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    5G 無線網絡在高鐵場景中的規劃與優化論文

    發布時間:2022-11-23 14:07:34 文章來源:SCI論文網 我要評論














    SCI論文(www.free-home-improvement-tips.com):
     
      摘要:5G無線網絡技術能支持高要求的服務,例如,增強型移動寬帶、低延遲通信及大規模機器類型通信。該技術由于具有高數據速率、可靠性、低延遲移動性等特點,有望在各種場景得到廣泛應用。其中,5G無線網絡技術在高速鐵路場景中的應用具有十分重要的意義?;诖?,本文概述了5G無線電(NR)的各個關鍵設計,提出了如何針對支持高鐵高移動性的幾個物理層系統進行設計,并在最后對文章進行總結。

           關鍵詞:5G無線網絡;高鐵場景;規劃;優化
     
      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 O?ce),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 signi?cance.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-?;high speed rail scenario;plan;optimization
     
      一、引言
     
      第五代(5G)無線技術能通過多于Gb/s的數據速率、99.999%的可靠性,低于1ms的延遲及零移動中斷為人們提供高效、可靠和無縫的無線體驗。5G規范已在新無線電范圍內的第三代合作伙伴項目(3GPP)中實現。該項目旨在開發高效、靈活的設計方案,以支持上述不同的案例。
     
      二、無線網絡技術在高鐵場景中的應用背景
     
      第一個標準化列車通信系統建立在全球移動通信系統(GSM)技術的基礎上。該技術已在全球范圍內得到廣泛應用,擴大了鐵路服務的范圍。即GSM鐵路(GSM-R),能夠為列車控制提供語音和數據服務。然而,GSM-R的能力有限,其峰值數據速率僅為172kb/s,延遲約為400ms[1]。寬帶鐵路通信采用了基于IEEE 802.16的全球移動微波接入互操作性(WiMAX)技術。與GSM-R相比,移動WiMAX可以提供更高的數據速率,約為數百Mb/s,延遲低至50ms[2]。
     
      鐵路應用采用長期演進(LTE)技術,即LTE鐵路(LTE-R)?,F場試驗表明,LTE-R系統可以以200 km/h左右的速度達到幾十兆比特每秒的數據速率[3]。最新開發的無線標準5GNR旨在靈活支持不同的用例和部署場景。NR(Rel-15)的第一個版本被指定為支持大多數eMBB服務和一些有限的URLLC服務的基本無線電接入功能。除此之外,3GPP正在進一步努力,以全面支持Rel-16和Rel-17中的5G用例和部署場景。要實現高速列車通信,技術人員就要利用大量寬帶并采用毫米波(mmWave)波段,實現高于1Gb/s的數據速率。

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      三、性能要求和場景描述
     
      如3GPP TR.913文件所述,5GNR高速列車方案旨在為乘客提供寬帶接入服務,并沿列車軌道實現連續覆蓋。TR22.261明確了高速列車場景的性能要求,包括經驗數據速率和覆蓋范圍等。上述需求與場景描述密切相關,如布局、載波頻率、網絡接口等。單一宏布局和宏與中布局是TR 38.913中的兩種主要布局。宏布局在gNodeB和列車內的用戶設備(UE)之間建立直接鏈接。盡管宏布局在支持UE列車方面無需任何額外基礎設施就可訪問網絡,但是仍存在一些嚴峻的技術挑戰。
     
      火車車廂由金屬制成,不可避免地會造成約20dB—35dB的信號穿透損失[4]。為了克服這種穿透損耗,每個UE需要提高其發射功率,這會導致UE功耗進一步提高,另外,在組切換情況下會出現“信令風暴”,即多個UE(可能有數百個)嘗試同時切換。列車車載繼電器的引入可以克服宏布局中的上述問題。借助部署在列車外部的車載繼電器,可以避免組切換導致的穿透損失和切換失敗問題。宏布局的上述優勢可能會受到中繼操作延遲增加和額外資源消耗的影響。5G NR高速列車支持單頻網絡(SFN)和非SFN部署,也就是說,技術人員可通過減少開銷和延遲來提高毫米波網絡中波束對齊和波束跟蹤效率。
     
