5G NR高鐵網(wǎng)絡優(yōu)化方案研究

周 嬌 何文林 李 新 鄧 偉 曹 蕾

中國移動通信有限公司研究院 北京 100032

1 研究背景及目前存在的問題

高速鐵路憑借速度快、覆蓋范圍廣、出行方便、環(huán)境舒適等優(yōu)點，已經(jīng)成為中國的一張名片。高鐵覆蓋是大容量高價值場景，也已經(jīng)成為民眾關(guān)注的熱點之一。

然而，5G NR高鐵覆蓋將面臨比4G LTE高鐵覆蓋更大的難題。5G NR高鐵覆蓋場景，面臨用戶速度運行更快、頻段更高和公專網(wǎng)干擾較大等主要問題。

用戶速度運行更快和頻段更高會導致高速用戶頻率偏移增加，多徑解調(diào)頻譜寬度增加，解調(diào)精度降低，解調(diào)難度增加。針對此問題，本文通過上下行同步參考信號和解調(diào)參考信號優(yōu)化提升用戶同步和解調(diào)性能，提升專網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)性能。

頻率資源受限，公專網(wǎng)采用4G LTE時代的隔離帶內(nèi)異頻組網(wǎng)方案已經(jīng)不能滿足公專網(wǎng)用戶容量需求。4G LTE后期開始采用同頻部署組網(wǎng)提升頻率利用率率但導致干擾較大，嚴重者使得網(wǎng)絡譜效率降低約50%。本文提出了公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方案，采用彈性組網(wǎng)下區(qū)分用戶類型的用戶切換和調(diào)度策略，降低公專網(wǎng)系統(tǒng)間干擾，提升公專網(wǎng)頻率利用率。

本文首先通過參考信號增強方案提升單用戶性能，然后通過組網(wǎng)增強方案提升高鐵網(wǎng)絡整體性能。

2 高鐵參考信號性能提升方案

用戶運行速度較快、使用頻率較高，用戶解調(diào)難度增加。單用戶性能主要涉及同步和解調(diào)，同步性能與用戶收發(fā)頻率估計相關(guān)，解調(diào)性能與用戶信道估計相關(guān)。5G NR高鐵SSB/TRS同步參考信號采用DPS(Dynamic Point Select)方案，對比傳統(tǒng)的SFN(Single Frequency Network)方案，可精確獲取接收信號頻率偏移，對比4G LTE高鐵基于小區(qū)的頻偏補償，可實現(xiàn)基于用戶的補償頻偏；采用增強的1+1+1的解調(diào)參考信號DMRS配置方案，在信道環(huán)境快速變化的場景，可通過降低內(nèi)插參考信號間隔，跟蹤信道快速變化，提升信道估計性能。

2.1 同步參考信號性能提升方案

高速場景引發(fā)多普勒頻偏，頻偏程度與速率和頻率相關(guān)，按下式計算

其中，θ夾角如圖1所示，v為光速3×108m/s，f為載波頻點，c為車速[1]。

圖1 多普勒頻移示意圖

4G時代高鐵車速約250Km/h，5G時代高鐵經(jīng)提速之后到達350～400Km/h。4G時代，車速250Km/h，載頻1.8GHz，最大頻偏fd=1.8GHz/c×250Km/h≈ 450hz。5G時代，車速350Km/h，載頻2.6GHz，最大頻偏fd=2.6GHz/c×350Km/h≈900hz。5G多普勒頻偏約是4G的2倍，用戶需要在2.6GHz±900hz的范圍內(nèi)接收信號，頻率變化幅度更大，用戶接收要求更加嚴苛。

