基于两维六步法提升5G下行速率

基于两维六步法提升5G下行速率

冉凡海

中兴通讯股份有限公司河北分公司 河北省石家庄市 050000

摘要： 5G Rank(流)对用户速率影响很大，在良好覆盖下Rank低将直接导致速率低，用户感知与4G无异，如果Rank多1流则下行速率可多百兆。利用5G终端可支持更多流的特性，提升5G用户Rank流数成为5G网络优化的关键，网络体验的好坏最终取决于Rank的差距。由于Rank受无线环境、终端天线、AAU天线、信道相关性等因素影响较大。从UE上报的RI和基站调度的RANK两个关键点着手，通过参考信号CSI-RS、环境因素（多径）、UE算法实现、空口问题、非空口问题及参数配置六大维度进行分析来提升5G RANK，提升网格速率。

关键词：RANK RI 权值 CSI-RS 频繁切换

引言： 5G网络是4G网络的延展，单纯覆盖好已经不能体现5G网络价值优势，5G终端较4G终端的优势是有较多的天线端口支持（5G商用主流配置为2T4R）。在通信系统中，UE(终端)根据无线CSI-RS参考信号进行信道估计，计算出下行信道相干性最小的最大流数，称之为“Rank”，UE通过CSI将RI(Rank indicator，秩指示)上报给基站。RANK低问题错综复杂，关联多个方面因素，本文梳理RANK低的分析的两个关键点，结合参考信号CSI-RS、环境因素（多径）、UE算法实现、空口问题、非空口问题及参数配置六大维度内容进行分析定位优化提升Rank值，支撑5G RANK问题定位及指导优化。

一、策略研究背景

随着5G网络建设逐步推进，当前5G网络规模与4G差距越来越小，更多的4G用户迁移至5G网络，5G网络如何为用户提供优于4G网络的体验，成为目前运营商面临的主要问题。

二、影响UE上报RI的因素

2.1参考信号：CSI-RS

UE上报的RI是基于CSI-RS参考信号测量得到。在通信过程中，通过对比实际接收到的参考信号与预先定义的标准参考信号间的变化，来完成信道质量的测量、估计、相干检测和解调等功能。直观的说，就是根据这些已知的参考信号X和其实际接收Y来求取方程中矩阵H的特征值，再配置H应用于其他未知数据信号的检测解调等，在5G的波束成形技术中也会协助求解类似的波束成形矩阵权值。CSI-RS信号主要用于服务小区和邻区测量，RRM算法，包括CQI，PMI，RI的反馈，可以这么理解，CSI-RS主要有如下应用场景：

1）RI上报，即RANK上报；

2）初始CQI上报，用以初始MCS选择；

3）PMI上报，用于预编码矩阵的计算；

4）终端移动时的服务小区和邻区测量。

CSI-RS为用户级参考信号，即有用户接入才会发送，并且每个用户占用不用的CSI-RS资源。每个用户的CSI-RS都是发满全带宽（即基站发送CSI-RS时是在全带宽每个RB上都有CSI-RS）。终端根据接收到的CSI-RS信号预估下行最优的流数（Rank），并通过RI反馈给基站。CSI-RS配置中，以下几个关键配置可能会影响终端的RI测量：

1）CSI-RS Port数

CSI-RS Port数与UE上报的RI的关系为：RI的上限值≤CSI-RS Port数。即如果CSI-RS Port数配置为2端口，则UE上报的RI最大不超过2。

2）PDSCH相对CSI-RS的功率偏置信元

用于控制基站给UE下发的CSI-RS配置信令中携带的powerControlOffset信元，参数为NRDUCellRsvd:RsvdParam188，该信元用于指示终端基站发送的CSI-RS相对PDSCH的功率偏置是多少。该信元的值越大，表示基站告知UE CSI-RS相对PDSCH功率越高。举例说明，如果powerControlOffset从-6修改0，在其他配置全都不变并且基站发功不变的情况下，对UE来说，PDSCH的功率就从比CSI-RS低6dB变成与CSI-RS相同，则UE预估的RI和CQI都会相应提高。

3）CSI-RS相对PDSCH实际功率偏置

用于控制基站给实际发送的CSI-RS相对PDSCH的功率偏置，参数为：NRDUCellRsvd:RsvdParam126，该参数配置越高，表示CSI-RS的实际发射功率越高，终端所测量到的CQI、RI都会随之提高。

4）基站发送CSI-RS的波束类型

不同的环境中，基站发送CSI-RS的波束类型不同，UE测量到的RI、CQI也会随之变化。一般来说，基站发送的最优的CSI-RS波束是以尽可能窄的波束包住UE所有主要的径，实际信道由于变化剧烈并且非天选终端一流SRS也不能完整反映下行4根接收天线上径的情况，这样，能在不丧失过多功率的情况下获得最大的空间自由度。当前版本推荐的使用VAM宽波束代替DFT窄波束来作为CSI的发送波束，主要是相对展宽的波束能够比窄波束包住更多的径，从而不会丧失信道的空分增益。

