印翀 冯伟

【摘  要】

在5G技术中，广播消息和系统消息都是采用波束扫描的方式进行传输，因此在5G网络开通时需要对波束的扫描图案进行规划，扫描波束的规划成败对用户的体验有着明显的影响。为了对波束资源进行合理的规划，通过对扫描波束特性进行了分析和探讨，列举了若干在规划中需重点考虑的准则，并提出一种扫描波束规划解决方案。研究证明，边缘UE的SSB接收性能有极大提升。

【关键词】5G;波束赋形;移动性管理;大规模天线

0   引言

随着5G牌照的发放，为了确保2020年的商用计划，国内各大运营商的5G试验网和商用网建设也加快了节奏。中国移动、中国联通和中国电信这三大运营商今年的5G投资总额预计在300亿左右，5G基站的建设数量将超过15万，分别会在至少40个城市覆盖网络并在部分城市率先推出5G服务。

在5G网络建设中网络规划是必不可少的，在规划的过程中，除了频谱、覆盖、业务这些常规元素的规划，5G网络还需进行波束的规划，其中最典型的就是扫描波束的规划，如果扫描波束规划不合适，小区和用户的性能将得不到保证。

1   波束扫描

波束扫描是指基站在特定周期内，波束采用预先设定的图谱进行发送和接收。为了保证获得一定的增益，单个波束赋形时会采用增益大的定向天线来形成较窄的波束宽度，而窄波束容易产生覆盖不足的问题，为了解决这个问题，通常会在时域上采用多个窄波束对整个区域进行扫描，从而来满足对小区的全面覆盖，如图1所示：

由图1可见，基站在小区内进行波束扫描，在周期内不同时间上，波束指向的角度是不同的，这样从时间维度上来看，波束是一个扫描的过程。波束在预定义的方向上以固定的周期进行传送。

在5G技术中，一些重要的流程也运用到了波束扫描，例如在小区搜索和初始随机接入过程中，UE需要与基站进行下行同步并接收系统消息，其中同步信号和系统消息块（SSB）就是采用波束扫描技术以固定的周期进行扫描和发送。特定位置的UE在其对应的波束上接收SSB来获得下行同步和系统消息，并在相同的波束方向上进行随机接入各消息的发送和接收。除了广播和接入信息之外，系统消息、paging等信息也是采用波束扫描来发送。由此可见，波束规划的成功与否将极大地影响到UE相关性能，进而影响到5G用户的业务体验，下文将对5G网络下扫描波束规划的方案进行研究和探讨。

2    扫描波束规划准则

2.1  SSB系列波束

在5G技术里，SSB采用固定的周期发送，周期可以是5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms或者160 ms。无论选择哪个周期，基站需在5 ms内完成全部SSB扫描波束的发送，即在周期的一段5 ms范围内，基站对整个覆盖范围进行一次SSB波束扫描，而下一次的扫描将在下个周期进行。

周期内SSB的最大数目和时域发送位置由子载波间隔和频段决定，以图2为例，5G小区子载波间隔为30 kHz，频段范围在3 GHz到6 GHz之间，规划了8个SSB，根据以上设置，所有SSB的发送图案由3GPPP协议中对应的公式{4， 8， 16， 20}+28×n生成，其中n=1和2，得到在一个半帧即5 ms内8个SSB起始符号数为{4， 8， 16， 20， 32， 36， 44， 48}，SSB索引=0～7。在时域上，每5 ms中的所有SSB称为ss burst，其按照SSB发送周期进行周期性传输。SSB周期是5 ms的倍数，因此在SSB周期大于5ms时，周期内ss burst的起始点也会有多种选择。在空域上，基站采用预设基带数字权值来生成多个不同方向的窄波束，结合时域上的SSB索引进行波束扫描，UE也根据接收到的SSB所标识的波束来发起后续的过程。

当SSB波束及索引规划完成后，5G下的系统消息和paging消息也会与各个SSB波束进行关联，一个SSB索引也会对应有一个系统消息波束和paging波束，其波束方向与所对应的的SSB波束是一样的，但发送时机会在时域上错开。

由上文可知，在同步信号接收以及后续的系统消息接收、paging、随机接入、切换、波束管理等过程，都会受波束的信号质量的影响，所需的信道相关信息如RSRP、RSRQ、Sinr等都是根据相应的扫描波束测量获得，因此扫描波束规划的优劣将直接影响到测量值，进而影响到相关重要流程。

