高鐵5G NR參數(shù)配置方法

張建國(guó) 呂譯桁 萬(wàn)新華

【摘? 要】首先分析了對(duì)于高鐵覆蓋，在不同速度和頻率條件下的最大多普勒頻移，然后給出了不同頻段的子載波間隔配置原則和配置建議，建議在1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，子載波間隔配置為15 kHz，在2.6 GHz頻段和3.5 GHz頻段，子載波間隔配置為30 kHz，最后給出了PRACH和DM-RS的配置原則和配置建議，建議長(zhǎng)序列的PRACH子載波間隔優(yōu)先配置為5 kHz，根據(jù)最大多普勒頻移的不同，長(zhǎng)序列的PRACH配置為非限制集、限制集A和限制集B;根據(jù)最大多普勒頻移的不同，DM-RS數(shù)量配置為1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)。

【關(guān)鍵詞】5G NR;高鐵;PRACH;DM-RS;多普勒頻移

Firstly， this paper analyzes the maximum Doppler shift for different speeds and frequencies in the high-speed railway. Secondly， this paper offers the configuration principle and suggestion of sub-carrier spacing for different frequencies， suggesting that the sub-carrier spacing is 15kHz in 1.8GHz and 2.1GHz， and the sub-carrier spacing is 30kHz in 2.6GHz and 3.5GHz. Finally， this paper offers the configuration principle and suggestion of PRACH and DM-RS. Specifically， the sub-carrier spacing of PRACH is suggested to be 5kHz preferably for the long sequence PRACH， and according to different maximum Doppler shifts， the long sequence PRACH is configured to be the unrestricted set， restricted set type A or restricted set type B， and the number of DM-RS is 1， 2， 3 or 4.

5G NR; high-speed railway; PRACH; DM-RS; doppler shift

0? ?引言

中國(guó)鐵路在速度方面上分為高速鐵路（250 km/h—380 km/h）、快速鐵路（160 km/h—250 km/h）、普速鐵路（80 km/h—160 km/h），高速鐵路目前運(yùn)行的最高速度為350 km/h，除此之外，中國(guó)還在研制最高速度達(dá)到400 km/h的高速列車和600 km/h的高速磁懸浮列車。5G NR支持的移動(dòng)性最高為500 km/h，相比于4G的350 km/h，提高了43%。為了使讀者對(duì)5G NR高鐵覆蓋的理解更為全面，本文接下來(lái)分析的高鐵速度范圍是120km/h—500km/h。

對(duì)于室外覆蓋，三家運(yùn)營(yíng)商部署的5G頻率如下：中國(guó)移動(dòng)優(yōu)先在2.6 GHz頻段大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通優(yōu)先在3.5 GHz頻段大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡(luò);除此之外，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通在2.1 GHz頻段小規(guī)模試點(diǎn)部署5G網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通在1.8 GHz頻段小規(guī)模試點(diǎn)部署5G網(wǎng)絡(luò)。3GPP定義的FR1的頻率范圍是410 MHz—7 125 MHz。結(jié)合三家運(yùn)營(yíng)商使用的5G頻率和3GPP定義，本文接下來(lái)分析的頻率范圍是1.8 GHz—6 GHz。

相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)支持的速度和頻率更高，給無(wú)線信號(hào)的覆蓋帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，5G在物理層參數(shù)配置方面有很大的變化，本文接下來(lái)分析在高鐵覆蓋場(chǎng)景下，5G NR物理層參數(shù)的配置原則和配置建議。

1? ?多普勒頻移

對(duì)于高鐵覆蓋場(chǎng)景，頻率偏移主要由3部分組成：由于UE高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，由于TRP（Transmission Reception Point，發(fā)射接收節(jié)點(diǎn)）本地晶振不精確產(chǎn)生的頻率誤差以及由于UE本地晶振不精確產(chǎn)生的頻率誤差。對(duì)于下行方向，多普勒頻移是單向頻移，即只包括TRP到UE的頻率偏移;對(duì)于上行方向，多普勒頻移是雙向頻移，即包括TRP到UE 的頻率偏移和UE到TRP的頻率偏移。在高鐵覆蓋場(chǎng)景下，最大的頻率偏移計(jì)算公式如下：

