基于5G Rank優(yōu)化提升5G NR速率的研究

（CWW）隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)逐步推進(jìn)，當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與4G差距越來(lái)越小，更多的4G用戶遷移至5G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)如何為用戶提供優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)的體驗(yàn)，成為目前運(yùn)營(yíng)商面臨的主要問(wèn)題。5G網(wǎng)絡(luò)是4G網(wǎng)絡(luò)的延展，單純覆蓋好已經(jīng)不能體現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)價(jià)值優(yōu)勢(shì)，5G終端較4G終端的優(yōu)勢(shì)是有較多的天線端口支持（5G商用主流配置為2T4R）。在通信系統(tǒng)中，UE(終端)根據(jù)無(wú)線CSI-RS參考信號(hào)進(jìn)行信道估計(jì)，計(jì)算出下行信道相干性最小的最大流數(shù)，稱之為“Rank”，中文譯為“秩”，UE通過(guò)CSI將RI(Rankindicator，秩指示)上報(bào)給基站。

而5G Rank(流)對(duì)用戶速率影響很大，在良好覆蓋下Rank低將直接導(dǎo)致速率低，用戶感知與4G無(wú)異，如果Rank多1流則下行速率可多百兆。利用5G終端可支持更多流的特性，提升5G用戶Rank流數(shù)成為5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的關(guān)鍵，網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的好壞最終取決于Rank的差距。由于Rank受無(wú)線環(huán)境、終端天線、AAU天線、信道相關(guān)性等因素影響較大，且提升Rank優(yōu)化過(guò)程中單點(diǎn)分析耗時(shí)耗力，如何快速精準(zhǔn)提升5G Rank成為當(dāng)前及未來(lái)優(yōu)化的主要研究對(duì)象，本文給出現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用3D覆蓋仿真建模工具預(yù)測(cè)Rank的優(yōu)化方法及優(yōu)化效果呈現(xiàn)。

Rank的原理和計(jì)算方式Rank原理在通信領(lǐng)域，空間復(fù)用技術(shù)指在不同的天線上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，也叫空間多路復(fù)用。衡量空間復(fù)用的標(biāo)準(zhǔn)是看一個(gè)系統(tǒng)每個(gè)時(shí)刻最多可以發(fā)送多少個(gè)不同的數(shù)據(jù)，被稱為“自由度”，也就是我們說(shuō)的Rank，Rank越大，復(fù)用增益越大。碼字通過(guò)層映射映射到各個(gè)流上，層數(shù)越多速率就越高，而Rank決定了層的數(shù)量。

相對(duì)于基站發(fā)射信號(hào)可區(qū)分為單流和多流，單流將1個(gè)時(shí)頻資源調(diào)度1次，分配給1個(gè)用戶；多流將1個(gè)時(shí)頻資源調(diào)度1次，分配給N個(gè)用戶。如圖1所示。

圖1 基站單流、多流波束對(duì)比

當(dāng)用戶所處環(huán)境滿足空間復(fù)用條件時(shí)，單用戶可產(chǎn)生多流，有多少個(gè)流，就會(huì)有多少個(gè)波束射向這個(gè)UE 。如圖2所示，波束1的信號(hào)直射到UE，波束2的信號(hào)通過(guò)反射后達(dá)到UE，當(dāng)這兩條路徑不相關(guān)時(shí)，就可以構(gòu)成兩流，而這兩流就是由兩個(gè)波束構(gòu)成的。

圖2 UE空間復(fù)用波束路徑

UE每根物理天線上都能接收到所有波束的信號(hào)，UE的天線數(shù)決定了調(diào)度的最大流數(shù)，但是Rank的限制是小于發(fā)送天線數(shù)和接收天線數(shù)中的最小值。

終端上報(bào)的RI為MIMO方案中天線矩陣的秩，表示N個(gè)并行的有效數(shù)據(jù)流。終端根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合終端下行天線數(shù)、基站側(cè)下發(fā)的Port數(shù)，對(duì)下行信道進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行數(shù)字化線性運(yùn)算，計(jì)算出相關(guān)性最小的秩并上報(bào)基站，基站根據(jù)RI選擇Rank并遵循一定規(guī)則，如表1所示。

