高铁5G NR参数配置方法

张建国 吕译桁 万新华

【摘  要】首先分析了对于高铁覆盖，在不同速度和频率条件下的最大多普勒频移，然后给出了不同频段的子载波间隔配置原则和配置建议，建议在1.8 GHz频段和2.1 GHz频段，子载波间隔配置为15 kHz，在2.6 GHz频段和3.5 GHz频段，子载波间隔配置为30 kHz，最后给出了PRACH和DM-RS的配置原则和配置建议，建议长序列的PRACH子载波间隔优先配置为5 kHz，根据最大多普勒频移的不同，长序列的PRACH配置为非限制集、限制集A和限制集B;根据最大多普勒频移的不同，DM-RS数量配置为1个、2个、3个或4个。

【关键词】5G NR;高铁;PRACH;DM-RS;多普勒频移

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

中国铁路在速度方面上分为高速铁路（250 km/h—380 km/h）、快速铁路（160 km/h—250 km/h）、普速铁路（80 km/h—160 km/h），高速铁路目前运行的最高速度为350 km/h，除此之外，中国还在研制最高速度达到400 km/h的高速列车和600 km/h的高速磁悬浮列车。5G NR支持的移动性最高为500 km/h，相比于4G的350 km/h，提高了43%。为了使读者对5G NR高铁覆盖的理解更为全面，本文接下来分析的高铁速度范围是120km/h—500km/h。

对于室外覆盖，三家运营商部署的5G频率如下：中国移动优先在2.6 GHz频段大规模部署5G网络，中国电信和中国联通优先在3.5 GHz频段大规模部署5G网络;除此之外，中国电信和中国联通在2.1 GHz频段小规模试点部署5G网络，中国移动、中国电信和中国联通在1.8 GHz频段小规模试点部署5G网络。3GPP定义的FR1的频率范围是410 MHz—7 125 MHz。结合三家运营商使用的5G频率和3GPP定义，本文接下来分析的频率范围是1.8 GHz—6 GHz。

相比于4G网络，5G网络支持的速度和频率更高，给无线信号的覆蓋带来了更大的挑战。为了应对这个挑战，5G在物理层参数配置方面有很大的变化，本文接下来分析在高铁覆盖场景下，5G NR物理层参数的配置原则和配置建议。

1   多普勒频移

对于高铁覆盖场景，频率偏移主要由3部分组成：由于UE高速移动产生的多普勒频移，由于TRP（Transmission Reception Point，发射接收节点）本地晶振不精确产生的频率误差以及由于UE本地晶振不精确产生的频率误差。对于下行方向，多普勒频移是单向频移，即只包括TRP到UE的频率偏移;对于上行方向，多普勒频移是双向频移，即包括TRP到UE 的频率偏移和UE到TRP的频率偏移。在高铁覆盖场景下，最大的频率偏移计算公式如下：

其中，v是UE的移动速度，单位是km/h;fc是载波的中心频率，单位是Hz;c是光速;ΔfTRP是TRP本地晶振产生的频率误差，ΔfUE是UE本地晶振产生的频率误差。

根据3GPP协议，TRP允许的最大频率误差是±0.05 ppm[1]，UE允许的最大频率误差是±0.1 ppm[2]，也即TRP和UE允许的最大频率误差分别是百万分之0.05和百万分之0.1。根据公式（1），可以计算出对于高铁覆盖场景，在不同速度和频率条件下上行方向的最大频率偏移，如表1所示：

在不引起混淆的情况下，本文接下来不严格区分最大的频率偏移和多普勒频移，也即本文接下来提到的多普勒频移包含了TRP和UE本地晶振不精确产生的频率误差。

2   子载波间隔配置建议

对于高铁覆盖场景，子载波间隔配置主要考虑以下三个因素。

第一：最大多普勒频移。当多普勒频移为固定值时，子载波间隔（SCS， Sub-Carrier Spacing）越大，多普勒频移相对于子载波间隔的比例就越小，因此容忍多普勒频移的能力就越强，对于高铁覆盖场景，随着载波频率和UE速度的增加，应该使用大的子载波间隔以对抗多普勒频移，通常来说，子载波间隔应该大于多普勒频移的10～20倍。