其中，v是UE的移動(dòng)速度，單位是km/h;fc是載波的中心頻率，單位是Hz;c是光速;ΔfTRP是TRP本地晶振產(chǎn)生的頻率誤差，ΔfUE是UE本地晶振產(chǎn)生的頻率誤差。

根據(jù)3GPP協(xié)議，TRP允許的最大頻率誤差是±0.05 ppm[1]，UE允許的最大頻率誤差是±0.1 ppm[2]，也即TRP和UE允許的最大頻率誤差分別是百萬(wàn)分之0.05和百萬(wàn)分之0.1。根據(jù)公式（1），可以計(jì)算出對(duì)于高鐵覆蓋場(chǎng)景，在不同速度和頻率條件下上行方向的最大頻率偏移，如表1所示：

在不引起混淆的情況下，本文接下來(lái)不嚴(yán)格區(qū)分最大的頻率偏移和多普勒頻移，也即本文接下來(lái)提到的多普勒頻移包含了TRP和UE本地晶振不精確產(chǎn)生的頻率誤差。

2? ?子載波間隔配置建議

對(duì)于高鐵覆蓋場(chǎng)景，子載波間隔配置主要考慮以下三個(gè)因素。

第一：最大多普勒頻移。當(dāng)多普勒頻移為固定值時(shí)，子載波間隔（SCS， Sub-Carrier Spacing）越大，多普勒頻移相對(duì)于子載波間隔的比例就越小，因此容忍多普勒頻移的能力就越強(qiáng)，對(duì)于高鐵覆蓋場(chǎng)景，隨著載波頻率和UE速度的增加，應(yīng)該使用大的子載波間隔以對(duì)抗多普勒頻移，通常來(lái)說(shuō)，子載波間隔應(yīng)該大于多普勒頻移的10～20倍。

第二：子載波支持的最大信道帶寬。根據(jù)3GPP協(xié)議，5G NR支持最多275個(gè)CRB（Common Resource Block，公共資源塊），對(duì)應(yīng)著275×12=3 300個(gè)子載波，對(duì)于SCS=15 kHz、30 kHz和60 kHz，支持的最大信道帶寬分別是50 MHz、100 MHz和200 MHz[3]。

第三：是否與LTE共存。LTE和NR頻譜共享分為載波級(jí)頻譜共享和PRB/TTI級(jí)頻譜共享，當(dāng)LTE和NR頻譜共享是PRB/TTI級(jí)頻譜共享時(shí)，也即LTE作為NR的帶內(nèi)部署時(shí)，由于LTE的子載波間隔固定為15 kHz，NR的子載波間隔也應(yīng)該是15 kHz，PRB/TTI級(jí)頻譜共享的優(yōu)勢(shì)是以PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）和TTI（Transmission Time Interval，傳輸時(shí)間間隔）為單位，動(dòng)態(tài)分頻頻域和時(shí)域資源，頻譜利用率高。

根據(jù)以上三個(gè)因素，結(jié)合三家運(yùn)營(yíng)商使用的5G頻率、可用的最大信道帶寬和最大多普勒頻移，對(duì)于高鐵覆蓋場(chǎng)景，5G NR的子載波間隔配置建議如下：

對(duì)于1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，每家運(yùn)營(yíng)商使用的最大信道帶寬不大于50 MHz，且LTE和NR存在著PRB/TTI級(jí)頻譜共享的需求，建議子載波間隔配置為15 kHz。

對(duì)于2.6 GHz和3.5 GHz，每家運(yùn)營(yíng)商使用的最大信道帶寬都大于50 MHz，且頻率較高，多普勒頻移較大，建議子載波間隔配置為30 kHz。

從對(duì)抗多普勒頻移角度來(lái)看，在高頻段和高速移動(dòng)條件下，子載波間隔配置為60 kHz更為合理，但是由于手機(jī)廠商現(xiàn)階段生產(chǎn)的手機(jī)不支持SCS=60 kHz的配置，因此在可預(yù)見的將來(lái)，子載波間隔不能配置為60 kHz。