2.2环境因素

环境因素是影响UE上报的RI的主因。UE上报的RI，实际上就是UE对环境多流状况的测量，从原理上来说，UE会对空间的多个信道进行测量，并且进行均衡，通过均衡后的结果上报RI和CQI，从而体现终端对空口多径信道的测量结果。不同的环境，会导致终端测量结果发生较大的差异，因此在实际的rank调优过程中，都建议选择NLOS，且周边多径（反射/折射）更为复杂的环境，从而获取更高的Rank。

2.3UE的算法实现

对于终端来说，实际测量的算法都是统一的，但由于终端的性能不同，这其中涉及到终端不同的芯片能力，不同的天线情况，因此各个终端的测量结果，即便是在相同的位置，实际上也是不同的，对于终端来说，是按照标准的Massive MIMO网络方法来测量并计算各个信道情况的，对于PMI权和SRS权而言，终端的测量方法不会有差异，只是基站侧在最终调度的时候是否会使用终端上报结果的区别。

1、首先终端下行的天线数，和基站侧下发的Port数，组成了一个xTxR的MM网络，终端会对这个xTxR的网络每个信道进行测量。

2、终端对于测量到的每个信道的情况进行数字化，即每个信道的测量结果形成一个函数作为无线信道的影响因子，即R=h*T+n，其中R表示接收方，T表示发送方，h表示信道情况，N表示信道的噪声情况（建模时可以考虑为高斯白噪声）。

3、多个信道的情况，最终量化成一个xTxR的信道矩阵，即R=H*T+N。

4、对这个H信道矩阵进行SVD分解，将这个矩阵的共轭部分计算出来，即可以使用线性代数的方法将这个矩阵的秩计算出来，终端即会将这个计算出来的秩再评估相关性之后进行上报，即为RI。

三、基站选择调度Rank的基本方法

4.1权值

基站目前有3种大类型的权值，分别为开环权、PMI权、VAM权以及SRS权，以下分别介绍这几种权值下Rank的调度方法：

1、开环权

一般在未获取到正常SRS或未获取到正常3I测量上报的时候，基站侧会选择开环权进行调度，在进行开环权调度的时候，一般会使用终端最近一次上报的合法RI进行相应Rank的调度，但最高的Rank不会超过Rank2（2 Port）/rank4（4~8 Port）。

一般来说，在初始接入和切换入的一小段时间会使用开环权，如果长期使用开环权进行调度的话，会导致Rank无法抬升，需要分析原因，常见的主要原因是用于调度rank的测量量（包括SRS或3I），基站侧没有收到合法值导致。

2、PMI权

PMI权的主要含义是通过终端上报的PMI码本在确认最终PDSCH的权值，是一个依赖终端上报的权值方案，主要流程如下：

1）基站发送CSI波束，即所谓的外层权，这个CSI波束是根据基站侧配置来选择波束类型，以及通过SRS测量来选择最优波束ID；

2）终端对CSI波束进行测量，根据测量结果上报来进行RI/PMI的调度。

因此PMI权下，调度rank就是终端实际测量的结果，基站侧不做任何处理，如果终端上报的RI偏低，则可能导致整体rank偏低。

3、VAM权

VAM权实际上指的是一种CSI波束类型，可以理解为一套外层权值，和VAM相对的主要有DFT，全宽，半宽等几种波束类型，VAM权下的外层波束类型主要有3种：VAM-H，VAM-V，VAM-HV，相较于DFT，VAM波束更宽，可以包含更多的多径信息，在覆盖和自由度不受限的场景下，可以获取更高的RI和更好的CQI，从而提升整体谱效率。

4、SRS权

SRS权和PMI的差异在于，内层权的计算不再依赖终端，而是根据SRS的测量结果进行SVD分解计算得到，并最终决定调度的Rank，终端上报的RI只是作为初始调度rank的一个输入量，后续rank的升降完全依赖于基站对SRS测量结果以及MCS的实际调度结果来决定；相较于PMI权，SRS权更加精准，几乎没有PMI权值下的量化损失（PMI码本数量有限，而SRS的权值粒度相较于PMI码本更细），因此整体从频谱效率来说，SRS权优于PMI权，但SRS权依赖天选终端.