第二：子载波支持的最大信道带宽。根据3GPP协议，5G NR支持最多275个CRB（Common Resource Block，公共资源块），对应着275×12=3 300个子载波，对于SCS=15 kHz、30 kHz和60 kHz，支持的最大信道带宽分别是50 MHz、100 MHz和200 MHz[3]。

第三：是否与LTE共存。LTE和NR频谱共享分为载波级频谱共享和PRB/TTI级频谱共享，当LTE和NR频谱共享是PRB/TTI级频谱共享时，也即LTE作为NR的带内部署时，由于LTE的子载波间隔固定为15 kHz，NR的子载波间隔也应该是15 kHz，PRB/TTI级频谱共享的优势是以PRB（Physical Resource Block，物理资源块）和TTI（Transmission Time Interval，传输时间间隔）为单位，动态分频频域和时域资源，频谱利用率高。

根据以上三个因素，结合三家运营商使用的5G频率、可用的最大信道带宽和最大多普勒频移，对于高铁覆盖场景，5G NR的子载波间隔配置建议如下：

对于1.8 GHz频段和2.1 GHz频段，每家运营商使用的最大信道带宽不大于50 MHz，且LTE和NR存在着PRB/TTI级频谱共享的需求，建议子载波间隔配置為15 kHz。

对于2.6 GHz和3.5 GHz，每家运营商使用的最大信道带宽都大于50 MHz，且频率较高，多普勒频移较大，建议子载波间隔配置为30 kHz。

从对抗多普勒频移角度来看，在高频段和高速移动条件下，子载波间隔配置为60 kHz更为合理，但是由于手机厂商现阶段生产的手机不支持SCS=60 kHz的配置，因此在可预见的将来，子载波间隔不能配置为60 kHz。

3   PRACH配置建议

5G NR支持两种长度的PRACH，长序列PRACH的序列长度是839，支持的PRACH子载波间隔是1.25 kHz和5 kHz，短序列PRACH的序列长度是139，支持的PRACH子载波间隔是15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz[4]。

本文接下来主要讨论长序列PRACH。

对于长序列PRACH，支持格式0、格式1、格式2和格式3共4种格式。其中格式1和格式2的PRACH长度分别是3 ms和3.5 ms，分别适合于超远覆盖和深度覆盖，不建议使用在高铁覆盖场景。高铁覆盖场景可用的是格式0和格式3，格式0和格式3的长度都是1 ms，格式0的PRACH子载波间隔是1.25 kHz，只传递1次随机接入前导，在频率上占用6个RB（PUSCH的SCS=15 kHz）或3个RB（PUSCH的SCS=30 kHz）;格式3的PRACH子载波间隔是5 kHz，传递4次随机接入前导，在频率上占用24个RB（PUSCH的SCS=15 kHz）或12个RB（PUSCH的SCS=30 kHz）。由于格式3的PRACH子载波间隔是格式0的PRACH子载波间隔的4倍，格式3更适合于高铁覆盖场景[5]。

对于长序列PRACH，支持非限制集、限制集A和限制集B。在NCS相同的条件下，对于单个根序列，非限制集产生的随机接入前导数量最多，限制集A产生的随机接入前导数量次之，限制集B产生的随机接入前导数量最少。例如，假设NCS=15，当限制集类型配置为非限制集、限制集A和限制集B时，单个根序列产生的随机接入前导数量分别是55个、6～14个、不高于6个。对于限制集A和限制集B，随机接入前导之间有较大的组间间隔，不容易发生混淆，更适合于高铁覆盖场景[6]。

根据3GPP提案R1-1714661，建议按照如下原则选择PRACH子载波间隔ΔfRA和限制集类型[7]。

（1）当0

（2）当0.4×Δf RA

（3）当fD>Δf RA时，使用限制集B，也即对于Δf RA=1.25 kHz和Δf RA=5 kHz，分别在多普勒频移大于1.25 kHz和5 kHz时，使用限制集B。

