、室内各楼层进行拉网测试，对比RSRP与SINR。1）室外道路测试结果：替换前后PCI分布图层如图4所示。该扇区PCI为56 4，可以看出替换后扇区覆盖范围扩大。替换前后RSRP对比图层如图5所示，替换前后SINR对比图层如图6 所示。经统计，替换前8 TR设备平均RSRP为-7 4.32 dBm，替换后6 4TR设备平均RSRP为-7 3.55dBm，提升0.7 7 dBm；替换前8 TR设备平均SINR为19.3dB，替换后6 4TR设备平均SINR为21.5 dB,提升 2.2 dB。562563563563479564.564563.563479479563479563479564479423479替换后564替换前564423479564564564564564564564564564564564564479423423564479423422479423422422479564479479569422479479479422479569422422569422422569569569569569569422422569.图4替换前后PCI分布图层对比-82.28-76.15-75.9370.1-81.1-81.28-74.45-69.09-74.03-73.4-72.7-75.879.93-74.75-74.25-74.35-72.35替换后-75.38替换前-76.6-75.12-67.5-69.03-72.01-70.68-70.32-76.68-71.5-74.79-76.2-75.07-72.12-74.25-73.43-74.6-73.79-75.32-79.18-81.88-71.98-76.93-89.2-79.582.7-83.78-68.2-78.85-72.38-71.07-66.78-79.45-74.38-78.22-72.9573.5-68.3-77.8475.3图5替换前后RSRP图层对比8.910.0214.8226.0214.0713.5511.821.45-0.984.623.5512.3812.0517.022.85替换后4.89.3214.624.8替换前16.922.8813.1815.19.3127.4226.4829.54.1820.0526.87.850.229.81113.057.57.99.77.764.557.033.95.27.754.729.342214.187.955.7242214.9818.41718.717.8512.8812.614.6918.02图6 替换前后SINR图层对比2）室内各楼层测试结果：设备替换前后室内各楼层平均RSRP值如表3所示，拉网结果如图7 所示。可以看出11号楼1至6 层替换前8 TR设备平均RSRP为-92.6 6 dBm，替换后6 4TR设备平均RSRP为-8 7.6 6dBm，提升5dBm。并且10 号楼B扇区采样点占比也由8 2.8 8%提升至94.12%，说明6 4TR设备的覆盖性能优于8 TR设备。82023年山东通信技术表3室内各楼层RSRPRSRP(dBm)平均提升10号楼B扇区采样点占比覆盖区域8TR64TR8TR64TR11栋1F-99.65-93.745.9170.18%86.67%11栋2 F-95.03-88.286.75100.00%100.00%11栋3F-91.43-88.452.9977.08%100.00%11栋4F-85.55-84.111.4487.50%100.00%11栋5F-91.18-82.109.0897.92%85.19%11栋6 F-93.11-89.303.8164.58%92.86%MERRSRPRRGRSRP11栋1F11栋2 F11栋3F11栋4F11栋5F11栋6 F图7 室内各楼层RSRP设备替换前后室内各楼层平均SINR值如表4所示，拉网结果如图8 所示。可以看出11号楼1至6 层替换前8 TR设备平均SINR为10.8 3dB，替换后6 4TR设备平均SINR为16.7 7 dB,提升5.95dB。表4室内各楼层SINRSINR平均提升覆盖区域8TR64TR11栋1F9.3214.425.1111栋2 F9.2417.027.7911栋3F10.2916.416.1211栋4F15.4323.407.9711栋5F11.6919.017.3211栋6 F8.9810.361.38整换的SNR11栋1F11栋2 F11栋3F11栋4F11栋5F11栋6 F图8 室内各楼层SINR对LOG进一步解析对比，覆盖楼宇平均CQI、平均RANK和平均下载速率均有提升，结果如表5所示。可以看出，替换前后平均CQI由10.37 提升至12.35，平均RANK由1.48 提升至2.3，平均下载速率由145.2 7Mbps提升至18 3.58 Mbps。表5室内各楼层CQI/RANK/下载速率对比8TR64TR平均提升覆盖下载速率下载速率下载速率区域CQIRANKCQIRANKCQI RANK(Mbps)(Mbps)(Mbps)11栋9.281.53127.6711.332.14158.462.050.6130.791F11栋9.081.44131.0911.951.87181.252.870.4350.162F11栋11.341.41137.3412.322.39181.080.980.9843.743F11栋11.971.53191.9212.852.52214.660.880.9922.744F11栋10.971.57181.6513.212.67204.192.241.122.545F11栋9.591.39101.9412.432.19161.822.840.859.886F(2)KPI分析天忙时流量与平均用户数变化如图9、图10 所示，可以看出，替换6 4TR设备后，流量与用户数均有所增加，其中忙时流量平均增长约2 8.4%，忙时平均用户数增加约35.6%，符合增加5G基站系统通道数能够增加多用户的接人容量的预期。流量变化16001505.231444:3214001295.291197.741217.2712001094.41995.561018.681000850.30869.90817.39846.66776.15771.40800600400121.41124.7712.80135.22114.01127.60116.54124.20124.12160.07156.73142.50 145.861551720002023-03-212023-03-222023-03-252023-03-282023-03-302023-03-312023-04-02天忙时流量（GB）天总流量（GB）图9替换前后流量变化平均用广数变化350163.43150.49145.83150:34300111.94116.34116.2825097.04101.1188.9593.2491.85 93.3320087.30163:43150.49145.83150.34150111.94116.34116.2887.3088.9593.2497.04101.1191.8598.331005002023-03-212023-03-222023-03-282023-03-312023-04:01平均用户数-忙时一平均用户数?