高鐵5G NR參數(shù)配置方法

張建國 呂譯桁 萬新華

【摘? 要】首先分析了對于高鐵覆蓋，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、2個、3個或4個。

【關鍵詞】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），高速鐵路目前運行的最高速度為350 km/h，除此之外，中國還在研制最高速度達到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5G NR高鐵覆蓋的理解更為全面，本文接下來分析的高鐵速度范圍是120km/h—500km/h。

對于室外覆蓋，三家運營商部署的5G頻率如下：中國移動優(yōu)先在2.6 GHz頻段大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡，中國電信和中國聯(lián)通優(yōu)先在3.5 GHz頻段大規(guī)模部署5G網(wǎng)絡;除此之外，中國電信和中國聯(lián)通在2.1 GHz頻段小規(guī)模試點部署5G網(wǎng)絡，中國移動、中國電信和中國聯(lián)通在1.8 GHz頻段小規(guī)模試點部署5G網(wǎng)絡。3GPP定義的FR1的頻率范圍是410 MHz—7 125 MHz。結合三家運營商使用的5G頻率和3GPP定義，本文接下來分析的頻率范圍是1.8 GHz—6 GHz。

相比于4G網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡支持的速度和頻率更高，給無線信號的覆蓋帶來了更大的挑戰(zhàn)。為了應對這個挑戰(zhàn)，5G在物理層參數(shù)配置方面有很大的變化，本文接下來分析在高鐵覆蓋場景下，5G NR物理層參數(shù)的配置原則和配置建議。

1? ?多普勒頻移

對于高鐵覆蓋場景，頻率偏移主要由3部分組成：由于UE高速移動產(chǎn)生的多普勒頻移，由于TRP（Transmission Reception Point，發(fā)射接收節(jié)點）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。在高鐵覆蓋場景下，最大的頻率偏移計算公式如下：

其中，v是UE的移動速度，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分之0.05和百萬分之0.1。根據(jù)公式（1），可以計算出對于高鐵覆蓋場景，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，本文接下來不嚴格區(qū)分最大的頻率偏移和多普勒頻移，也即本文接下來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

對于高鐵覆蓋場景，子載波間隔配置主要考慮以下三個因素。

第一：最大多普勒頻移。當多普勒頻移為固定值時，子載波間隔（SCS， Sub-Carrier Spacing）越大，多普勒頻移相對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，對于高鐵覆蓋場景，隨著載波頻率和UE速度的增加，應該使用大的子載波間隔以對抗多普勒頻移，通常來說，子載波間隔應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CRB（Common Resource Block，公共資源塊），對應著275×12=3 300個子載波，對于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頻譜共享和PRB/TTI級頻譜共享，當LTE和NR頻譜共享是PRB/TTI級頻譜共享時，也即LTE作為NR的帶內(nèi)部署時，由于LTE的子載波間隔固定為15 kHz，NR的子載波間隔也應該是15 kHz，PRB/TTI級頻譜共享的優(yōu)勢是以PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）和TTI（Transmission Time Interval，傳輸時間間隔）為單位，動態(tài)分頻頻域和時域資源，頻譜利用率高。

根據(jù)以上三個因素，結合三家運營商使用的5G頻率、可用的最大信道帶寬和最大多普勒頻移，對于高鐵覆蓋場景，5G NR的子載波間隔配置建議如下：

對于1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，每家運營商使用的最大信道帶寬不大于50 MHz，且LTE和NR存在著PRB/TTI級頻譜共享的需求，建議子載波間隔配置為15 kHz。

對于2.6 GHz和3.5 GHz，每家運營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。

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

3? ?PRACH配置建議

5G NR支持兩種長度的PRACH，長序列PRACH的序列長度是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]。

本文接下來主要討論長序列PRACH。

對于長序列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長度分別是3 ms和3.5 ms，分別適合于超遠覆蓋和深度覆蓋，不建議使用在高鐵覆蓋場景。高鐵覆蓋場景可用的是格式0和格式3，格式0和格式3的長度都是1 ms，格式0的PRACH子載波間隔是1.25 kHz，只傳遞1次隨機接入前導，在頻率上占用6個RB（PUSCH的SCS=15 kHz）或3個RB（PUSCH的SCS=30 kHz）;格式3的PRACH子載波間隔是5 kHz，傳遞4次隨機接入前導，在頻率上占用24個RB（PUSCH的SCS=15 kHz）或12個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景[5]。

對于長序列PRACH，支持非限制集、限制集A和限制集B。在NCS相同的條件下，對于單個根序列，非限制集產(chǎn)生的隨機接入前導數(shù)量最多，限制集A產(chǎn)生的隨機接入前導數(shù)量次之，限制集B產(chǎn)生的隨機接入前導數(shù)量最少。例如，假設NCS=15，當限制集類型配置為非限制集、限制集A和限制集B時，單個根序列產(chǎn)生的隨機接入前導數(shù)量分別是55個、6～14個、不高于6個。對于限制集A和限制集B，隨機接入前導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0

（2）當0.4×Δf RA

（3）當fD>Δf RA時，使用限制集B，也即對于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，使用限制集B。