當(dāng)上報(bào)的CSI-RI為1時(shí)，基站選擇Rank1；當(dāng)CSI-RI上報(bào)值為2或3時(shí)，基站選擇Rank2；當(dāng)CSI-RI為4至8時(shí)，選擇Rank4。

表1 CSI-RI與Rank對(duì)應(yīng)關(guān)系

影響Rank的因素RI由UE通過(guò)CSI上報(bào)給基站，如何得出Rank通常有3個(gè)要素：終端因素、基站調(diào)度、無(wú)線環(huán)境。

●終端因素終端計(jì)算RI的方法都是按Massive MIMO統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的，但由于每部終端的天線數(shù)量、硬件性能均存在差異，導(dǎo)致相同無(wú)線環(huán)境下每個(gè)終端計(jì)算的信道情況也存在差異。在無(wú)線環(huán)境相同的情況下，5G終端是否能夠?qū)崿F(xiàn)更高的Rank，這取決于終端下行的天線數(shù)量，目前商用終端主流配置為2T4R，則終端可用Rank數(shù)≤4。

●基站調(diào)度CSI-RS數(shù)據(jù)配置，RI是UE基于對(duì)CSI-RS參考信號(hào)的測(cè)量得到的，CSI-RS為用戶級(jí)參考信號(hào)，基站滿帶寬發(fā)送CSI-RS參考信號(hào)，即每個(gè)PRB上均有CSI-RS，每個(gè)用戶占用不同的CSI-RS資源，終端根據(jù)信號(hào)預(yù)估最優(yōu)的Rank。基站側(cè)CSI-RS數(shù)據(jù)配置會(huì)影響終端對(duì)RI的測(cè)量，其中CSI-RS Port數(shù)直接影響UE上報(bào)RI的最大值，滿足RI最大值≤CSI-RS Port數(shù)。

基站波束配置，對(duì)每個(gè)小區(qū)的波束配置，對(duì)波束覆蓋方向及范圍有直接的影響，并且直接導(dǎo)致終端測(cè)量計(jì)算RI時(shí)產(chǎn)生差異。

基站算法調(diào)度，目前基站有3種主要的權(quán)值調(diào)度算法，分別為開(kāi)環(huán)權(quán)、PMI權(quán)、SRS權(quán)。選擇不同的權(quán)值，Rank的計(jì)算結(jié)果存在差異。

●環(huán)境因素除終端配置和基站調(diào)度因素外，無(wú)線環(huán)境是影響終端上報(bào)RI的主要因素，無(wú)線環(huán)境包括下行信道干擾情況、空口多徑情況等，所處環(huán)境不同的終端對(duì)信道的測(cè)量計(jì)算結(jié)果不同，在干擾小、多徑復(fù)雜的情況下終端計(jì)算RI數(shù)值高，相應(yīng)Rank流數(shù)大、速率高。

5G Rank系統(tǒng)優(yōu)化提升的三大措施如圖3所示，5G Rank系統(tǒng)優(yōu)化提升的常規(guī)手段有3個(gè)：工程問(wèn)題排查、信號(hào)質(zhì)量提升、空間環(huán)境調(diào)整。

圖3 5G Rank優(yōu)化手段

工程問(wèn)題排查

主要為天饋系統(tǒng)通道故障、AAU能力下降,導(dǎo)致終端無(wú)法正常解析信號(hào)并正常上報(bào)RI信息，重點(diǎn)關(guān)注基站告警，并及時(shí)進(jìn)行故障處理。

信號(hào)質(zhì)量提升

在5G網(wǎng)絡(luò)中Rank越高，引入網(wǎng)絡(luò)的流間干擾越高，導(dǎo)致MCS降低，但干擾又是計(jì)算RI的必要條件且呈正比關(guān)系，因此在Rank和干擾間尋求最佳值是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的宗旨。在基站狀態(tài)正常且空間環(huán)境復(fù)雜的情況下，如果Rank指標(biāo)差，需要通過(guò)干擾分析、覆蓋優(yōu)化、基站參數(shù)調(diào)優(yōu)等手段提升下行信號(hào)質(zhì)量，從而減少空間信號(hào)相互干擾以提升Rank。

