5G NR SSB 不同波束配置下覆盖特性研究

一、引言

5G 新空口(NR)技术的飞速发展，为移动通信带来了革命性的变化。其中，同步信号块(SSB)在 5G 网络中扮演着至关重要的角色，其波束配置直接影响着网络的覆盖特性。合理的波束配置能够提升信号覆盖范围、增强信号强度以及减少干扰，对于提高 5G 网络的整体性能和用户体验具有关键意义。

二、5G NR SSB 概述

2.1 SSB 结构

SSB 包含主同步信号(PSS)、辅同步信号(SSS)、物理广播信道(PBCH)数据及其解调参考信号(PBCH DMRS)。在时频域上，SSB 时域占据 4 个 OFDM 符号，频域占据 20 个资源块(RB)。PSS 和 SSS 分别位于 SSB 的第 0 和第 2 个符号，频域各占用 127 个资源元素(RE)。PBCH 数据和 DMRS 位于后三个符号，且在符号 2 时，SSS 与 PBCH 间设有保护间隔以抑制子载波间干扰。这种结构设计为 5G 信号的同步和广播提供了基础框架。

2.2 SSB 时域传输

SSB 以 SSB Burst Set 的形式在时域传输，该集合是一定周期内多个 SSB 的组合。目前其周期有 5ms、10ms、20ms、40ms、80ms、160ms 六种。在小区搜索中，如假定周期为 20ms，后续可通过信令对其周期进行配置，并要求 SSB Burst Set 内波束在周期内前 5ms 发送完毕。R15 还规定了 5 种时域图样(Case A - E)，用于规范 SSB 在时域的分布，不同图样适用于不同的频率范围，以满足多样化的传输需求。

三、不同波束配置类型

3.1 单波束配置

单波束配置是较为基础的方式，在简单场景中有一定应用。但因其仅依靠单一波束，难以充分利用多径效应，信号覆盖范围和强度受限，无法很好地满足复杂环境下的通信需求，在多径丰富区域易出现信号弱或中断情况。

3.2 多波束配置

3.2.1 水平多波束

水平 7 波束等配置通过增加水平方向波束数量，有效扩大了覆盖范围。多个波束在水平方向扫描，可使信号更均匀地覆盖小区周边区域，显著提升边缘用户性能，减少信号盲区，适用于开阔区域或用户分布较广的场景。

3.2.2 垂直多波束

针对高楼等垂直空间需求大的场景，垂直多波束配置可优化垂直方向波束分配。通过不同垂直角度波束组合，确保室内及不同楼层用户能获得良好信号，解决高层楼宇垂直覆盖难题，提高立体空间内的信号覆盖质量。

3.3 SSB1 + X 配置

此创新方案中，“1” 为基础打底波束，“X” 为适应场景的拓展波束。水平覆盖利用不同小区使用不同 SSB 波束错开邻区间干扰，垂直维度按需配置波束实现全空间及深度覆盖扩展。如水平采用 SSB 1 波束配置满足覆盖要求，极大节省无线资源和降低功耗，同时通过功率增强提升水平波束增益，有效解决邻区干扰问题，提升网络性能。

四、不同波束配置下覆盖特性分析

4.1 覆盖范围

从理论和实践来看，多波束配置在覆盖范围上明显优于单波束。单波束受限于自身方向性，覆盖区域有限;而水平多波束可在水平方向拓宽覆盖，垂直多波束能解决垂直空间覆盖问题。如在城市广场等开阔区域，水平 7 波束配置可使信号覆盖范围更广，减少信号死角;在高层楼宇场景，SSB1 + X 配置中的垂直波束拓展能让高层各楼层都能接收到较强信号，扩大了整体覆盖范围。

4.2 信号强度

不同波束配置对信号强度影响显著。SSB1 + X 方案通过功率增强功能，可将水平 SSB 1 波束增益提升达 6dBm，使信号强度大幅提升，与水平 SSB 8 波束覆盖相当。在实际测试中，配置多波束时，接收信号参考功率(RSRP)明显增加，4 波束相比于宽波束，平均 RSRP 可提升 4dB，8 波束将进一步提升，这表明多波束能有效汇聚信号能量，增强信号强度，提高信号在复杂环境中的穿透和传输能力。

4.3 抗干扰能力

在干扰抑制方面，不同波束配置各有特点。单波束在同频干扰环境下较为脆弱，因无有效干扰规避机制，信号易受干扰而质量下降。而 SSB1 + X 方案通过在相邻小区配置不同 SSB 波束，利用时域轮发特点错开发送时间，可有效规避邻区广播波束干扰;同时，其邻区间速率配置功能可在业务波束与邻区 SSB 波束冲突时，开启符号级速率匹配，进一步提升抗干扰能力，保障信号传输质量。

五、实际应用案例分析

5.1 城市广场场景

在城市广场的测试中，对比多种波束配置发现，场景 6(110°，12°)8 波束 4H2V 权值组合下覆盖效果最佳。考虑到广场开阔、用户分布广的特点，水平 3dB 波宽较大的波束能更好地覆盖，110 度波宽的波束在覆盖广场时效果显著，同时结合垂直 12 度波宽，能在保证覆盖的同时兼顾一定的信号质量和速率，满足广场上大量用户的通信需求。

5.2 高层楼宇场景

针对高层楼宇，采用场景 16(15°，25°)权值 SSB 广播波束有利于深度覆盖及速率提升。由于高层楼宇正对小区主打方向，水平 15° 波宽可集中覆盖高层，实现最远覆盖效果，垂直 25° 波宽则能较好地适应楼层高度，保证各楼层信号强度和速率，有效解决高层楼宇通信难题，提升高层用户的网络体验。

六、结论

5G NR SSB 的不同波束配置在覆盖特性上存在明显差异。单波束配置简单但覆盖能力有限;多波束配置(包括水平和垂直多波束)能从不同维度提升覆盖范围、信号强度和抗干扰能力;SSB1 + X 创新配置则在资源利用、功耗降低和干扰抑制等方面表现出色。在实际 5G 网络建设和优化中，需根据不同场景(如城市广场、高层楼宇等)的特点，合理选择和优化 SSB 波束配置，以实现 5G 网络的优质覆盖和高效运行，为用户提供更稳定、高速的通信服务。未来，随着 5G 技术的不断发展，SSB 波束配置技术也将持续创新和完善，进一步推动 5G 网络性能的提升。