基于用户分布场景的3D-MIMO权值优化研究

宋子睿　赵国华

【摘要】    随着4G网络的不断发展，新技术的应用也越来越多，3D-MIMO凭借其在高频覆盖容量和用户感知等多方面的优势，在TDD-LTE网络中发挥越来越大的作为，并成为4G向5G平滑演进的技术之一。随着3D-MIMO网络的不断发展，网络中存在3D设备愈来愈多，Massive MIMO技术能够提升小区容量的特性，但是用户分布场景可能有与3D权值不匹配的情况，从而导致用户流量受到压抑。因此提出对不同用户分布场景下最佳的3D-MIMO权值设置的研究，从而促进网络更加高效的运作。

【关键字】    5G    3D-MIMO    空间复用    波束赋性

一、研究背景

Massive MIMO可以作为波束赋形的另一种广义形式，但与传统的波束赋型有较大的区别。通过大规模得运用多矩阵多天线系统，达到了立体波束赋形和多流多用户资源复用的效果，从而高效提升网络容量和多维度覆盖。通过使用大规模多矩阵多天线系统对信号进行多模收发解调与处理，大幅提升单链路质量和多链路空分复用能力，有效抑制多用户之间的复用干扰，从而增强网络链路性能和提高分集传输能力，提高频谱使用效率和小区远近平均吞吐率[2]。

因此Massive MIMO可以具有以下增益[3]：

1.具备多天线的优点，具备更有效的波束赋型性能，更强的覆盖，以及更小的系统内干扰。

2.通过运用多矩阵多天线MIMO技术，带来数倍的网络能力提升，使网络能力的空间大幅扩展，运用多模算法能使普通终端进行复用匹配，提升网络系统频谱效率性能。

3.相比较传统水平维度的波束赋型，新增了垂直维度的波束赋型，实现立体波束赋形效果，借助更多更窄的用户级波束，有效提升多天线多用户的空分复用能力，因此可有效发挥网络系统的多流MIMO作用。

具体实现方式为：Massive MIMO通过对扇区内的小区波束进行权值加扰，可灵活调整扇区内多小区的波束收发方式，并对小区内用户分布进行采集匹配，从而获得空分复用增益和波束赋形增益，提升小区的系统容量。

二、波束原理

Massive MIMO波束分为业务波束与广播波束：3D-MIMO业务波束固定为32个波束（水平8波束 x 垂直4波束），相邻每波束之间的间隔为15°;广播波束随权值变化而变化，取值范围为水平波束Horizontal 15～90°，垂直波束Vertical 8～35°。

权值优化方式为首先采集32个业务波束的实际吞吐量分布及NI分布，从而确定热点用户所处区域;由于业务波束是根据物理方位角与下倾角固定分布的，常规上站调整耗费人力，而且用户热点有动态分布的特征，频繁上站调整耗费人力财力，需要有一种方式可根据用户分布场景灵活配置三维波束的波瓣宽度、波瓣方位与波瓣权值，因此广播波束权值优化应运而生。具体方式为根据业务波束的实际用户分布，将广播波束方位调向热点用户区域，并根据三维热点区域大小，做出相应的权值调整。

三、方案简述

3D-MIMO站点可使用广播波束权值来调整立体波束的分布，共13组权值，并具有31种电下倾角设置，不同用户分布场景使用不同的广播波束权值，从而使业务量最大化，基站收益最大化。那么，怎样进行进行权值设置，首先需要确认用户的分布。

Massive MIMO特有的属性能够提升现网系统小区的容量，但怎样进行进行权值设置，传统Massive MIMO的广播波束权值设置仅依靠人力，按照不用的用户分布场景进行手动配置优化，并不能保证最佳优化效果，况且在大批量进行Massive MIMO的优化设置时，手动的优化工作效率低下，因此，需要一种批量进行Massive MIMO广播波束权值优化的智能工具，该工具可以通过分析采集到的Massive MIMO各波束中的用户分布情况及各波束接收到的干扰情况，利用遍历寻优算法提供Massive MIMO广播波束权值的最佳设置。

3D-MIMO可使用13种广播波束权值来调整立體波束的分布，并具有31种电下倾角设置（-15°～+15°），不同的广播波束权值对应不同用户分布场景，从而使业务量最大化，基站收益最大化。3D MIMO在建网初期无法精确获取小区立体波束内的用户部署，初始的权值设置并不能达到广播波束的最佳覆盖。因此，本文提出了基于立体业务波束中的业务量分布及接收NI进行权值优化设置：通过立体业务波束级的流量分布情况来估算3D MIMO小区内的用户分布情况，并通过立体业务波束级的NI接收情况来估算3D MIMO小区的无线覆盖质量，通过遍历寻优算法，提供不同立体广播波束权值设置下Massive MIMO小区的业务量增益，从而找到最佳的广播波束权值优化设置。