天图10替换前后平均用户数变化继续对比上下行忙时速率变化，如图11所示，可以看出，替换前后上下行忙时速率变化不大。经分析，替换设备后由于用户数和流量增加，所以上下行忙时速率无明显变化属于正向增益，符合预期效果。9第2 期李晓凤，等：基于性能和成本平衡的5G天线最佳覆盖场景方案上下行忙时速率变化文6052.645038.6838.894031553024.02255221.69217918.7918120.2152013.9515.466.677.70725.475.687.16104.904.544.904.754.424.324.695.2002023-03-212023-03-272023-03-282023-03-31一用户下行速率（Mbps)用户上行速率（Mbps）图11替换前后上下行忙时速率变化替换前后平均覆盖TA变化如图12 所示，可以看出，替换6 4TR设备后平均TA值有较大提升，符合结果预期。平均TA变化趋势20017940177.90180159.48151:36160142.491408.281539215312150:49150.8312010079.37 79.1880.1181.5683.1680.1275.5082.14.82.080838286.5587.7385.15607983766174.47808879.5140202023-03-202023-03-212.023-03-222023-03-282.023-04-01一平均TA（米）天级平均TA（米）-忙时图12替换前后平均覆盖TA变化继续对比其他性能指标，如图13所示。可以看出，平均CQI有稳定提升，上下行MCS与设备替换前略有提升，但下行调度RANK1的比例下降，RANK4的比例大幅提升，可见更换6 4TR设备后频谱效率有较大提升。平均CQI变化12.212.0111.9611.9911.931211.7611.811.5611.5711.611.5111.4911.5111.5211.5011.4811.49.11.6911.6411.5911.6111.5811.4114211.211.3511.3311.3411.2511.2111.1811.181111.1710.810.62023/3/202023/3/212023/3/222023/3/232023/3/24 2023/3/252023/3/26 2023/3/272023/3/282023/B/292023/3/302023/3/312023/4/12023/4/2一天忙时天级上下行MCS变化25221922.4822.7623.07234423.192181218221.8420:6119.64196519.3919.57-2022.042245225421.76219720.9020.6519:31193919471517.47166516:9216.05106.826.686.756.70697.327.307.047.05714717.167.1774157.027036.746.77707.346767.126.777447327.577057.3402023-03-212023-03-222023-03-232023-03-242023-03-252023-03:262023-03:272023-03-282023-03-302023-03-312023-04-012023-04:02DL-MCS-忙时-DL-MCS.天UL-MCS-忙时UL-MCS-天忙时下行调度RANK比例变化706057.065838587357.1555.74552254665683504640341545834.68342832.2834.56268127.4726.992825380682028163024.61250725.3925.3422673020276228.9327.37202:0511.7713.50117210:961015110410.9610:63.9.729459478.589.90109426.615.596.545.696.416.146.910L55202023-03-202023-03-222023-03-242023:03-252023-03-282023-03-292023-03-302023-03-31一下行调度RANK1比例（%）一一下行调度RANK2比例（%)下行调度RANK3比例(%)下行调度RANK4比例(%)天级下行调度RANK比例5047:524604451445.6546.35443344242904542.684033.643494353182318431.29305331.913988312328.7928:94288426.9426.91285230252958266827.612756201501142225 24153140011581346132913691418129811321269151011.8710.7910.3411.60112812:1059.569.77943092-0-E202202.3-03-222023-03-292023-03-30行调度RANKI比例（%）一一下行调度RANK2比例（%）下行调度RANK3比例(%）下行调度RANK4比例(%)图133关键指标对比5结论本文针对不同的天线类型进行对比，建议6 4TR设备用于密集城区覆盖场景，32 TR设备用于普通城区覆盖场景，8 TR设备用于郊区和乡镇覆盖场景，实现在覆盖、容量和投资成本等方面的最佳平衡。选取高负荷场景一山东现代学院进行现网8 TR和6 4TR天线对比实验，从不同维度分析该类场景下6 4TR天线的增益，发现其在容量、覆盖和频谱效率方面更优。参考文献：1卜斌龙，林学进，孙全有.5G宏网天线覆盖解决方案及现网融合技术.移动通信,2 0 19,43(4).2孙广新.智能天线在5G通信中的应用研究1.科学技术创新,2 0 19(6).3苏凤轩，陈楚雄，陈孟香.5G各类场景的天线覆盖解决方案J.邮电设计技术,2 0 2 0(8)