【经验】来自一线工程师手稿:5G NR中的参考信号与天线端口

2020-03-04 Keysight
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我们会用两篇文章来介绍下NR中的参考信号与天线端口。本篇主要包括以下主题:

01. 参考信号——‘对唔住,我系差人’

参考信号的种类

参考信号与测量报告

02. 天线端口——“天王盖地虎,宝塔镇河妖”

天线端口与参考信号

基于CSI -RS的信道估计

基于DMRS 的预编码解调

03. CSI-RS——信道状态信息参考信号

LTE CRS 参考信号

LTE-A CSI- RS 参考信号

NR CSI- RS 参考信号

CSI -RS 信号的生成 

CSI-RS 的资源映射


一、参考信号 -  ‘对唔住,我系差人’

无线信号在空中传播的过程中会受到大尺度衰落,阴影衰落以及小尺度衰落的影响。当传播环境中障碍物足够丰富时,空间信道会呈现随机性并遵从某种概率分布(Rayleigh, Rician)。这种随机性和不确定性给无线通信带来了极大的挑战。接收机接收空口的无线信号,如果缺乏对空间信道的了解,纵然有再强大的算法也无法获取有效的数据信息。这时候我们需要什么呢?Yes,we need an undercover!


参考信号就像打入敌人内部的卧底,为我们提供敌人的内部信息。有了卧底的情报,我们才可以有效制定行动计划。如上图1,发射机在约定好的资源上安插一个卧底(参考信号)‘1’,接收机接在相应的资源上接收到的信号为,接收机根据接收到信号的幅度和相位进行空间信道估计,并以此为据对接收到的数据信号(x)进行解调与处理。

参考信号的种类

一个高效的情报系统需要有完善的分工及情报收集与上报机制。不同的卧底负责获取不同类型的情报:有的安插在敌方高层管理团队来获取决策情报,有的安插在机要室来获取重要收发文书,有的则会被安排为司机甚至是秘书来密切跟踪重要人物的行踪。同一个卧底在不同时刻也可能会承担不同的任务。

无线通信系统需要不同的参考信号来完成信道估计,相干解调,相位跟踪等不同的任务。无线资源管理协议(radio resource management,RRM) 类似情报系统的决策层,根据网络资源及业务情况为终端分配参考信号资源。参考信号则类似于打入敌人内部的卧底,帮助基站/终端获取信道相关信息从而进行高效的上下行数据传输。下图3总结了NR中参考信号的类型。



参考信号与测量报告

有了不同分工的卧底,情报系统要通知卧底需要获取怎样的情报(MeasConfig)以及如何汇报(ReportConfig)。电视剧中我们也经常看到卧底和上线的汇报有些是周期的,例如在固定时间手里拿着小报纸到公园长凳上接头(periodic report);有些是非周期的,例如卧底看到上线家窗外摆出一盆小花,那么就在隔日下午到公园接头(aperiodic report, triggered by DCI)。

情报机构根据获取的情报安排对应的行动计划。对应到无线通信标准就是 CSI 测量与上报的机制,大家经常听到的PMI, CQI, RI CSI码本等信道状态信息就可以理解为基站与终端之间的‘情报’交互。基站在获得终端的信道状态信息后,上下行通信分配合适的时频资源,预编码方式,以及调制编码方式(MCS)等并通过控制信道下发。

好了,回到标准。LTE和NR对于参考信号有相同的定义。「参考信号」 (reference signal) 是物理信号的一种。不同于承载业务信息的物理信道,参考信号在物理层产生,不承载任何高层数据或信令。基站及终端在高层信令的配置下获得参考信号资源的位置及序列,也就是说参考信号对收发端来说都是确定的信号。标准定义了确定的参考信号,我们需要用它来对抗不确定的信道。


二、天线端口——“天王盖地虎,宝塔镇河妖”

说到参考信号,就要讲到天线端口antenna port的概念。从LTE到5G NR,相信天线端口是大家都觉得非常晦涩难解的一个概念。

TS 38.211 对antenna port的定义如下:

“An antenna port is defined such that the channel over which a symbol on the antenna port is conveyed can be inferred from the channel over which another symbol on the same antenna port is conveyed. ”

这句话很长且重复的词很多,信息量也是很大的。有两个词需要重点理解下:

A symbol

– 空口承载的业务数据或者高层控制信令;

Another symbol

– 参考信号。

很难理解对不对?简单地说,天线端口是无线资源的一种属性:

属于相同天线端口符号的资源经历相同的信道;

天线端口是一个逻辑概念,不是一个物理存在。与物理发射天线没有确定关系。

参考信号的天线端口由频域位置,时域位置及复用码确定 (高层信令配置)。

属于不同天线端口的参考信号正交。

如果还是觉得很难理解的话,额…再回到情报系统。打入敌人内部的不同卧底往往不知道彼此的身份(正交), 纵相逢不相识。每位卧底都有唯一的标识,只有通过接头暗号(天线端口)才能识别彼此的身份。我说天王盖地虎,你答防冷涂的蜡。那么不好意思你不是我的队友。天线端口就是用来识别参考信号的口令暗号。

下图4中,基站通过「空分复用」(spatial multiplexing) 的方式对终端进行两流 (2 layers) 下行传输。每流数据对应一张 resource grid。

   - 数据流1 的DMRS位于天线端口1000,

   - 数据流2 的DMRS位于天线端口1001。

1000与1001在频域正交(占用不同子载波)。

数据流1中PDSCH数据部分RE的信道信息可以通过对天线端口1000上的DMRS进行估计获得,数据流2中PDSCH数据部分RE的信道信息可以通过对天线端口1001上的DMRS进行估计获得。

参考信号的生成及映射由标准定义。设备/芯片厂商的算法能力决定了信道估计的准确程度,从而会影响产品的性能。



天线端口与参考信号

天线端口是因参考信号而生的概念,因此天线端口和参考信号有对应关系。NR 中参考信号与天线端口编号关系如下表1。PDSCH DMRS 的天线端口有12个,CSI RS 最多支持32个天线端口。


下图5是一个包含DMRS以及CSI-RS的无线收发系统示意图。为方便理解,图5中略去了NR资源映射,IFFT/FFT 等处理过程,仅保留预编码以及天线映射相关部分。


相关参数如下表2。





波束赋性

 发射端也可以使用其他映射矩阵对四个流的数据进一步进行加权,移相通过四根或者更多的物理天线发射,这就是波束赋型。如下图6所示四流数据经过模拟域波束赋性映射到八根物理天线发射。




基于CSI -RS的信道估计

下图7是一个4天线端口CSI-RS可能构成。天线端口3000~3003在时域及频域重合,在码域正交。本文后续会对天线端口的正交性做详细介绍。



基于DMRS 的预编码解调

下面我们来了解下DMRS信号如何进行预编码的相干解调。NR预编码的内容我们会在后面的专栏文章中进行介绍,这里只简单介绍DMRS在解调中的作用。

非码本的预编码系统中,接收机没有参考码本对可能的预编码矩阵进行估计。而DMRS信号与相同天线端口的数据经过了相同的预编码处理,因此接收机需要借助DMRS信号来获取预编码向量/矩阵的信息。接收机天线端口1000及1001可以监测到DMRS信号,虽然发射机有四根物理天线但从DMRS天线端口看,信号只来自两个天线端口.等效信道Z

到这里我们已经了解了参考信号与天线端口概念,下面就来了解下不同类型参考信号。



三、CSI-RS——信道状态信息参考信号

LTE CRS 参考信号

LTE 依赖于小区特定参考信号 (Cell specific reference signal, CRS) 来进行下行信道质量测量、信道估计以及一般的时频跟踪,CRS在每一个LTE子帧上传输。同一个物理小区中,所有终端接收到的CRS在时域和频域的位置是一样的。

下图8是天线端口为4时,CRS在资源栅格中的时频映射。不同天线端口的CRS在频域正交。



LTE-A CSI- RS 参考信号

LTE-A引入了最大8个流的下行传输,如果继续沿用CRS的设计会大大增加系统开销从而降低频谱效率。因此LTE-A新增了 channel station information (CSI) -RS 信号来进行TM9模式下的信道估计。CSI-RS定义在天线端口15-22。CSI-RS在时域和频域均比CRS稀疏。CSI-RS只在被调度为TM9传输时存在,而CRS存在于每一个无线子帧中。