4.2天选终端

TDD系统上下行频率相同，因此gNodeB可以依据测量UE发送的SRS信号反馈的上行信道信息估计下行信道信息。天选，指在各天线上轮流发SRS，进行发送天线轮询，能够更精确的估计上行信道信息。如果上行发送天线是固定某个天线，gNodeB得不到其他天线的信道信息，可能影响BF性能。在引入天选之前，UE固定在一个天线上发送SRS信号，即非天选。

当前天选有2天选和4天选，2天选只能在两个天选上轮流发送SRS，而4天选能在4个天线上轮流发送SRS信号。通常所说的天选终端，指的是4天选终端。

针对天选终端，一般基站默认使用SRS权进行调度，此时的Rank调度完全依赖基站侧对SRS的测量结果来进行。当然，最初的Rank还是依赖终端上报的RI。

在天选终端调度SRS权的场景，基站侧主要有2种调度Rank的算法，一个叫边界保护的Rank自适应，一种叫谱效率最优的Rank自适应，在商用网场景，推荐使用谱效率最优的Rank自适应。

如果多一流计算出来的谱效率优于当前流数1.1倍（默认值），则选择升rank；

如果少一流计算出来谱效率优于当前流数1.1倍（默认值），则选择降低rank；

升降rank都只能逐阶升降，不能越阶升降。

如果在远点，当SRS测量结果较低时，即测量的PreSINR低于某个值时（该值是一个门限），此时基站会认为SRS测量结果不可靠，可以自适应调整到PMI权进行调度。

4.3非天选终端

对于非天选终端来说，优先使用PMI权，在使用PMI权的场景下，基站实现则相对简单，完全依赖终端上报的RI来进行Rank调度。

但在远点，终端上报RI=1的场景，针对1T4R非天选终端，可以使用SRS权调度，主要是考虑在RI=1场景，1T4R可以将上行1个SRS信道测量结果完全了解清楚，此时使用SRS权调度可以获取SRS测量结果增益。

由于依赖终端上报的RI来进行Rank的调度，那么如果终端上报不准的场景下，可能会损失性能，因此基站在后续版本，针对PMI权引入了Rank探测的算法进行优化，基本原理如下：

基站侧会根据实际调度的MCS来决定是否要向上/向下进行Rank探测，原则是当长期调度的MCS较好时，则向上进行Rank探测，即便是终端上报的RI没有变化的时候，也尝试向上调度Rank；当长期调度的MCS较低时，则向下进行Rank探测，通过这个算法来保证在终端上报不准的时候，进一步来优化Rank调整的空间

四、分析方法

4.1Rank问题分析

4.1.1UE上报的RI差

对于非天选终端，UE使用PMI权，此时Rank自适应算法不生效，gNB直接使用UE上报的RI进行RANK调度，因此UE上报的RI差会导致网络侧调度的RANK值也差。

4.1.2强邻区不切换导致UE上报的RI低

现象&分析：强邻区不切换会导致UE无法驻留在最优小区，CSI-RS会受到来自邻区的干扰从而导致UE上报的RI差。NR最强邻区的SSB RSRP比主服小区强，UE多次上报A3事件，但是网络侧一直没有下发辅站变更命令。

优化：针对强邻区不切换问题，需要排查以下几个方面：

①配置核查：

5G辅小区是否漏配5G目标小区

5G辅小区是否配置多个与目标小区相同PCI邻区

4G主小区是否漏配5G目标小区

4G主小区是否配错5G目标小区信息

X2口未配置或配置错误

②告警核查：

4G主小区到5G服务小区和5G目标小区的X2口是否存在传输异常

5G目标小区是否存在异常告警

③信令分析：

是否存在流程交叉等其他问题

4.1.3下行干扰导致UE上报的RI低

现象&分析：当小区存在干扰信号时，小区的上下行业务会受到影响，CSI-RS的测量同样受到干扰，会出现终端上报的RI低导致gNB调度的RANK低、MCS差，误码率高等问题，严重时会导致UE无法做业务。

优化：针对5G下行干扰问题，需要到现场进行扫频，查找干扰源。需要重点关注异系统同频干扰、邻区干扰、TDD-LTE干扰、时域类干扰等。

4.1.4RF覆盖差导致UE上报的RI低

1. 下行弱覆盖导致UE上报的RI低

现象&分析：覆盖越差，CSI-RS测量结果越差，UE上报的RI越差，则非天选终端选择低RANK的概率越大；下行弱覆盖为连续出现接收电平较低的采样点形成弱覆盖区域，用户进入弱覆盖区域后因低电平质量而速率降低，影响下载速率。

优化：对于弱覆盖区域，通常只能选择增强主服的覆盖强度，增强覆盖的可选手段如下：

增加小区最大发射功率（MaxTransmitPower）；

调整机械方位角让AAU主瓣覆盖问题路段（要注意避免在其他位置造成弱覆盖）；

减小机械下倾角；

增加小区、站点等。

2. 重叠覆盖导致UE上报的RI低

现象&分析：通常情况下，如果某一路段存在多个信号强度相当（3dB以内）的小区覆盖该路段，但却没有一个足够强的主服务小区来主导覆盖，则可认为存在重叠覆盖。重叠覆盖邻区会成为潜在的干扰源，在有负载的情况下会对服务小区造成同频干扰，同时由于信号的快衰落引起UE在不同小区间频繁发生切换，导致UE上报的RI低。