      此外。與前幾代移動網絡相比,5G網絡受益于毫米波頻段的大信號帶寬,其定位系統能夠進行精確地測距測量,可通過估計的列車位置、速度及已知的RRH位置來預測每個通信鏈路的多普勒頻移。有了這些信息,網絡可以計算鏈路方向多普勒頻移值,從而對每個RRH的發射信號進行預補償。然而,由于有限的頻率被重用,5G網絡需要更長的循環前綴(CP)長度和更小的小區容量。
     
      (一)高速物理層設計
     
      雖然NR設計涉及各種用例和部署場景,但人們仍然關注具備極高移動性的魯棒性。在5G NR中,人們會選擇正交頻分復用(OFDM)作為下行鏈路和上行鏈路的基本傳輸方案,并在上行鏈路中使用額外的變換預編碼選項來生成離散傅立葉變換擴頻OFDM(DFT-s-OFDM),以此達到最小化信號的立方度量目標。
     
      為了覆蓋各種需求不同的用例和部署場景的廣泛載波頻帶(即從1千兆赫到毫米波段),NR支持靈活和可擴展的數字統計,子載波間隔為2m·15KHz,其中m是0到4的整數。正常CP配置中,每個時隙包含14個OFDM符號。其定義了幾種時隙格式,以便可以在所有下行鏈路和所有上行鏈路時隙之間靈活配置下行鏈路和上行鏈路符號之間的比率。而高速的移動性場景,例如高速列車場景,也需要使用大的子載波間隔(因此OFDM符號持續時間短),以減少多普勒誘導的載波間干擾(ICI)。更具體地說,OFDM符號的長度需要足夠短,以便忽略OFDM符號期間的信道變化,并且保持子載波之間的正交性。
     
      (二)參考信號的設計
     
      不同的參考信號被用于不同的方面,例如,解調參考信號(DM-RS)被用于下行鏈路和上行鏈路信道估計;信道狀態信息參考信號(CSI-RS)被用于下行鏈路信道狀態測量;測深參考信號(SRS)被用于上行鏈路信道狀態測量;相位跟蹤參考信號(PT-RS)被用于下行和上行相位噪聲補償。各類參考信號可以根據上行和下行的需要調整打開和關閉的狀態,并且調整其特定模式、密度和多路復用方案。
     
      1.DM-RS
     
      在面對高速列車等高機動性移動目標的情況下,系統的主要挑戰是準確估計高時變信道。信道跟蹤不準確導致的信道估計誤差會嚴重影響解碼性能。在NR中,DM-RS用于下行鏈路和上行鏈路中的信道估計,如TS 38.211。
     
      此外,DM-RS由UE專門配置,可以定制每個UE的DM-RS的頻域模式和時域密度,以滿足特定UE的需求。頻域模式可以通過無線資源控制(RRC)信令選擇兩種配置類型中的任一種。時域DM-RS密度也是可配置的,在插槽的開頭附近至少有一個DM-RS符號,在移動性極低或為零的情況下,只有前置DM-RS可以滿足需求。
     
      然而,在高移動性或極高移動性場景中,除提前加載的DM-RS外,最多可以分配三個額外的DM-RS符號。為了評估極高的移動性信道跟蹤性能,本文比較了配置類型1和2的不同頻域模式的DM-RS配置,設定列車速度為100 km/h、300 km/h和500km/h;采用了商定的評估假設方法,用于評估TR 38.802中約30 GHz載波頻率下高速列車方案的DM-RS性能;采用自適應調制編碼方案(MCS),其中支持的調制方案為QPSK、16QAM和64QAM。支持的代碼速率介于0.076和0.926之間。時域DM-RS密度為每個時隙四個符號,可支持非常高的移動性。使用基于碼分復用(CDM)的DM-RS端口復用,空間復用的層數為兩層。配置類型1由于其更高的頻域密度能夠實現更精確的信道估計,從而相應地提高頻譜效率,因此,配置類型1的頻譜效率高于配置類型2。

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      2.CSI-RS和SRS
     
      為了獲取信道狀態信息(CSI),技術人員需要在下行鏈路傳輸CSI-RS,在上行鏈路傳輸測深參考信號(SRS),獲得的CSI可用于多個方面,例如,通過CSI反饋或信道互惠的方式進行調度、鏈路自適應和波束管理。通常,與需要最新、準確的信道知識的解調信道估計相比,CSI捕獲的更新頻率較低。CSI-RS的周期為4到640個時隙,SRS的周期為1到2560個插槽。CSI-RS最多支持32個端口,其中不同CSI-RS端口之間的復用是在CDM、頻分復用(FDM)和時域復用(TDM)的組合中完成的。CSI-RS只能分配給帶寬(BWP)的一部分及整個BWP。
     