除了频域正交,CSI-RS还采用了「码分复用」 (code domain multiplex, CDM), 利用码域的正交性在相同时频资源上进行不同CSI-RS的传输。

下图9是configuration =0, normal CP时CSI-RS的时频映射图。图中天线端口组{15,16},{17,18},{19,20},{21,22} 分别占用相同的频率资源并通过码域的正交进行区分。



LTE的CRS和CSI-RS在载波的全部带宽上传输,LTE的最大单载波带宽是20MHz。NR最大单载波带宽为400MHz,并且NR新引入了bandwidth part (BWP)的概念,每个终端所处BWP的带宽可以灵活配置,全带宽的参考信号并不适用于NR。



同时,为了降低系统能耗NR减少了 ‘always-on’ 信号的存在,例如前面文章讲到的LTE中固定周期的同步信号。因此NR取消了CRS,并且为不同的物理信道设计了不同的参考信号。参考信号只有在需要进行信道测量的时候才进行传输。

NR CSI- RS 参考信号

LTE-A标准引入了CSI-RS,终端可以利用配置的CSI-RS信号进行下行信道估计并上报包括 precoder matrix indicator (PMI), channel quality indicator (CQI), rank indicator (RI), layer indicator(RI) 在内的信道状态信息 (CSI)。

由于NR取消了CRS,CSI-RS信号除了用于CSI状态测量和上报外还有时频跟踪,L1-RSRP计算,移动性管理等功能。CSI-RS按照功能可以分为:

CSI-RS for CSI: 

用于信道状态信息的采集;

CSI-RS for mobility: 

用于进行移动性管理;

CSI-RS for Tracking: 

用于对信号进行精细的时域及频域同步;

CSI-RS for L1-RSRP: 

L1 层RSRP测量与波束管理;

CSI-IM (interference measurement): 

用于进行干扰估计的资源。

NR中CSI的测量和上报是一个复杂的过程。除了CSI-RS之外,还涉及CSI码本,NR测量机制等庞杂的内容。本文主要介绍CSI-RS物理信号的生成,映射以及物理意义。

先来看一下CSI-RS资源的配置。几个CSI-RS组成一个CSI-RS Resource Set。下图10中,一个Tracking RS (TRS) resource set由两个连续时隙中4个CSI-RS Resource组成。



RRC IE CSI_ResourceConfig 给出了一个CSI Resource 的资源种类及组成如下图11。SS Block 在NR中也用来进行CSI的测量。CSI-RS资源的配置由RRC层完成。 




CSI -RS 信号的生成

CSI-RS使用了与PBCH-DMRS,PDSCH/PUSCH-DMRS信号相同的生成序序列。


除了scramblingID, NZP-CSI-RS-Resource 中还包括了CSI-RS的资源映射,功率映射,时域周期等信息。


CSI-RS 的资源映射



CDM 与天线端口

不同CDM方式下,一组CDM码支持的天线端口如下图13所示。横向为符号,纵向为子载波。



CDM 的正交性

一组CDM码中不同天线端口的信号是如何实现信号正交的呢?我们以CDM8为例来看下。

TS38.211 7.4.1.5.3-2 ~ 7.4.1.5.3-5分别给出了四种CDM的正交序列。与CDM8对应的正交序列如下表4所示。


对其他天线端口对进行上述操作都可以得到相同的结果,因此一个CDM组中不同天线端口上CSI-RS信号是正交的。当多端口的CSI-RS信号在相同时频资源上传输时,UE用自己所属天线端口的正交序列与接收到的CSI-RS进行上述计算过程便可对所属天线端口的CSI-RS进行提取。其他UE可以用正交的CDM码在相同时频资源上进行CSI-RS接收。


CSI-RS 的时频映射

上面介绍了CSI-RS的码域复用及天线端口的映射。我们已经了解一个CDM码对应的所有天线端口与RE的映射关系。但仍不能确定CSI-RS在一个被调度PDSCH中具体的时频位置。

高层参数 CSI-RS-ResourceMapping IE 给出了与CSI-RS时频资源映射相关的参数。frequencyDomainAllocation 用来表示CDM码组在RB内的偏移。


TS 38.211 用表格的方式(Table 7.4.1.5.3-1)给出了CSI-RS资源映射参数与CSI-RS时频位置的关系。Table 7.4.1.5.3-1中不同行的对应frequencyDomainAllocation不同的映射方式。