4G時代采用基于SFN CRS的頻偏預估，小區(qū)內(nèi)所有用戶接收合并小區(qū)不同物理站點所有徑發(fā)出的信號，用戶接收頻率存在正負頻偏，頻率估計精度較低。5G高鐵場景參考信號和業(yè)務信道可采用DPS方案，即不同物理站點參考信號配置不同的時頻域資源，用戶可跟蹤所在的物理站點內(nèi)的一個參考信號資源做頻偏補償，單徑頻率估計精度較高。用戶可通過DPS的SSB(System Synchronize Broadcast)/TRS(Tracking Reference Signal)參考信號配置，獲取每個物理站點信道信息，實現(xiàn)基于用戶的頻偏的精補償。

兩種參考信號配置方案如圖2所示[2-3]：對于SFN方案，同一物理站點上左右兩個方向配置相同的參考信號，合并的同一小區(qū)的不同物理站點的配置全部相同；對于DPS方案，同一物理站點上左右兩個方向配置不同的參考信號，合并的同一小區(qū)的不同物理站點的配置可以相同可以不同。

圖2 SFN與DPS配置方案對比

采用DPS配置同步參考信號，有兩種配置方式：配置方式一，SSB配置與TRS配置不一致，SSB采用寬波束SFN方式，用于用戶接入和小區(qū)切換，合并小區(qū)內(nèi)無需進行SSB波束切換，TRS采用DPS方式，實現(xiàn)基于用戶的頻率精補償，基站通過用戶SRS反饋獲取用戶位置，采用DCI或重配完成基于用戶位置的波束切換；配置方式二，SSB和TRS均采用DPS方式，SSB和TRS采用QCL關(guān)聯(lián)關(guān)系，SSB和TRS聯(lián)合解調(diào)獲取同步，可提高同步精度。外場高鐵測試中，上述兩種SSB/TRS的配置方案性能接近。

如表1所示，采用DPS部署方式，下行速率比SFN方式提升約10%，且不會增加用戶實現(xiàn)難度。

表1 DPS與SFN配置方案外場測試性能對比

2.2 解調(diào)參考信號性能提升方案

信號在不同符號經(jīng)歷不同信道，用戶速度越快，信道變化越快。通過解調(diào)參考信號時間插值獲取每個符號的信道估計用于解調(diào)。為跟蹤上信道變化，可增加解調(diào)參考信號配置數(shù)量，參考信號越密，信道估計越準確。

如圖3所示，現(xiàn)網(wǎng)DM-RS存在TypeI和TypeII兩種方式[4－5]。TypeI資源分布較密，差點覆蓋性能較好；TypeII配置方式節(jié)省資源，但可容納更多用戶。如圖4所示，1+1+1的時域配置密度高于1+1的配置，但控制信令開銷較大。

圖3 TypeI和TypeII的頻域配置方案

圖4 現(xiàn)網(wǎng)DM-RS時域配置方案

如圖5所示，針對不同DM-RS的配置方案的信道估計性能進行了仿真，仿真結(jié)果顯示typeI在好點優(yōu)于typeII，中差點兩種類型性能接近，typeII開銷低于typeI；考慮到高鐵90%概率SINR值在10～12dB左右，且用戶均支持，兩種類型均可選擇。1+1+1(圖中顯示1+2)配置較1+1配置，性能提升5%～33%。

圖5 頻域(左)和時域(右)仿真或測試結(jié)果

針對不同DM-RS的時域配置方案的性能進行了測試，具體外場測試結(jié)果如圖6所示，測試結(jié)果顯示，DMRS 1+1配置平均上下行吞吐量性能大部分時間優(yōu)于DMRS 1+1+1配置，這是由于此時DMRS 1+1配置開銷低，解調(diào)性能也可以滿足信道估計需求，但是當高鐵陷入信道深衰場景時，DMRS 1+1的配置不能跟蹤信道變化，DMRS1+1+1的配置性能提升明顯。