广覆盖场景，可以选择水平宽波束，垂直窄波束的设置：

高层覆盖场景，根据楼宽与楼高，可以选择垂直宽波束、水平相对窄波束的设置：

四、方案实施-基于用户分布场景优化

4.1低层住宅场景优化

如下图所示， 0～1处为主瓣方向，每柱之间间隔为15°，该站83小区用户主要分布在中心波束区域，右边侧波束用户数冒尖，结合谷歌街景图，该区域为低层住宅区域，右侧有小高层住宅，ACP建议调整权值为：小区名称：A2_XD_3D杨家堡HLD_H-83，原权值：SCENARIO_2（H65V8）/Digital Tilt_6/Digital Azimuth_0，新权值，SCENARIO_10（H65V35）/Digital Tilt_10/Digital Azimuth_10，新权值预期吞吐量提升增益; 20.02%，以上小区为区域内的典型举例扇区，该区域为低层住宅区，通过遍历寻优算法对该区域连片的3D-MIMO小区进行权值调整，取调整前后各5天的话务指标，对比结果如下：

调整后LTE上下行流量增益44.02%，VoLTE语音话务量增益69.04%，下行PRB利用率增长4.62%，上行PRB利用率增长3.87%，小区内最大用户数增益52.81%，用户平均体驗速率有下降，整体增益上升明显。

4.2高层住宅场景优化

如下图所示， 0～1处为主瓣方向，每柱之间间隔为15°，该站232小区用户主要分布在中心波束两侧15～30°，该扇区主波瓣方向主要指向道路，用户多分布于两侧的高层楼宇内，ACP建议调整权值为：小区名称：A2_YZ_3D并州小学HLD_H-232，原权值：SCENARIO_2（H65V8）/Digital Tilt_3/Digital Azimuth_0，新权值：SCENARIO_12（H25V35）/Digital Tilt_7/Digital Azimuth_30，新权值预期吞吐量提升增益：26.80%，以上小区为区域内的典型举例扇区，该区域为高层住宅区，通过遍历寻优算法对该区域连片的3D-MIMO小区进行权值调整，取调整前后各5天的话务指标，对比结果如下：调整后LTE上下行流量增益21.80%，VoLTE语音话务量增益39.02%，下行PRB利用率增长3.78%，上行PRB利用率增长2.68%，小区内最大用户数增益27.47%，用户平均体验速率有下降，整体增益上升明显。

4.3高校场景与商业场景优化

高校场景修改前后：调整后LTE上下行流量增益40.92%，VoLTE语音话务量增益52.75%，下行PRB利用率增长2.32%，上行PRB利用率增长3.59%，小区内最大用户数增益59.22%，用户平均体验速率有下降，整体增益上升明显。

而商业场景优化前后：调整后LTE上下行流量增益6.33%，VoLTE语音话务量增益15.99%，下行PRB利用率增长2.03%，小区内最大用户数增益2.16%，用户平均体验速率有下降，整体增益上升。

五、结束语

通过采集3D-MIMO小区连续3天6忙时的波束级别的MR数据;3D-MIMO小区支持立体业务波束级的用户业务量采集及接收NI（干扰噪声）采集，通过分析各立体业务波束的用户业务量，可计算出3D-MIMO小区下的实际用户分布，从而支撑3D-MIMO小区进行波束方位角优化设置。通过遍历寻优算法，计算3D-MIMO小区立体广播波束权值调整后用户流失情况和立体广播波束权值调整后可挖掘的压抑用户，计算话务模型并提供建议广播权值参考（可根据实际场景调整），提供不同立体广播波束权值设置下3D-MIMO小区的业务量增益，从而找到最佳的广播波束权值优化设置。

此次试点范围内的3D-MIMO小区通过调整立体广播波束方位角、立体广播波束权值，增强广播信道覆盖，挖掘深度覆盖不足的压抑用户和吸收周边高负荷小区的业务量，此次试点结果：用户数增长32.89%，流量增长33.83%，话务量增长55.38%，下行利用率整体增长4.03%，上行利用率整体增长3.06%，单用户速率有所下降，总体增益明显。

参考文献

[1] 张彬， 温正阳. 3D-MIMO技术在后LTE时代中的应用[J]. 移动通信， 2015（10）.

[2] 张雅媛. 3D MIMO信道建模及性能分析[J]. 软件， 2014， 35（9）：115-119.

[3] 邓萌， 谢武胜， 马文，等. 基于3D MIMO解决高价值场景网络覆盖和容量的方法[J]. 电信工程技术与标准化， 2018， v.31;No.249（06）：89-92.

宋子睿（1984年9月1日），男，汉族，山西灵石，中国移动通信集团山西有限公司太原分公司，工程师，移动通信无线网优化

赵国华（1979年12月12日），男，汉族，山西长治，中国移动通信集团山西有限公司太原分公司，工程师，移动通信无线网优化