3? ?PRACH配置建議

5G NR支持兩種長(zhǎng)度的PRACH，長(zhǎng)序列PRACH的序列長(zhǎng)度是839，支持的PRACH子載波間隔是1.25 kHz和5 kHz，短序列PRACH的序列長(zhǎng)度是139，支持的PRACH子載波間隔是15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz[4]。

本文接下來(lái)主要討論長(zhǎng)序列PRACH。

對(duì)于長(zhǎng)序列PRACH，支持格式0、格式1、格式2和格式3共4種格式。其中格式1和格式2的PRACH長(zhǎng)度分別是3 ms和3.5 ms，分別適合于超遠(yuǎn)覆蓋和深度覆蓋，不建議使用在高鐵覆蓋場(chǎng)景。高鐵覆蓋場(chǎng)景可用的是格式0和格式3，格式0和格式3的長(zhǎng)度都是1 ms，格式0的PRACH子載波間隔是1.25 kHz，只傳遞1次隨機(jī)接入前導(dǎo)，在頻率上占用6個(gè)RB（PUSCH的SCS=15 kHz）或3個(gè)RB（PUSCH的SCS=30 kHz）;格式3的PRACH子載波間隔是5 kHz，傳遞4次隨機(jī)接入前導(dǎo)，在頻率上占用24個(gè)RB（PUSCH的SCS=15 kHz）或12個(gè)RB（PUSCH的SCS=30 kHz）。由于格式3的PRACH子載波間隔是格式0的PRACH子載波間隔的4倍，格式3更適合于高鐵覆蓋場(chǎng)景[5]。

對(duì)于長(zhǎng)序列PRACH，支持非限制集、限制集A和限制集B。在NCS相同的條件下，對(duì)于單個(gè)根序列，非限制集產(chǎn)生的隨機(jī)接入前導(dǎo)數(shù)量最多，限制集A產(chǎn)生的隨機(jī)接入前導(dǎo)數(shù)量次之，限制集B產(chǎn)生的隨機(jī)接入前導(dǎo)數(shù)量最少。例如，假設(shè)NCS=15，當(dāng)限制集類型配置為非限制集、限制集A和限制集B時(shí)，單個(gè)根序列產(chǎn)生的隨機(jī)接入前導(dǎo)數(shù)量分別是55個(gè)、6～14個(gè)、不高于6個(gè)。對(duì)于限制集A和限制集B，隨機(jī)接入前導(dǎo)之間有較大的組間間隔，不容易發(fā)生混淆，更適合于高鐵覆蓋場(chǎng)景[6]。

根據(jù)3GPP提案R1-1714661，建議按照如下原則選擇PRACH子載波間隔ΔfRA和限制集類型[7]。

（1）當(dāng)0

（2）當(dāng)0.4×Δf RA

（3）當(dāng)fD>Δf RA時(shí)，使用限制集B，也即對(duì)于Δf RA=1.25 kHz和Δf RA=5 kHz，分別在多普勒頻移大于1.25 kHz和5 kHz時(shí)，使用限制集B。

根據(jù)以上原則，結(jié)合表1，在高鐵覆蓋場(chǎng)景下，長(zhǎng)序列PRACH的格式和限制集配置建議見表2。

需要說(shuō)明的是，中國(guó)移動(dòng)在2.6 GHz頻段，PUSCH的SCS=30 kHz，上下行時(shí)隙配置是7：2+6：4：4，即每5 ms周期的最后2個(gè)連續(xù)時(shí)隙是上行時(shí)隙。中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通在3.5 GHz頻段，PUSCH的SCS=30 kHz，采用2.5 ms雙周期幀結(jié)構(gòu)，每5 ms周期的最后2個(gè)連續(xù)時(shí)隙也是上行時(shí)隙，2個(gè)連續(xù)上行時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間是1 ms，與格式0和格式3的PRACH長(zhǎng)度相同。對(duì)于1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，采用的是FDD制式，存在著持續(xù)的上行時(shí)隙。因此，在高鐵覆蓋場(chǎng)景下，長(zhǎng)序列PRACH使用格式0和格式3是可行的[8]。