根据以上原则，结合表1，在高铁覆盖场景下，长序列PRACH的格式和限制集配置建议见表2。

需要说明的是，中国移动在2.6 GHz频段，PUSCH的SCS=30 kHz，上下行时隙配置是7：2+6：4：4，即每5 ms周期的最后2个连续时隙是上行时隙。中国电信和中国联通在3.5 GHz频段，PUSCH的SCS=30 kHz，采用2.5 ms双周期帧结构，每5 ms周期的最后2个连续时隙也是上行时隙，2个连续上行时隙的持续时间是1 ms，与格式0和格式3的PRACH长度相同。对于1.8 GHz频段和2.1 GHz频段，采用的是FDD制式，存在着持续的上行时隙。因此，在高铁覆盖场景下，长序列PRACH使用格式0和格式3是可行的[8]。

对于表2，如果既可以选择格式0，也可以选择格式3，本文建议在5G网络部署初期优先选择格式3，在5G网络部署的中后期，随着5G用户数和小区容量的增加，优先选择格式0。这是为了保证每个小区产生64个随机接入前导，在其它参数相同的条件下，格式3产生的随机接入前导数量更多，因此需要的根序列较少，减少了上行接收机实现的复杂度，但是格式3在频域上占用较大的带宽，牺牲了PUSCH的容量。

4   DM-RS配置建议

DM-RS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）的主要作用是用于信道估计、帮助解调信道信息。对于5G NR，前置DM-RS分为单符号DM-RS和双符号DM-RS两种结构，单符号DM-RS支持4个或6个正交的天线端口，可以实现最多4流或6流传输;双符号DM-RS支持8个或12个正交的天线端口，可以实现最多8流或12流传输。双符号DM-RS相比单符号DM-RS，可以复用更多的用户，支持更高的峰值速率和小区吞吐量，但是占用的RE（Resource Element）数较多。在高铁覆盖场景下，主要矛盾是列车高速移动产生的多普勒频移，配置为双符号DM-RS并不能增加小区容量，由于DM-RS占用较多的RE，小区的吞吐量反而会下降[9]。本文建议，在高铁覆盖场景下，前置DM-RS配置为单符号DM-RS。

对于单符号DM-RS，除了配置1个前置DM-RS外，在1个时隙内，还可以配置1、2、3个额外的DM-RS符号，也即在1个时隙内，有1个、2个、3个或4个DM-RS[10]。对于PUSCH信道，DM-RS的结构如图1所示。

对于高速移動的UE，由于信号的相干时间较短，在时域上配置额外的DM-RS能实现更精确的信道估计，对抗多普勒频移，但是额外的DM-RS也会导致数据信道的容量下降，因此需要折中考虑DM-RS数量和数据信道性能。通常1个DM-RS符号在时域上覆盖的信道相干时间是0.4×1/fD ms，fD的单位是kHz，即1个DM-RS符号可以用于该符号前面和后面0.4×1/fD ms范围内的OFDM符号的相干解调。根据以上规则，结合表1，对于PUSCH信道，1个时隙内DM-RS数量配置建议见表3。

表3给出的是PUSCH信道的MD-RS数量配置建议，由于下行方向的多普勒频移比上行方向的多普勒偏移小，对于PDSCH，可以酌情减少DM-RS的数量。

5    结束语

对于5G NR高铁覆盖，除了以上物理层参数外，还可以通过设置小区重选参数，降低高速移动UE的重选门限，减少乒乓效应。在实际网络部署的过程中，可以参照本文提供的参数配置原则和配置建议，根据列车的实际运行速度、站间距、高铁沿线无线环境等因素，设置合理5G NR的参数，以达到最优的网络性能。

参考文献：

[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]   张建国，徐恩，肖清华.5G NR频率配置方法[J]. 移动通信， 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]    张建国，黄正彬，周鹏云. 5G NR下行同步过程研究[J]. 邮电设计技术， 2019（3）： 28-32.

[6]     张建国，韩春娜，杨东来. 5G NR随机接入信号的规划 研究[J]. 邮电设计技术， 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]    韩春娜，张建国. 中国移动在2.6GHz频段的5G部署策略研究[J]. 电信技术， 2019（12）： 19-22.

[9]    张建国，徐恩，张艺译. 5G NR峰值速率分析[J]. 邮电设计技术， 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.