圖6 DM-RS不同配置外場測試結(jié)果

3 高鐵公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方案

單用戶通過參數(shù)配置實現(xiàn)同步性能和解調(diào)性能提升后，本章節(jié)考慮高鐵網(wǎng)絡整體性能提升。5G載波帶寬大，用戶需求也很大，公專網(wǎng)采用異頻部署的方式無法滿足公專網(wǎng)用戶需求；采用同頻部署方式，面臨公專網(wǎng)同頻干擾較大的問題。本文提出了5G NR高鐵公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方式，對比傳統(tǒng)異頻組網(wǎng)，可充分利用頻率和站址資源，對比傳統(tǒng)同頻組網(wǎng)，可大幅降低干擾。采用基于用戶狀態(tài)識別，可進一步增強公專網(wǎng)切換性能，保證公專網(wǎng)用戶性能，提升公專網(wǎng)頻譜利用率。

3.1 現(xiàn)有公專網(wǎng)異頻部署存在的問題

對于4G高鐵場景，為了保障資源專網(wǎng)專用，公專網(wǎng)采用異頻部署。公專網(wǎng)之間不配置鄰區(qū)，區(qū)分高速和低速狀態(tài)的用戶分別駐留在高速(專網(wǎng)小區(qū))或低速(公網(wǎng)小區(qū))小區(qū)。切換時公專網(wǎng)不配置鄰區(qū)，保證所有用戶一直工作在高鐵專網(wǎng)小區(qū)或低速公網(wǎng)小區(qū)。

現(xiàn)網(wǎng)4G存在專網(wǎng)資源較多用于駐留在專網(wǎng)內(nèi)的公網(wǎng)用戶的問題。現(xiàn)網(wǎng)部署中存在30%～40%的公網(wǎng)用戶接入專網(wǎng)，專網(wǎng)中公網(wǎng)用戶的信道環(huán)境明顯優(yōu)于專網(wǎng)用戶，導致采用比例公平算法調(diào)度時，大量專網(wǎng)資源被駐留在專網(wǎng)的公網(wǎng)用戶占用，專網(wǎng)用戶性能較差。后期采用了低速用戶遷出的策略，但是公專網(wǎng)覆蓋差異明顯，遷出效果不明顯。

現(xiàn)網(wǎng)公專網(wǎng)異頻部署方案，存在頻率資源不足、異頻部署頻率配置復雜等問題。同頻部署，存在重疊覆蓋度大、同頻干擾較大、建設成本較高等問題。

本文提出公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方案，在5G高鐵場景下，用戶不再需要區(qū)分公專網(wǎng)網(wǎng)絡駐留。專網(wǎng)可同時接入公專網(wǎng)用戶，為保證專網(wǎng)內(nèi)公專網(wǎng)用戶性能，網(wǎng)絡區(qū)分公專網(wǎng)用戶切換和調(diào)度。公專網(wǎng)之間通過組網(wǎng)規(guī)劃，減少公專網(wǎng)的重疊覆蓋度，降低同頻干擾；網(wǎng)絡區(qū)分用戶狀態(tài)切換和調(diào)度[6-7]，低速用戶可在公專網(wǎng)之間切換，高速用戶只在專網(wǎng)切換，高速用戶調(diào)度優(yōu)先級高于低速用戶；提升用戶狀態(tài)識別精度，可通過列車運行速度、用戶歷史信息等識別用戶類別，保證站臺高鐵用戶或臨時停車用戶性能。

3.2 公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方案

公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方案，公專網(wǎng)采用相同頻率部署，網(wǎng)絡可實時動態(tài)調(diào)整頻率資源分別給公專網(wǎng)用戶，基本能同時保證在網(wǎng)的公專網(wǎng)用戶性能。方案如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)異頻組網(wǎng)方案對比彈性組網(wǎng)方案