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

需要說明的是，中國移動在2.6 GHz頻段，PUSCH的SCS=30 kHz，上下行時隙配置是7：2+6：4：4，即每5 ms周期的最后2個連續(xù)時隙是上行時隙。中國電信和中國聯(lián)通在3.5 GHz頻段，PUSCH的SCS=30 kHz，采用2.5 ms雙周期幀結構，每5 ms周期的最后2個連續(xù)時隙也是上行時隙，2個連續(xù)上行時隙的持續(xù)時間是1 ms，與格式0和格式3的PRACH長度相同。對于1.8 GHz頻段和2.1 GHz頻段，采用的是FDD制式，存在著持續(xù)的上行時隙。因此，在高鐵覆蓋場景下，長序列PRACH使用格式0和格式3是可行的[8]。

對于表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)絡部署初期優(yōu)先選擇格式3，在5G網(wǎng)絡部署的中后期，隨著5G用戶數(shù)和小區(qū)容量的增加，優(yōu)先選擇格式0。這是為了保證每個小區(qū)產(chǎn)生64個隨機接入前導，在其它參數(shù)相同的條件下，格式3產(chǎn)生的隨機接入前導數(shù)量更多，因此需要的根序列較少，減少了上行接收機實現(xiàn)的復雜度，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）的主要作用是用于信道估計、幫助解調(diào)信道信息。對于5G NR，前置DM-RS分為單符號DM-RS和雙符號DM-RS兩種結構，單符號DM-RS支持4個或6個正交的天線端口，可以實現(xiàn)最多4流或6流傳輸;雙符號DM-RS支持8個或12個正交的天線端口，可以實現(xiàn)最多8流或12流傳輸。雙符號DM-RS相比單符號DM-RS，可以復用更多的用戶，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。在高鐵覆蓋場景下，主要矛盾是列車高速移動產(chǎn)生的多普勒頻移，配置為雙符號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)的吞吐量反而會下降[9]。本文建議，在高鐵覆蓋場景下，前置DM-RS配置為單符號DM-RS。

對于單符號DM-RS，除了配置1個前置DM-RS外，在1個時隙內(nèi)，還可以配置1、2、3個額外的DM-RS符號，也即在1個時隙內(nèi)，有1個、2個、3個或4個DM-RS[10]。對于PUSCH信道，DM-RS的結構如圖1所示。

對于高速移動的UE，由于信號的相干時間較短，在時域上配置額外的DM-RS能實現(xiàn)更精確的信道估計，對抗多普勒頻移，但是額外的DM-RS也會導致數(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DM-RS符號在時域上覆蓋的信道相干時間是0.4×1/fD ms，fD的單位是kHz，即1個DM-RS符號可以用于該符號前面和后面0.4×1/fD ms范圍內(nèi)的OFDM符號的相干解調(diào)。根據(jù)以上規(guī)則，結合表1，對于PUSCH信道，1個時隙內(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，對于PDSCH，可以酌情減少DM-RS的數(shù)量。

5? ? 結束語

對于5G NR高鐵覆蓋，除了以上物理層參數(shù)外，還可以通過設置小區(qū)重選參數(shù)，降低高速移動UE的重選門限，減少乒乓效應。在實際網(wǎng)絡部署的過程中，可以參照本文提供的參數(shù)配置原則和配置建議，根據(jù)列車的實際運行速度、站間距、高鐵沿線無線環(huán)境等因素，設置合理5G NR的參數(shù)，以達到最優(yōu)的網(wǎng)絡性能。

參考文獻：

[1]? ?3GPP. 3GPP TS 38.104： 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; NR;Base Station （BS） radio transmission and reception（Release 15）[EB/OL]. （2020-01-13）[2020-03-19]. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/38_series/38.104/.

[2]? ?3GPP. 3GPP TS 38.101-1： 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; NR;User Equipment （UE） radio transmission and reception;Part 1： Range 1 Standalone （Release 15） [EB/OL]. （2020-01-13）[2020-03-19]. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/38_series/38.101-1/.

[3]? ?張建國，徐恩，肖清華.5G NR頻率配置方法[J]. 移動通信， 2019，43（2）： 33-37.

[4]? ?3GPP. 3GPP TS 38.211. 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network; NR;Physical channels and modulation （Release 15）[EB/OL]. （2020-01-13）[2020-03-19]. http：//www.3gpp.org/ftp/specs/archive/38_series/38.211/.

[5]? ? 張建國，黃正彬，周鵬云. 5G NR下行同步過程研究[J]. 郵電設計技術， 2019（3）： 28-32.

[6]? ? ?張建國，韓春娜，楊東來. 5G NR隨機接入信號的規(guī)劃 研究[J]. 郵電設計技術， 2019（8）： 40-44.

[7]? ? R1-1714661. ZTE Corp. WF on Restricted set for PRACH? [EB/OL]. （2020-01-13）[2020-03-19]. https：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_90/Docs.

[8]? ? 韓春娜，張建國. 中國移動在2.6GHz頻段的5G部署策略研究[J]. 電信技術， 2019（12）： 19-22.

[9]? ? 張建國，徐恩，張藝譯. 5G NR峰值速率分析[J]. 郵電設計技術， 2019（7）： 18-22.

[10]? ?R1-1716509. Nokia， Nokia Shanghai Bell. On remaining issues of DM-RS for NR physical data channels [EB/OL]. （2020-01-13）[2020-03-19]. https：//www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1709/Docs.