對(duì)于表2，如果既可以選擇格式0，也可以選擇格式3，本文建議在5G網(wǎng)絡(luò)部署初期優(yōu)先選擇格式3，在5G網(wǎng)絡(luò)部署的中后期，隨著5G用戶數(shù)和小區(qū)容量的增加，優(yōu)先選擇格式0。這是為了保證每個(gè)小區(qū)產(chǎn)生64個(gè)隨機(jī)接入前導(dǎo)，在其它參數(shù)相同的條件下，格式3產(chǎn)生的隨機(jī)接入前導(dǎo)數(shù)量更多，因此需要的根序列較少，減少了上行接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，但是格式3在頻域上占用較大的帶寬，犧牲了PUSCH的容量。

4? ?DM-RS配置建議

DM-RS（Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號(hào)）的主要作用是用于信道估計(jì)、幫助解調(diào)信道信息。對(duì)于5G NR，前置DM-RS分為單符號(hào)DM-RS和雙符號(hào)DM-RS兩種結(jié)構(gòu)，單符號(hào)DM-RS支持4個(gè)或6個(gè)正交的天線端口，可以實(shí)現(xiàn)最多4流或6流傳輸;雙符號(hào)DM-RS支持8個(gè)或12個(gè)正交的天線端口，可以實(shí)現(xiàn)最多8流或12流傳輸。雙符號(hào)DM-RS相比單符號(hào)DM-RS，可以復(fù)用更多的用戶，支持更高的峰值速率和小區(qū)吞吐量，但是占用的RE（Resource Element）數(shù)較多。在高鐵覆蓋場(chǎng)景下，主要矛盾是列車高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，配置為雙符號(hào)DM-RS并不能增加小區(qū)容量，由于DM-RS占用較多的RE，小區(qū)的吞吐量反而會(huì)下降[9]。本文建議，在高鐵覆蓋場(chǎng)景下，前置DM-RS配置為單符號(hào)DM-RS。

對(duì)于單符號(hào)DM-RS，除了配置1個(gè)前置DM-RS外，在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)，還可以配置1、2、3個(gè)額外的DM-RS符號(hào)，也即在1個(gè)時(shí)隙內(nèi)，有1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)DM-RS[10]。對(duì)于PUSCH信道，DM-RS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)于高速移動(dòng)的UE，由于信號(hào)的相干時(shí)間較短，在時(shí)域上配置額外的DM-RS能實(shí)現(xiàn)更精確的信道估計(jì)，對(duì)抗多普勒頻移，但是額外的DM-RS也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信道的容量下降，因此需要折中考慮DM-RS數(shù)量和數(shù)據(jù)信道性能。通常1個(gè)DM-RS符號(hào)在時(shí)域上覆蓋的信道相干時(shí)間是0.4×1/fD ms，fD的單位是kHz，即1個(gè)DM-RS符號(hào)可以用于該符號(hào)前面和后面0.4×1/fD ms范圍內(nèi)的OFDM符號(hào)的相干解調(diào)。根據(jù)以上規(guī)則，結(jié)合表1，對(duì)于PUSCH信道，1個(gè)時(shí)隙內(nèi)DM-RS數(shù)量配置建議見表3。

表3給出的是PUSCH信道的MD-RS數(shù)量配置建議，由于下行方向的多普勒頻移比上行方向的多普勒偏移小，對(duì)于PDSCH，可以酌情減少DM-RS的數(shù)量。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于5G NR高鐵覆蓋，除了以上物理層參數(shù)外，還可以通過(guò)設(shè)置小區(qū)重選參數(shù)，降低高速移動(dòng)UE的重選門限，減少乒乓效應(yīng)。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署的過(guò)程中，可以參照本文提供的參數(shù)配置原則和配置建議，根據(jù)列車的實(shí)際運(yùn)行速度、站間距、高鐵沿線無(wú)線環(huán)境等因素，設(shè)置合理5G NR的參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。

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