傳統(tǒng)的組網(wǎng)方案采用全異頻或同頻組網(wǎng)，5G高鐵中為了提升網(wǎng)絡頻譜利用率，提出了錯頻組網(wǎng)方案。錯頻組網(wǎng)方案中，公專網(wǎng)采用1Km的隔離帶，隔離帶內(nèi)的公專網(wǎng)頻段分別采用高60MHz和低60MHz組網(wǎng)，中間重疊錯頻20MHz帶寬部署，公專網(wǎng)總計占用100MHz帶寬。同頻組網(wǎng)方案中，1Km的隔離帶內(nèi)公專網(wǎng)均采用100MHz帶寬。

本文提出的彈性組網(wǎng)方案中，公專網(wǎng)隔離帶由1km縮減為200米。隔離帶內(nèi)采用專網(wǎng)覆蓋，關(guān)閉隔離度內(nèi)公網(wǎng)小區(qū)或調(diào)整隔離度內(nèi)面向軌道的公網(wǎng)小區(qū)至背向，降低公專網(wǎng)的同頻干擾。專網(wǎng)站點背面補建64TR公網(wǎng)AAU，滿足專網(wǎng)附近的大容量公網(wǎng)需求。

公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)，專網(wǎng)同時覆蓋公專網(wǎng)用戶，專網(wǎng)內(nèi)資源區(qū)分專網(wǎng)用戶和公網(wǎng)用戶形成兩個資源池，不同資源池占用的網(wǎng)絡資源彈性可變，可更加合理利用資源，分時保證公專網(wǎng)用戶性能。當有高速用戶駛?cè)霑r，高速資源池資源增加，低速資源池資源降低；當有高速用戶駛出時，高速資源池資源可全部用于低速用戶，增加低速用戶容量。

公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)涉及的網(wǎng)規(guī)、鄰區(qū)配置及調(diào)度等關(guān)鍵流程如下：首先關(guān)閉部分與專網(wǎng)重疊覆蓋度較高的公網(wǎng)站點，降低公專網(wǎng)同頻干擾，降低公網(wǎng)能耗，原公網(wǎng)覆蓋區(qū)域采用專網(wǎng)覆蓋；然后配置公專網(wǎng)鄰區(qū)關(guān)系，保證低速用戶移動性能；之后，采用基于用戶狀態(tài)的調(diào)度算法，高速用戶調(diào)度優(yōu)先級高于低速用戶，保證高低速用戶同時在線時高速用戶的性能和高速用戶駛出后低速用戶的性能；最后在專網(wǎng)執(zhí)行基于用戶狀態(tài)的切換，低速用戶可在公專網(wǎng)切換，且通過切換測量事件和參數(shù)配置，低速用戶更容易切入公網(wǎng)，切出專網(wǎng)；同時配置高速用戶只能在專網(wǎng)小區(qū)切換。

前期對彈性網(wǎng)絡組織了外場測試，測試情況如下所示。

1)外場測試環(huán)境

如圖8所示，測試公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)對比同頻、錯頻組網(wǎng)性能。地圖中紅色點為專網(wǎng)站點，黃色點為高鐵沿線3km以內(nèi)公網(wǎng)站點，紅色圈是以專網(wǎng)為圓心，1km為半徑的圓，藍色圈有站臺的高鐵站。

圖8 公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)外場測試

2)公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)性能分析

外場測試中，對比公專網(wǎng)同頻空擾、同頻加載、錯頻組網(wǎng)、彈性組網(wǎng)幾種場景下的性能如表2。

表2 不同組網(wǎng)性能對比

高速用戶下行吞吐率在公專網(wǎng)彈性部署時性能最佳，共網(wǎng)錯頻組網(wǎng)時性能最差，公專網(wǎng)同頻部署時性能中檔；上行吞吐率在各場景差異不大。對比同頻部署空擾，同頻部署加擾后性能下降約3.5%，公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)性能提升約17.4%，60MHz錯頻組網(wǎng)性能下降約21%。錯頻組網(wǎng)可以降低干擾，但由于載波帶寬僅能使用60%的帶寬，導致性能下降明顯。彈性組網(wǎng)通過公專網(wǎng)同頻組網(wǎng)提升了頻率利用率，同時通過彈性調(diào)度降低了公專網(wǎng)同頻干擾。