2.2  规划准则

扫描波束规划的主要目的是优化小区内系统广播信号的强度和覆盖，要保证小区中心和边缘用户都能够接收到信号质量足够好的系统广播消息，不至于影响到相关流程。为了达成此目标，以下问题需要重点进行考虑：

（1）小区SSB上的参考信号在频域上与相邻小区错开

根据3GPP协议，SSB上参考信号的频域偏移计算如表1所示：

表中的v值表示小区物理ID模4的结果，由此可见SSB中，参考信号的频域偏移值有4個，并且与小区规划的物理ID（PCI）强相关。因此在做小区PCI规划时需保证相邻小区的PCI模4不相等即可。

（2）小区ss Burst所在的5 ms起始点与邻小区错开

SSB发送周期是5 ms的倍数，当本小区周期配置大于5 ms时，ss Burst所在5 ms起始点会有多个选择，如现阶段各厂商的SSB默认周期为20 ms，那么SSB起始点会有1 ms、6 ms、11 ms、16 ms这4个选择。在ss Burst规划时，尽量保证能够邻小区的ss Burst起始点位置错开。如果实在错不开，那么只有依赖单个SSB的扫描波束规划来做时域错开。

（3）小区边缘SSB波束时域上与邻小区错开

如果无法避免本小区与邻区的ss Burst起始点重合，那么可以在规划本小区扫描波束时，联合邻小区来一起规划，协作制定扫描波束图谱，目标是保证多个小区的波束不会同一时间扫向某一边缘区域，尽量保证同一时间上只有一个小区的扫描波束扫过。

图3是扫描波束联合规划示意图，同一时间发送的波束用相同底色表示，可以看到当经过联合规划，同一时间上，两个相邻小区扫描波束打向的区域是不同的，而在同一边缘区域上，不同小区扫描波束到达的时间也是不同，这样就能够保证小区间扫描波束的时域错开。

（4）系统消息、paging消息发送波束的错开

系统消息和paging消息也是以扫描波束的形式进行发送，波束的个数和图案与SSB波束一致，即每一个SSB波束都有一个对应的系统消息波束和paging波束，只是发送周期和发送时刻不同。因此小区间在错开ss Burst之外，系统消息和paging消息也尽量错开，如果实在无法错开，那么系统消息和paging消息的扫描波束图样顺序可以沿用SSB扫描波束相同的规划图样，只是沿用扫描波束顺序相同即可，波束扫描的周期和起始点可自行规划。

（5）扫描波束频域错开

SSB波束频域位置可配，但仅位于同步raster上。在3GPP协议中，GSCN（Global Synchronization Channel Number）对应同步raster，UE在GSCN频点上，对SSB进行搜索。因此相邻小区的GSCN可以配置有一定间隔以保证SSB在频域上错开。

同理，在资源调度中，也可以对系统消息和paging消息调度频带位置进行规划以保证在小区间的扫描波束在频域上能错开。

3   扫描波束规划方案

本文提出的方案将整个扫描波束的规划分为三个步骤：场景化波束初调、波束时频域资源划分、波束空间域动态调整。

（1）场景化波束初调

根据外场测试经验，在波束扫描规划中引入例如场景化机制，即根据不同场景配置不同的初始波束图样来适配各种典型的覆盖场景，如空旷地场景、密集城区室外场景、高层楼宇场景等。并根据各场景的特征和覆盖需求来初始化波束数量和方向，如覆盖高楼时要以垂直波束为主，垂直波束的数量与楼高有关。覆盖空旷区域以水平波束为主，水平波束的数量与覆盖角度有关。

扫描波束场景化示意表如表2所示：

在扫描波束初始规划时，针对不同的场景，可以选择对应的场景波束进行初步波束规划，即在确定规划场景后选择相对应的场景波束，如在楼宇场景就直接调用场景2的配置，此时配置少量个水平波束，根据楼高配置多个垂直波束，波束偏向于对高楼进行扫描大范围垂直角度的扫描。

（2）波束时频域资源划分

在初步选定场景配置后，波束数量和波束方向大致已确定，此时对个各个波束进行时频资源规划，规划的原则按照2.2节介绍的五个准则来进行。尽量保证各个小区扫描波束的时频资源都能够满足要求。

（3）波束空间域动态调整

根据方案的前两步能够完成扫描波束的静态规划，在理论上能够规划出扫描波束合适的时频域资源来减少邻区干扰等问题。但在空域上，波束规划与实际现网环境紧密联系，首次的规划往往达不到预期的效果，每个小区都需要进行多次的测试和上站调整来完成波束方向的细化，这样对人力成本和时间成本提出了较高的要求。针对此问题，方案在步骤3引入了一种动态的扫描波束调整方案，能够根据UE路测上报数据来动态的调整扫描波束的覆盖范围，以达到减少越区覆盖、乒乓切换以及邻区干扰等问题，能够极大地减少人力和时间成本。