      此外,為了減少開銷,技術人員通過不在每秒鐘的PRB中分配CSI-RS,可以將CSI-RS的頻域密度減少一半。在LTE中,小區特定參考信號(CRS)滿足此需求。然而,由于這種常開信號在NR中的使用范圍十分有限,因此需要一個新的參考信號來進行精細的時間和頻率跟蹤。最后,技術人員可采用特定配置的CSI-RS資源對時間和頻率進行跟蹤。高層信令可以用于跟蹤CSI-RS被配置在具有諸如突發長度、突發周期、頻域和時域參考信號間隔等特定參數的突發內傳輸情況。用于跟蹤的CSI-RS是UE專門配置的,并且通過單個端口傳輸。突發的帶寬可以覆蓋當前BWP的整個帶寬。
     
      在頻域中,PRB內的四個等距子載波用于CSI-RS跟蹤。在時域中,一個時隙內的兩個符號或兩個連續時隙內的四個符號可用于CSI-RS進行跟蹤。頻域和時域分離需要分別確定時間和頻率誤差的跟蹤范圍。無論數字是什么,脈沖的周期都在10ms到80ms之間。最小突發周期為10ms,以支持高速列車場景,其中頻繁的精細時間和頻率跟蹤尤為重要。
     
      3.PT-RS
     
      在高載波頻帶(如毫米波段)中,相位噪聲的影響非常顯著,尤其是在使用高階調制(如64QAM)時。因此,NR引入了用于估計和補償相位噪聲影響的參考信號,即PT-RS。PT-RS可以在物理下行鏈路共享信道(PDSCH)和物理上行鏈路共享信道(PUSCH)的資源塊內傳輸,并且被配置為通過更高層信令實行打開和關閉的操作??紤]到對相位跟蹤性能和開銷之間的權衡,PT-RS的時域和頻域密度應分別根據調度的MCS和帶寬進行調整。更具體地說,由于相位噪聲對高階調制方案的影響更為顯著,分配更高的時域PT-RS密度有利于更好地服務于MCS。當分配窄帶寬時,需要降低頻域PT-RS密度以減少開銷。
     
      從UE的角度來看,NR規范支持下行鏈路的多達八層傳輸和上行鏈路的多達四層傳輸。然而,對速度較快的多普勒場景(如高速列車場景)而言,這種高層傳輸實際上缺乏一定的可行性。由于場景的速度非???,很難通過反饋或信道互易在發射機處獲得準確的CSI。此外,由于高速列車軌道往往非常直,視線(LOS)分量占主導地位??紤]到上述限制,支持高達兩層傳輸(最好跨交叉極化組件)對高速列車場景而言似乎更具合理性。NR下行鏈路僅定義了單個多天線傳輸方案,類似于LTE中基于非碼本的傳輸,其中,數據和DM-RS使用了相同的預編碼矩陣進行傳輸。
     
      此外,只要保證流程規范透明,技術人員就可以使用任何開環空間復用或分集技術。在上行鏈路中,支持兩種不同的傳輸方案,即基于碼本的傳輸方案和基于非碼本的傳輸方案。支持高速列車無短期CSI反饋的空間復用,可以使用類似于其下行鏈路對應物的基于非碼本的傳輸方案來實現。
     
      四、結語
     
      本文總結了5GNR的關鍵設計原則和細節,以更好地支持高速列車方案的落實。文章圍繞高達500km/h的高機動性,涵蓋了以下主題:數字生物學、幀結構、參考信號、多天線方案、小區搜索、隨機訪問和機動性支持,為進一步完善5G和5G標準化之后的高速列車支持方案提供了參考。
     
      【參考文獻】
     
      [1]趙晨.5G網絡多場景覆蓋策略研究[J].信息通信,2016(09).
     
      [2]焦燕鴻,王韜,李富強,馬向辰,堯文彬.5G高鐵無線網建設關鍵技術與解決方案[J].電信科學,2020(08).
     
      [3]袁晨輝.5G無線網絡在高鐵場景下的規劃及方案論述[J].科技風,2020(32).
     
      [4]張榮濤.淺析5G無線網絡在高鐵場景中的規劃與優化[J].數字技術與應用,2020(01).
     
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