3)用戶狀態(tài)判斷

彈性組網(wǎng)的關(guān)鍵在于用戶狀態(tài)判斷，區(qū)分公網(wǎng)和專網(wǎng)用戶調(diào)度和切換，保證公網(wǎng)和專網(wǎng)用戶性能?，F(xiàn)網(wǎng)基于用戶的頻偏以及駐留時長綜合評估用戶狀態(tài)，識別用戶的高低速屬性，如圖9所示，同時配置高低速用戶狀態(tài)判斷緩沖帶保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。4G高鐵核心網(wǎng)SPID(Service Profile Identifier)標記用戶狀態(tài)的方式，由于信息交互較難、信息交互時延較長、SPID信息互通等問題，應用較少。

圖9 現(xiàn)有用戶狀態(tài)判斷方式

現(xiàn)有用戶狀態(tài)根據(jù)用戶速度判定，存在問題比如高鐵運行期間降速或進站?？亢螅脩魻顟B(tài)會由高速狀態(tài)變更為低速狀態(tài)，滿足切換去公網(wǎng)的條件，不能一直駐留在專網(wǎng)，性能受損。

現(xiàn)網(wǎng)中采用根據(jù)用戶的頻偏、運行速度等條件判斷用戶狀態(tài)。判斷時間較長約10s，判斷精度不高。為降低用戶狀態(tài)判斷時延，提升用戶狀態(tài)判斷精度，本文提出了用戶狀態(tài)判斷增強方案。

從用戶側(cè)出發(fā)提出了用戶上報自身狀態(tài)的流程，在隨機接入過程或UE information上報過程中，用戶上報移動速度狀態(tài)給基站。從基站測出發(fā)，基于現(xiàn)有用戶判斷條件，加入用戶駐留小區(qū)的歷史狀態(tài)條件，在高速用戶降速后且歷史小區(qū)處于高速專網(wǎng)小區(qū)，則不更新其狀態(tài)至低速用戶，標記該用戶為中間態(tài)用戶，對于中間態(tài)用戶，不能切換至公網(wǎng)，但是可以測量公網(wǎng)。在高速用戶降速后，配置公網(wǎng)鄰區(qū)測量，測量獲取鄰區(qū)公網(wǎng)的RSRP大于本區(qū)專網(wǎng)的RSRP一定值后，說明用戶正在離開專網(wǎng)去往公網(wǎng)，更新用戶狀態(tài)為低速用戶，可切換去公網(wǎng)，否則若一段時間用戶RSRP變化幅度保持相對不變，則保持用戶高速狀態(tài)，保證其高速性能。

4)基于用戶狀態(tài)判斷的切換和調(diào)度

用戶狀態(tài)判斷精度滿足以后，依據(jù)用戶狀態(tài)實現(xiàn)切換和調(diào)度，額可以提升用戶移動性能和保障用戶速率。

①切換增強

識別高低速用戶，針對高速用戶，基站控制高速用戶只在專網(wǎng)小區(qū)定向切換，避免高速用戶誤切換到公網(wǎng)小區(qū)。如圖10所示，高速用戶僅在高鐵專網(wǎng)切換，禁止其切換至公網(wǎng)小區(qū)。公網(wǎng)用戶可以在公專網(wǎng)之間切換。

圖10 專網(wǎng)用戶切換方式

開啟高速用戶定向切換[8-9]后，專網(wǎng)內(nèi)高速用戶在專網(wǎng)間切換，低速用戶可以切換至公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)。

②增強調(diào)度

針對網(wǎng)絡中的高速和低速用戶實行差異化優(yōu)先級調(diào)度，降低低速用戶調(diào)度權(quán)重，提升高速用戶體驗。如表3所示，開啟差異化優(yōu)先級調(diào)度后，對比關(guān)閉時，速率增益提升34%～265%，不同測試線路用戶差異較大，增益差距也較大。