空間環(huán)境調(diào)整

復(fù)雜的多徑環(huán)境、良好覆蓋是提升Rank最有效的手段。對(duì)多徑不復(fù)雜的區(qū)域，需要?jiǎng)?chuàng)造多徑條件，其主要優(yōu)化手段是結(jié)合用戶所在地理環(huán)境，通過(guò)改變天線的覆蓋角度，增加建筑及地面反射，為用戶創(chuàng)造多徑條件。

基于3D仿真的Rank優(yōu)化實(shí)踐5G Rank的優(yōu)化難點(diǎn)為空間覆蓋環(huán)境優(yōu)化，常規(guī)優(yōu)化手段分析Rank時(shí)需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)分析，測(cè)試及分析所需人力多，多點(diǎn)分析時(shí)間周期長(zhǎng)，導(dǎo)致全網(wǎng)Rank提升優(yōu)化效率低。應(yīng)用某設(shè)備廠商首創(chuàng)的基于3D覆蓋仿真建模的Rank預(yù)測(cè)優(yōu)化工具，通過(guò)Rank仿真調(diào)整物理天線及產(chǎn)品參數(shù)，豐富多徑以增加Rank流數(shù)，提升速率，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性Rank快速精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，工程師可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)選取適合的預(yù)測(cè)方案實(shí)施，解決了傳統(tǒng)覆蓋優(yōu)化效率低的問(wèn)題。

3D仿真Rank預(yù)測(cè)應(yīng)用應(yīng)用仿真工具需輸入數(shù)據(jù)（工參+電子地圖等）并設(shè)置Rank仿真參數(shù)（柵格精度等），按相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，電子地圖采用最新3D柵格5米精度地圖，仿真結(jié)果才能更準(zhǔn)確。

●仿真基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

仿真基本參數(shù)配置說(shuō)明如表2所示，首次仿真使用默認(rèn)值。

表2 仿真基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

●傳播模型參數(shù)設(shè)置和建筑物參數(shù)設(shè)置

路徑損耗權(quán)值、有效反射面距離、最大繞射次數(shù)、最大反射次數(shù)等傳播模型參數(shù)以及自然環(huán)境參數(shù)，按照優(yōu)化區(qū)域的地理環(huán)境對(duì)應(yīng)設(shè)置即可。

●Rank預(yù)測(cè)結(jié)果輸出

預(yù)測(cè)結(jié)果結(jié)合3D地圖更直觀體現(xiàn)Rank分布。可通過(guò)導(dǎo)出功能將預(yù)測(cè)結(jié)果及優(yōu)化方案導(dǎo)出，結(jié)合需求調(diào)整實(shí)施。Rank預(yù)測(cè)仿真效果如圖4所示。

圖4 Rank預(yù)測(cè)結(jié)果輸出

Rank優(yōu)化效果 現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)Rank仿真預(yù)測(cè)方案，針對(duì)杭州主城區(qū)NR站點(diǎn)進(jìn)行覆蓋優(yōu)化調(diào)整，對(duì)比方案實(shí)施前后Rank及其他各項(xiàng)主要測(cè)試指標(biāo)，優(yōu)化后平均Rank提升0.16，PDCP下載速率提升208.37Mbit/s，增幅34%。Rank優(yōu)化后，平均RSRP有所提升，下行干擾指標(biāo)較優(yōu)化前均變差，其中平均SINR降低5.32dB，平均MCS降低1.29，相對(duì)于干擾的引入，系統(tǒng)吞吐率提升更為顯著。如表3所示。

表3 Rank優(yōu)化前后效果對(duì)比

5G Rank主要優(yōu)化思路為增加多徑、減小空間相關(guān)性，無(wú)線環(huán)境的優(yōu)化是提升Rank的關(guān)鍵手段，結(jié)合5G基站調(diào)度參數(shù)及新特性參數(shù)，在最大程度提升Rank的同時(shí)降低波束間干擾，增加系統(tǒng)整體容量。

關(guān)鍵詞： 資訊 通信世界網(wǎng) 5G網(wǎng)絡(luò) 4G終端 天線 運(yùn)營(yíng)商 5G-NR速率