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摘要：5G无线网络技术能支持高要求的服务，例如，增强型移动宽带、低延迟通信及大规模机器类型通信。该技术由于具有高数据速率、可靠性、低延迟移动性等特点，有望在各种场景得到广泛应用。其中，5G无线网络技术在高速铁路场景中的应用具有十分重要的意义。基于此，本文概述了5G无线电(NR)的各个关键设计，提出了如何针对支持高铁高移动性的几个物理层系统进行设计，并在最后对文章进行总结。
关键词：5G无线网络；高铁场景；规划；优化
Planning and optimization of 5G wireless network in high-speed rail scenario
Bao Dan 1，Tong Jinghua 2
[1.Chongqing telecommunication vocational college，Chongqing，400900；2.Zhejiang Mingxun NetworkTechnology Co.,Ltd.(Chongqing Office)，Chongqing，401122]
Abstract:5G wireless network technology can support high demand services,such as enhanced mobile broadband,ultra reliable and low delay communication and large-scale machine type communication.This technology is expected to be widely used in various scenarios because of its high data rate,reliability,low delay mobility and other performance.Among them,in terms of realizing high-speed train communication,the application of 5G wireless network technology in the scene of high-speed railway is of great significance.Based on this,this paper summarizes the key designs of 5G NR,proposes how to design several physical layer systems that support high-speed rail and high mobility,and summarizes the article at the end.
Key words:5G wi-fi;high speed rail scenario;plan;optimization
一、引言
第五代(5G)无线技术能通过多于Gb/s的数据速率、99.999%的可靠性，低于1ms的延迟及零移动中断为人们提供高效、可靠和无缝的无线体验。5G规范已在新无线电范围内的第三代合作伙伴项目(3GPP)中实现。该项目旨在开发高效、灵活的设计方案，以支持上述不同的案例。
二、无线网络技术在高铁场景中的应用背景
第一个标准化列车通信系统建立在全球移动通信系统(GSM)技术的基础上。该技术已在全球范围内得到广泛应用，扩大了铁路服务的范围。即GSM铁路(GSM-R)，能够为列车控制提供语音和数据服务。然而，GSM-R的能力有限，其峰值数据速率仅为172kb/s，延迟约为400ms[1]。宽带铁路通信采用了基于IEEE 802.16的全球移动微波接入互操作性(WiMAX)技术。与GSM-R相比，移动WiMAX可以提供更高的数据速率，约为数百Mb/s，延迟低至50ms[2]。
铁路应用采用长期演进(LTE)技术，即LTE铁路(LTE-R)。现场试验表明，LTE-R系统可以以200 km/h左右的速度达到几十兆比特每秒的数据速率[3]。最新开发的无线标准5GNR旨在灵活支持不同的用例和部署场景。NR(Rel-15)的第一个版本被指定为支持大多数eMBB服务和一些有限的URLLC服务的基本无线电接入功能。除此之外，3GPP正在进一步努力，以全面支持Rel-16和Rel-17中的5G用例和部署场景。要实现高速列车通信，技术人员就要利用大量宽带并采用毫米波(mmWave)波段，实现高于1Gb/s的数据速率。