表3 專網(wǎng)針對用戶狀態(tài)切換和調(diào)度性能

開啟高低速用戶差異化調(diào)度后，高速用戶相比低速用戶有更大概率獲得更多調(diào)度資源。當高速用戶到來時，高速用戶優(yōu)先調(diào)度，保證專網(wǎng)用戶性能；當高速用戶離開后，低速用戶優(yōu)先級與公網(wǎng)配置一致?，F(xiàn)網(wǎng)高鐵發(fā)車頻繁時每5～10分鐘發(fā)出，經(jīng)過時間約10s，即高鐵用戶只占用公網(wǎng)用戶最大約3%時間的資源，對公網(wǎng)用戶性能影響可忽略。

5)提升網(wǎng)絡容量的增強方案

前面，我們已經(jīng)通過在彈性組網(wǎng)場景下，實現(xiàn)了基于用戶狀態(tài)的調(diào)度和切換，保障了公專網(wǎng)網(wǎng)絡下公網(wǎng)用戶和專網(wǎng)用戶需求。為了進一步提升專網(wǎng)用戶的容量，就需要增強MU-MIMO方案。公網(wǎng)傳統(tǒng)MUMIMO方案[10]，基站根據(jù)用戶反饋SRS為所有用戶循環(huán)配對，選擇隔離度較大的用戶實現(xiàn)MU-MIMO。但是高鐵信道變化快，無法實時為用戶配對。高鐵場景可利用高鐵車廂天然存在的隔離帶實現(xiàn)不同TRP的MUMIMO，外場測試了用戶處于1和16車廂、1和5車廂和單用戶情況下，高鐵專用小區(qū)MU-MIMO的性能。在實驗室較好測試環(huán)境下(SINR＞25dB)，multi TRP MUMIMO可以實現(xiàn)最高一倍的容量提升。在真實測試環(huán)境(SINR變化較快環(huán)境)，性能提升或降低至20%～30%，如圖11所示。

圖11 高鐵場景multi TRP MU-MIMO測試性能

針對無法獲知用戶所處車廂位置的問題，本文提出了基于過桿時間和用戶SRS上報結(jié)合的方式，確定用戶車廂的判斷方案，獲取用戶所處車廂位置，為不同車廂的用戶配對，實現(xiàn)高鐵場景不同車廂的MU-MIMO，提升小區(qū)容量。

另外，公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)，專網(wǎng)小區(qū)為了便于專網(wǎng)用戶切換，采用超級小區(qū)合并，使得小區(qū)容量偏低，處于專網(wǎng)下的公網(wǎng)用戶容量受限?；诓煌琓RP的MU-MIMO方案，可以讓不同TRP內(nèi)的公網(wǎng)用戶實現(xiàn)資源復用。

4 總結(jié)

5G NR高鐵場景，面臨運行速度較快、頻段較高、公專網(wǎng)同頻干擾較大等主要問題。5G高鐵已經(jīng)是大容量高價值場景，急需滿足高鐵用戶需求。為了提升單用戶性能，本文提出了下行同步參考信號和解調(diào)參考信號優(yōu)化配置方案，通過同步參考信號的DPS配置方案和增加解調(diào)參考信號的配置資源等方案，提升了用戶同步和解調(diào)性能約10%。針對公專網(wǎng)組網(wǎng)干擾和容量的問題，提出了公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)方案，降低公專網(wǎng)干擾，提升譜效率17%以上；通過基于用戶狀態(tài)的切換和調(diào)度，降低公專網(wǎng)彈性組網(wǎng)場景下公專網(wǎng)用戶之間的影響，提升專網(wǎng)用戶速率約34%以上，影響公網(wǎng)用戶速率約3%；通過不同TRP MU-MIMO方案，提升測試場景小區(qū)容量最大20%～30%以上。