优化：根据问题路段和各小区的位置关系，确定要作为主服的小区，加强拟作为主服小区的覆盖强度或者降低邻区在该路段的覆盖强度。

主服小区的选择可从如下方面考虑：

小区与问题路段之间的距离相对其他小区较近且电平相对高；

问题路段与小区间没有明显的遮挡；

该小区还有最大发射功率/机械方位角/机械下倾角的调整空间；

主服小区增强覆盖的可选手段如下：

增加小区最大发射功率（MaxTransmitPower）

调整机械方位角让AAU主瓣覆盖问题路段（要注意避免在其他位置造成弱覆盖）；

减小机械下倾角等

降低邻区在该路段的覆盖强度的可选手段如下：

降低邻区小区最大发射功率（MaxTransmitPower）

调整邻区机械方位角不让AAU主瓣覆盖问题路段；

增加邻区机械下倾角等

4.2基站调度的Rank差

4.2.1频繁切换导致调度的RANK差

现象：用户切换过程中链路会中断（表现在切换的那1s内调度次数会减少），切换后用户初始接入，低RANK低MSC能保证接入和切换成功率，大概在30ms左右可调整回来，影响较小；但是如果发生频繁切换，会导致RANK无法快速调整回来，因此需要对频繁切换区域进行优化；如果4G或5G在5s（时间可根据需求自定义）内存在2次及以上次切换，则判断为频繁切换，如果频繁切换的小区关系存在小区A->B->A的场景，则称之为乒乓切换。

分析：地理化显示4G PCI，DL RANK，5G PCI等信息，可以通过主服PCI分布变化来观察是否存在频繁切换，如下图所示，图中4G和5G红框部分PCI频繁发生变化，对RANK产生了影响，导致该路段大部分时间RANK<=2。

优化措施：针对频繁切换路段，需要对其进行优化，以减少频繁切换次数。

确定主服小区：确定主服小区有两个手段，降低邻区信号强度和增强主服小区信号强度。对于越区的邻区，优先调整邻区的方位角、下倾角、功率、和Pattern等参数，降低邻区信号强度。

切换参数优化：通过路测日志查看测量报告，计算服务小区电平和邻区电平的差异，得到需要修改的A3门限、幅度迟滞、两两小区间cellinpidualoffset或时间迟滞，评估能否解决频繁切换问题。

4.2.2通道校正分析

1. 当RANK一直小于等于2，从来没高于2，则要排查通道校正问题。

通道校正失败后，系统由于无法准确评估SRS权值，所以会默认使用DFT开环权进行业务，gNB会根据UE上报的RI来选择rank，遵从如下规则：

UE CSI的RI为1，则使用RANK1

UE CSI的RI为2-3，则使用RANK2

UE CSI的RI为4-8,则使用RANK4

2. 当出现通道校正失败时，可通过MML命令查看校正的结果来分析可能的失败原因

如果通道校正失败，可以通过运行命令进行手工校正，如果还是校正失败，则采集CellDT进行详细分析。

4.2.3告警和小区可用率分析

告警分析需要重点关注射频单元类、时钟类和CPRI相关告警。

射频单元故障会导致小区服务能力下降或通道校正失败，时钟问题会导致服务小区与周边小区不同步，相互间会造成严重的时钟失步上下行干扰，CPRI相关告警可能造成射频闪断、SSB和CSI的RSRP掉坑、SRS和CSI测量受影响，从而导致RANK低。

4.2.4终端天线不平衡排查

如果UE天线存在故障，导致多路SRS测量结果不平衡现象严重，会导致进入多流的概率偏低，此时，需要检查终端天线或者更换终端天线进行复测。

检查UE SSB RSRP，判断是否有天线间差异（通过终端日志查看，比如Probe LOG中NR->Detail->SSB Measurement查看各天线的SSB RSRP情况），各个天线测量到RSRP信号尽量均衡，各天线间RSRP差异不超过10db。

1. 天线物理参数排查和优化

在空旷的场景下，由于周边没有建筑物等的折射和反射，缺少多径，因此可以通过RF调整构造地面、楼宇等维度的折射和反射：

调整方向角，朝向楼宇，增加楼宇反射

调整下倾角，空旷场景增加地面反射

2. 终端天选和MIMO能力排查

天选终端相对非天选终端，更容易达到RANK4。如果某款终端在好点最大只能达到RANK3，那么该终端可能是非天选终端。