三、性能要求和场景描述
如3GPP TR.913文件所述，5GNR高速列车方案旨在为乘客提供宽带接入服务，并沿列车轨道实现连续覆盖。TR22.261明确了高速列车场景的性能要求，包括经验数据速率和覆盖范围等。上述需求与场景描述密切相关，如布局、载波频率、网络接口等。单一宏布局和宏与中布局是TR 38.913中的两种主要布局。宏布局在gNodeB和列车内的用户设备(UE)之间建立直接链接。尽管宏布局在支持UE列车方面无需任何额外基础设施就可访问网络，但是仍存在一些严峻的技术挑战。
火车车厢由金属制成，不可避免地会造成约20dB—35dB的信号穿透损失[4]。为了克服这种穿透损耗，每个UE需要提高其发射功率，这会导致UE功耗进一步提高，另外，在组切换情况下会出现“信令风暴”，即多个UE(可能有数百个)尝试同时切换。列车车载继电器的引入可以克服宏布局中的上述问题。借助部署在列车外部的车载继电器，可以避免组切换导致的穿透损失和切换失败问题。宏布局的上述优势可能会受到中继操作延迟增加和额外资源消耗的影响。5G NR高速列车支持单频网络(SFN)和非SFN部署，也就是说，技术人员可通过减少开销和延迟来提高毫米波网络中波束对齐和波束跟踪效率。
此外。与前几代移动网络相比，5G网络受益于毫米波频段的大信号带宽，其定位系统能够进行精确地测距测量，可通过估计的列车位置、速度及已知的RRH位置来预测每个通信链路的多普勒频移。有了这些信息，网络可以计算链路方向多普勒频移值，从而对每个RRH的发射信号进行预补偿。然而，由于有限的频率被重用，5G网络需要更长的循环前缀(CP)长度和更小的小区容量。
(一)高速物理层设计
虽然NR设计涉及各种用例和部署场景，但人们仍然关注具备极高移动性的鲁棒性。在5G NR中，人们会选择正交频分复用(OFDM)作为下行链路和上行链路的基本传输方案，并在上行链路中使用额外的变换预编码选项来生成离散傅立叶变换扩频OFDM(DFT-s-OFDM)，以此达到最小化信号的立方度量目标。
为了覆盖各种需求不同的用例和部署场景的广泛载波频带(即从1千兆赫到毫米波段)，NR支持灵活和可扩展的数字统计，子载波间隔为2m·15KHz，其中m是0到4的整数。正常CP配置中，每个时隙包含14个OFDM符号。其定义了几种时隙格式，以便可以在所有下行链路和所有上行链路时隙之间灵活配置下行链路和上行链路符号之间的比率。而高速的移动性场景，例如高速列车场景，也需要使用大的子载波间隔(因此OFDM符号持续时间短)，以减少多普勒诱导的载波间干扰(ICI)。更具体地说，OFDM符号的长度需要足够短，以便忽略OFDM符号期间的信道变化，并且保持子载波之间的正交性。
(二)参考信号的设计
不同的参考信号被用于不同的方面，例如，解调参考信号(DM-RS)被用于下行链路和上行链路信道估计；信道状态信息参考信号(CSI-RS)被用于下行链路信道状态测量；测深参考信号(SRS)被用于上行链路信道状态测量；相位跟踪参考信号(PT-RS)被用于下行和上行相位噪声补偿。各类参考信号可以根据上行和下行的需要调整打开和关闭的状态，并且调整其特定模式、密度和多路复用方案。
1.DM-RS
在面对高速列车等高机动性移动目标的情况下，系统的主要挑战是准确估计高时变信道。信道跟踪不准确导致的信道估计误差会严重影响解码性能。在NR中，DM-RS用于下行链路和上行链路中的信道估计，如TS 38.211。
此外，DM-RS由UE专门配置，可以定制每个UE的DM-RS的频域模式和时域密度，以满足特定UE的需求。频域模式可以通过无线资源控制(RRC)信令选择两种配置类型中的任一种。时域DM-RS密度也是可配置的，在插槽的开头附近至少有一个DM-RS符号，在移动性极低或为零的情况下，只有前置DM-RS可以满足需求。
然而，在高移动性或极高移动性场景中，除提前加载的DM-RS外，最多可以分配三个额外的DM-RS符号。为了评估极高的移动性信道跟踪性能，本文比较了配置类型1和2的不同频域模式的DM-RS配置，设定列车速度为100 km/h、300 km/h和500km/h；采用了商定的评估假设方法，用于评估TR 38.802中约30 GHz载波频率下高速列车方案的DM-RS性能；采用自适应调制编码方案(MCS)，其中支持的调制方案为QPSK、16QAM和64QAM。支持的代码速率介于0.076和0.926之间。时域DM-RS密度为每个时隙四个符号，可支持非常高的移动性。使用基于码分复用(CDM)的DM-RS端口复用，空间复用的层数为两层。配置类型1由于其更高的频域密度能够实现更精确的信道估计，从而相应地提高频谱效率，因此，配置类型1的频谱效率高于配置类型2。