下图16是TS38.211中节选出的不同 frequencyDomainAllocation 映射方式定义。


结合KEYSIGHT N7631C Signal Studio for 5G NR,我们来看几个例子。


 例一:No CDM


TS 38.211 Table 7.4.1.5.3-1的第一行对应一类特殊的参考信号tracking RS (TRS)。


TS 38.214 对TRS在时域的位置进行了规定。下图18是一种TRS的时域配置。四个CSI-RS resource构成一个CSI-RS resource set 位于两个连续的时隙且同时隙的两个CSI-RS resource 间隔3个符号。


 例二: 


 例三: 


Zero-power-CSI-RS (ZP-CSI-RS) 

ZP-CSI-RS是一类特殊的CSI-RS。当终端被调度的PDSCH上某些资源被配置为ZP-CSI-RS时,这些资源将不会对该终端进行PDSCH 传输且PDSCH的速录匹配和资源映射也不应包括配置为ZP-CSI-RS的资源。然而,ZP-CSI-RS对应RE 上的功率并不一定为‘0’,其他终端仍可以在这些RE上进行PDSCH接收。ZP-CSI-RS可以与CSI-IM结合使用,用来进行联合传输中的干扰估计。


CSI-RS 的周期

上面我们讲到的是CSI-RS信号在一个RB中的映射,而CSI-RS信号在某些时间上进行发送的。根据传输周期,CSI-RS信号可以分为三种。

periodic

Periodic 信号每N个时隙传输一次。

RRC IE CSI-ResourcePeriodicityAndOffset 定义了这个周期。N最小为4,最大是640。

semi-persistent

CSI-RS 信号的传输由MAC 激活/停止

在CSI-RS 传输激活时间,与periodic 信号一样按周期发送。

aperiodic

CSI-RS 信号的传输由DCI中的指令激活。

到这里CSI-RS信号的生成与映射基本已经基本讲完了,因为其中涉及了很多的RRC层参数。我们用下图21来总结下全过程。





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型号- N5181BU-1EA,N5181B-UK6,N5172B,N5180431B,N5182B-023,N5182B-022,N5182B-660,N7606C,N5182B-303,N7622C,N7610C,N5181B-099,N5182B-1EA,N5180403B,N5182B-1EM,N5182B-1EL,N5182BU-099,N5182BU-012,N5182B-1ER,N5180432B,N5182B-1EQ,N5182B-AMG,N5181B-1EA,N7617C,N7605C,PS-S20,N7621B,N5181BU-303,N5182BU-250,N5182B 221-229,N5182BU-006,N5182BX07,N5182BU-009,N5181B-303,R-50C-011-10,N7640C,N5182BU-022,N5182BU-660,N5182BU-023,N5180320B,N7600C,1CN106A,N7624C,N7612C,N7608C,N6171A,N5182BU-656,N5182BU-657,N5182B-UNT,N5182B-UNV,N5182B-UNW,N5181B-CVR,N5180430B,N5182B 250-259,R-50C-011-5,N7611C,N5182B-A6J,R-50C-011-7,N5182BU-1EA,N7623C,N5181BU-1EQ,N5181BU-1ER,N7607C,N5182BU-303,N5182B-UNY,N5181B-006,N5182B-UNZ,N5182BU-043,N5182B-503,N7630C,N5181B-UNZ,N5181B-UNY,N5182B-AXT,N5181B-UNX,PS-X10,N5181B-UNW,N5182B-506,N7626C,N7614C,N5182B-CD1,N7602C,N5182BU-1ER,N5181B-A6J,N5180-40019,N5181B-UNT,N5181BU-SD0,N5182BU-1EL,N5180302B,N5182B-SD0,N5182B-FRQ,N5182BU-1EQ,N5181B,N5181B-SD0,N7625C,PS-T10-ASG,1CP104A,N7601C,N5181B-CD1,N5181BU-UNW,N5181BU-UNT,1CM110A,N7609C,N5181BU-UNZ,N5181B-AXT,N5181B-506,N5181B-503,N5182B-009,N5182BU-221,PS-S10,N5180UN7B,N5182B,N5181B-1ER,N5181BU-099,N5182B-006,N7620B,N5182B-004,N5102A,N5182B-003,1CR112A,N5182BU-UNW,N5182BU-UNZ,N5181B-1EQ,N5181B-AMG,N5182B-CVR,N5181B-1EM,N5182BU-UNT,N5182BU-UNV,N5182B-657,N7631C,N5182B-656,N5171B,N7615C,N5182B-012,X-SERIES,N5182B-099,N5181BU-006,N5182BU-SD0,N5182BU-FRQ,N5182B-UK6