在步骤3波束动态调整之前，小区边缘重叠区的波束构成基本确定，该区域内UE能够识别出各小区最优SSB索引，基站也能够通过UE的切换和随机接入来获取此处最优波束索引。因此路测中UE在此重叠区的行为和性能就能够反映出最优波束规划的效果。基站通过对UE接入和切换性能进行统计分析来得到扫描波束调整策略，从而能做到动态的对扫描波束进行调整以达成预期的目标。

图4是波束动态调整示意图，基站根据UE接入和切换统计量来确定波束调整方向，通过动态的调整窄波束的赋形权值来改变波束水平和垂直角度，消除非必要的覆盖，减少重叠覆盖区域，以避免乒乓切换。

UE在重叠区行为包括切换以及切换过程中的随机接入，基站需要对进出方向的乒乓切换概率、切换成功率进行统计。对基站范围内的UE行为进行加权统计：

当出现一次接入失败时，统计值=统计值+5;

当出现一次切出乒乓切换时，统计值=统计值-1;

对统计值进行维护，设定门限1和门限2。

当统计值大于门限1时，说明切换重叠区的扫描波束覆盖不足，需要对最优波束进行调整，波束的索引值通过UE切换测量上报和切换随机接入获取，对此SSB索引值对应的波束方向进行调整，首先减少垂直方位角1°，如一段时间内统计值还未降到门限1以下，则通过修改波束权值来调整水平波束，将切换区源小区和目标小区的最优波束夹角增加1°，以此循环，最终达到增大两个波束的重叠覆盖区域。

当统计值小于门限2时，说明源小区在重叠区的扫描波束过覆盖，需要对最优波束进行调整，波束的索引值通过UE切换测量上报和切换随机接入获取，对此SSB索引值对应的波束方向进行调整，首先增大垂直方位角1°，如一段时间内统计值还未升到门限2以上，则通过修改波束权值来调整水平波束，将切换区源小区和目标小区的最优波束夹角减少1°，以此循环，最终达到降低两个波束的重叠覆盖区域。

当通过N次调整统计值仍然不能满足门限要求时，基站需切换扫描波束场景进行重新规划。

为了验证本方案的性能，我们选择某一场景通过路测软件来对比规划前后边缘波束的信号强度，最终的比较数据如图5所示。

根据所选择场景为空旷平地的特点，场景化机制为小区初始化配置了7个水平波束。此时固化的初始波束时频域未经过与邻区错开，空间域也与环境不匹配，因此在小区地理边缘波束0上接收到的SSB波束性能比较差。在经过了时频资源划分和波束动态调整后，SSB波束时频资源和方向角度趋于合理，小区边缘上SSB的接收性能也達到很好的效果。

4   結束语

本文主要对5G网络建设中扫描波束的规划方案进行了探讨和分析，列举了扫描波束规划的时频资源划分准则，并介绍了一种扫描波束规划解决方案。方案通过场景化波束初调、波束时频域资源划分、波束空间域动态调整这三个步骤来完成扫描波束的规划，能够极大地提升边缘UE接收SSB的性能和移动性管理性能。依照本文所提出的方案，同样可以适用于小区中心区域的波束规划调整，但需要UE或邻区能够提供更多的输入值，这也是下一阶段研究的重点。

参考文献：

[1]   3GPP. 3GPP R1-1807689： Summary of Offline Discussion for NR RRM measurements[S]. 2018.

[2]   3GPP. 3GPP R1-1806703： Corrections on Paging Design[S]. 2018.

[3]   3GPP. 3GPP R1-1903686： Feature summary of Enhancements on Multi-beam Operations[S]. 2019.

[4]   3GPP. 3GPP TS 38.211： Physical Channel and Modulation （Release 15）[S]. 2019.

[5]    3GPP. 3GPP TS38.213： Physical layer procedures for control （Release 15）[S]. 2019.

[6]    3GPP. 3GPP TS38.214： Physical layer procedures for date （Release 15）[S]. 2019.

[7]    高秋彬. 5G新空口大规模波束赋形技术研究[J]. 信息通信技术与政策， 2018（11）： 7-14.

[8]    王舟. 毫米波大规模阵列天线波束扫描研究[J]. 通信技术， 2019，52（3）： 557-561.