21 3GPP中 5G NR高速列车通信标准化

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本文提出初始接入、移动性管理、线性小区设计等高层技术。描述3GPP采用HST场景的评估参数,阐释了HST应用的物理层技术,包括数字通信和参考信号设计,链路级评估结果表明了多提方法的优越性。
HST:high-speed train
SHF:super high frequency

信道模型

  1. 在HST场景下,用链路级信道模型对不同的部署场景进行仿真。并且LOS分量有望在非LOS分量中占主导地位,因此在TDL和CDL信道模型中定义了强LOS分量在窄的簇内和簇间扩展。
  2. Rician衰落信道模型中Rician因子在一定范围中,称为K,K=7(表示城市宏观场景) 或13.3dB
  3. 在HST场景下,选择TDL-D和CDL-D模型用于SISO和MIMO系统评估

实验------物理层设计相关元素

μ(与子载波间隔有关)

  1. 为了保证子载波间正交并减小子载波间干扰,假设信道在一个OFDM符号周期内不发生变化。
  2. 为了避免多普勒引起ICI,使用更大的SCS以保持OFDM符号持续时间更短
  3. 在SHF频段,射频震荡器相位噪声很大,相位噪声随着子载波数或FFT大小的增加而增大,进而引起相关性能下降。因此需要更大的SCS缓解相位噪声引起的性能下降
  4. 实验数据
参数 参数值
列车速度 500km/h
载波频率 30GHz
系统带宽 80MHz
码型 LTE Turbo码
MCS QPSK 1/2、16-QAM 2/3 64-QAM 3/4 256QAM 3/4
TDL-D模型 k为13.3dB
  1. 实验结果图
  2. 实验结果
    • 频谱效率随着SCS增大而增大,因为较大的SCS对相位噪声和多普勒频移有鲁棒性,64-QAM、256-QAM等高阶调制对相位噪声和高移动性更加敏感。
    • 与LTE采用15KHz相比,HST实现大于60KHz的SCS可以获得更高的频谱效率。

设计参考信号(DMRS)

  1. 接收端从DMRS中可以获取预编码的信道状态信息,3GPP规定时域密度对网络切片有益,因为有额外DMRS的切片非常适合高移动性列车,没有额外DMRS的切片对支持没有移动性的轨道传感器有用。
  2. 在PRB内部分配无DMRS的纯数据,可以进一步降低频域DMRS密度,实现PRB交织频域复用
  3. 仅分配前载DMRS,在多普勒影响较大环境中会导致性能显著下降,所以需要在前载DMRS之后再分配额外的DMRS去跟踪时变信道系数,增加时域DMRS密度会增加DMRS开销,导致频谱效率下降。并且由于列车高移动性,LOS分量主导HST信道中的非LOS分量,使得HST信道频率选择性较低
  4. 减低DMRS开销,提高频谱效率吧,考虑降低DMRS频域密度
  5. DMRS设计图
    右上:每两个PRB放置一个DMRS-PRB,使更多数据通过其余纯数据PRB传输,适用于信道频率特性高度平坦的HST信道,因此可省略对每个资源块的信道估计,所提出的DMRS配置还可避免并测量小区间干扰
  6. 使用相同中心频率,将不同交错模式分配给相邻小区,就可以用DMRS测量来自相邻小区的传输信号,并可能将其去除。在DMRS中提升功率,当相邻小区之间的DMRS配置交错时,信道估计可以更加鲁棒地抵抗小区间干扰。
  7. 实验参数
参数 参数值
SCS 60 kHz
DMRS密度值 如图6b所示。
列车速度 500 km / h。
信道模型 CDL - D模型的K因子为7 dB,
( ASD、ASA、ZSA、ZSD) ( 5、15、5、1) °,
天线阵列 ( M、N、P、Mg、Ng) = ( 8、16、2、1、1)。
编码速率与调制方式 1 / 2、2 / 3、3 / 4和5 / 6的Turbo码 QPSK、16 - QAM、64 - QAM和256QAM调制方式。
  1. 实验结果图
  2. 结论
    从图中可以观察到,与d = 1的传统方案相比,频谱效率的增益可以通过在频域降低DMRS的密度来观察。

参考文献:High-Speed Train Communications Standardization in 3GPP 5G NR

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