20 5G中高速列车通信：设计相关元素以减轻高移动性带来的影响

解决问题：列车高速移动，会使信道相干时间较短、多普勒频移和多普勒扩展较大等问题。为了在列车高速移动中解决这些问题，这篇文章概括了5G关键技术，包括μ、帧结构、参考信号、多天线、小区搜索、随机接入、支持移动。应对高移动性相关挑战的解决方案集中在目前可用的Rel-15规范，并介绍了Rel-16的一些早期结果。

参考信号——可配置性高，根据需要设计具体图案、密度、复用方案：

1. 上/下行信道估计的解调参考信号（DM-RS）
2. 测量下行信道状态的信道状态信息参考信号（CSI-RS）
3. 测量上行信道状态信息的探测参考信号（SRS）
4. 补偿上下行相位噪声的相位跟踪参考信号（PT-RS）

一 、物理层设计

1 DMRS

1.1 DMRS结构
(a)-(d)，配置类型为梳妆结构，在频域中包含更密集的DM-RS，可以在高频选择性信道中进行更准确的信道估计。
(e)-(h)，配置类型基于frequency-domain orthogonal cover code(FD-OCC)，在频域上应用两个连续的资源元素，具有更低的频域DM-RS密度。适用于频率选择性较低的信道
front-loaded DMRS：在一个时隙内，靠近时隙起始处至少有一个DM-RS符号，即 front-loaded DMRS，在零或非常低的速度情况下，只有front-loaded DMRS 足够，在高速移动场景中，除了front-loaded DMRS外，还可分配额外3个DM-RS。
DMRS具体配置类型由时隙结构、PDSCH映射类型、物理广播信道传播的系统信息、DCI和更高层信令等因素决定。

1.2 实验

• 列车速度：100km/h 300km/h 500km/h
• DMRS配置类型：配置类型一、配置类型二
• 自适应调制编码方案(MCS)：QPSK、16QAM、64QAM，码率在0…076~0.926
• 空间复用层数为两层
• 其余参数：
  
  1.3 结论：
  
  配置类型1 的频谱效率高于配置类型2，因为配置类型1由更高的频域密度，可以实现更精确的信道估计，相应提高了频谱效率。

2 CSI 和SRS

CSI-RS的周期为4~640个时隙，最多支持32个端口，不同CSI-RS端口之间的复用通过CDM、FDM、TDM相结合的形式完成
SRS的周期为1~2560个时隙，最多支持4个端口，频域上SRS以梳妆模式分配，即SRS在每秒或每4个子载波上传输
在频域，一个PRB内4个等距子载波用于CSI-RS进行跟踪；在时域CSI-RS可以使用一个时隙内两个符号或者连续两个实习的四个符号进行跟踪。

3 PTRS

在高载波频段，特别是用高阶调制如64QAM，相位噪声明显，在NR中引入参考信号 PT-RS用于估计和补偿相位噪声，PT-RS可通过更高层信令配置，在PDSCH PUSCH的资源块内进行传输。PT-RS的时域和频域密度根据MCS和带宽进行调整，分配更高的时域PT-RS密度对更高的MCS有利，在分配窄带宽时，需降低频域PT-RS密度以减小开销。

4 多天线配置

UE中，5G NR规定下行链路最多支持8层传输，对于上行链路最多支持四层传输，但是这种更高层的传输对多普勒较高的场景不可用，这是因为CSI反馈延迟和信道秩缺失。由于速度高，通过反馈或信道互易性在发射端难以获得准确的CSI，此外高速列车的轨道非常平直，在LOS分量在多径分量中占主要地位，所以在高速列车场景中，支持最多两层传输

二 初始接入

1. 同步信号和PBCH
2. 随机接入
3. 支持移动

此部分省去，详情请看参考文献

三 目前面临困难

1. 高速度：需要重新设计波形、数值、帧结构
2. 无线电频谱短缺：需采用自由光通信
3. 新服务场景不断涌现：支持列车到列车、车厢内、车厢间、站内等不同需求和多样化列车通信服务场景

参考文献：High Speed Train Communications in 5G: Design Elements to Mitigate the Impact of Very High Mobility