用户指南  -  KEYSIGHT  - July 31, 2020 PDF 英文 下载

Signal Studio Software SIMPLIFY SIGNAL CREATION

型号- M9383B,N7630C,N519XA,N76XXAPPC,N5172B,N7626C,N7614C,N7606C,N7622C,N7610C,N7602C,N7631APPC,M9336A,M9421A,N76XXEMBC,M9384B,N7637C,N7625C,N7617C,P9336A,N7605C,N7642APPC,N7621B,N7601C,E8267D,E6640A,M9420,N7609C,89600,M9420A,M9383A,N7640C,M9381A,N7653APPC,N5182B,N7660C,N7600C,N7620B,N7624C,N7612C,N7608C,M8190A,M9411A,N7621APPC,N7631C,N7615C,N7611C,M819XA,N7623C,N7607C,M9410A

商品及供应商介绍  -  KEYSIGHT  - February 28, 2019 PDF 英文 下载

N5166B CXG RF Vector Signal Generator

型号- N7630C,N5180431B,N5166BU-009,N7626C,N7606C,221-229,N7610C,N7602C,N5166B-503,N5166B-303,N5166B-506,N5180403B,N5180CVRB,N5180AXTB,N5166BU,N5166BU-1ER,N7625C,N7617C,PS-S20,1CP104A,N7601C,1CM110A,N7609C,N5166B-1ER,N5166B,PS-S10,N5166BU-303,N7600C,N5166B-653,N7624C,1CN106A,N5166BU-022,N7612C,1CR112A,N7608C,N5166B-009,N5166BU-UNW,N7631C,N5166BU-UNT,N5180430B,N5166B-022,N5166BU-655,X-SERIES,N5166BU-653,N9000B,N5166B-655,250-259,N5166B-UNT,N7607C,N5166B-UK6,N5166B-UNW

用户指南  -  KEYSIGHT  - June 1, 2020 PDF 英文 下载

PathWave Signal Creation Brochure ACCELERATE YOUR TEST AND DESIGN WORKFLOWS 产品介绍

型号- M9383B,N7630C,N76XXAPPC,N5172B,N7626C,N7614C,N7606C,N7622C,M8190A AWG,N7610C,N7602C,N7631APPC,R-Y4B-005-Z,R-Y5B-002-B,M9336A,M9421A,N76XXEMBC,R-Y5B-004-D,M9384B,N7637C,N7625C,N7617C,P9336A,N7605C,N7642APPC,N7621B,R-Y4B-002-Z,N7601C,E8267D,N7608APPC,E6640A,M9420,N7609C,N7630APPC,89600,M9383A,N7640C,M9381A,N7653APPC,N5182B,N7660C,N7600C,N7620B,N76XXC,N7624C,N7612C,R-Y5B-001-A,R-Y4B-004-Z,N7608C,R-Y5B-005-E,M9411A,N7621APPC,N7631C,N7615C,X-SERIES,N7611C,M819XA,N7623C,R-Y4B-001-Z,N7607C,M9410A

商品及供应商介绍  -  KEYSIGHT  - July 23, 2019 PDF 英文 下载

面向网络设备制造商的 5G 解决方案

型号- N7631C,W1918EP,W1906EP,WP1907BP,N5183B,W2383EP,W1719EP,M819XA,UXR1104A,N9041B,W1715EP,W1720,W1916EP,M9040B,M9384B

应用及方案  -  KEYSIGHT  - July 15, 2019 PDF 中文 下载

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品类:Oscilloscope

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品类:Oscilloscope

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品类:Oscilloscope

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品类:示波器升级软件

价格:¥240.0000

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品牌:KEYSIGHT

品类:Oscilloscope

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品牌:KEYSIGHT

品类:Oscilloscope

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