2.CSI-RS和SRS
为了获取信道状态信息(CSI)，技术人员需要在下行链路传输CSI-RS，在上行链路传输测深参考信号(SRS)，获得的CSI可用于多个方面，例如，通过CSI反馈或信道互惠的方式进行调度、链路自适应和波束管理。通常，与需要最新、准确的信道知识的解调信道估计相比，CSI捕获的更新频率较低。CSI-RS的周期为4到640个时隙，SRS的周期为1到2560个插槽。CSI-RS最多支持32个端口，其中不同CSI-RS端口之间的复用是在CDM、频分复用(FDM)和时域复用(TDM)的组合中完成的。CSI-RS只能分配给带宽(BWP)的一部分及整个BWP。
此外，为了减少开销，技术人员通过不在每秒钟的PRB中分配CSI-RS，可以将CSI-RS的频域密度减少一半。在LTE中，小区特定参考信号(CRS)满足此需求。然而，由于这种常开信号在NR中的使用范围十分有限，因此需要一个新的参考信号来进行精细的时间和频率跟踪。最后，技术人员可采用特定配置的CSI-RS资源对时间和频率进行跟踪。高层信令可以用于跟踪CSI-RS被配置在具有诸如突发长度、突发周期、频域和时域参考信号间隔等特定参数的突发内传输情况。用于跟踪的CSI-RS是UE专门配置的，并且通过单个端口传输。突发的带宽可以覆盖当前BWP的整个带宽。
在频域中，PRB内的四个等距子载波用于CSI-RS跟踪。在时域中，一个时隙内的两个符号或两个连续时隙内的四个符号可用于CSI-RS进行跟踪。频域和时域分离需要分别确定时间和频率误差的跟踪范围。无论数字是什么，脉冲的周期都在10ms到80ms之间。最小突发周期为10ms，以支持高速列车场景，其中频繁的精细时间和频率跟踪尤为重要。
3.PT-RS
在高载波频带(如毫米波段)中，相位噪声的影响非常显著，尤其是在使用高阶调制(如64QAM)时。因此，NR引入了用于估计和补偿相位噪声影响的参考信号，即PT-RS。PT-RS可以在物理下行链路共享信道(PDSCH)和物理上行链路共享信道(PUSCH)的资源块内传输，并且被配置为通过更高层信令实行打开和关闭的操作。考虑到对相位跟踪性能和开销之间的权衡，PT-RS的时域和频域密度应分别根据调度的MCS和带宽进行调整。更具体地说，由于相位噪声对高阶调制方案的影响更为显著，分配更高的时域PT-RS密度有利于更好地服务于MCS。当分配窄带宽时，需要降低频域PT-RS密度以减少开销。
从UE的角度来看，NR规范支持下行链路的多达八层传输和上行链路的多达四层传输。然而，对速度较快的多普勒场景(如高速列车场景)而言，这种高层传输实际上缺乏一定的可行性。由于场景的速度非常快，很难通过反馈或信道互易在发射机处获得准确的CSI。此外，由于高速列车轨道往往非常直，视线(LOS)分量占主导地位。考虑到上述限制，支持高达两层传输(最好跨交叉极化组件)对高速列车场景而言似乎更具合理性。NR下行链路仅定义了单个多天线传输方案，类似于LTE中基于非码本的传输，其中，数据和DM-RS使用了相同的预编码矩阵进行传输。
此外，只要保证流程规范透明，技术人员就可以使用任何开环空间复用或分集技术。在上行链路中，支持两种不同的传输方案，即基于码本的传输方案和基于非码本的传输方案。支持高速列车无短期CSI反馈的空间复用，可以使用类似于其下行链路对应物的基于非码本的传输方案来实现。
四、结语
本文总结了5GNR的关键设计原则和细节，以更好地支持高速列车方案的落实。文章围绕高达500km/h的高机动性，涵盖了以下主题：数字生物学、帧结构、参考信号、多天线方案、小区搜索、随机访问和机动性支持，为进一步完善5G和5G标准化之后的高速列车支持方案提供了参考。
【参考文献】
[1]赵晨.5G网络多场景覆盖策略研究[J].信息通信，2016(09).
[2]焦燕鸿，王韬，李富强，马向辰，尧文彬.5G高铁无线网建设关键技术与解决方案[J].电信科学，2020(08).
[3]袁晨辉.5G无线网络在高铁场景下的规划及方案论述[J].科技风，2020(32).
[4]张荣涛.浅析5G无线网络在高铁场景中的规划与优化[J].数字技术与应用，2020(01).
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