5G NR中的参考信号设计系列（2）——信道状态信息参考信号（CSI-RS）

1. CSI-RS设计

LTE系统从R10就开始引入了CSI-RS用于信道测量。区别于全向发送的CRS信号和只有数据传输时才发送的DMRS信号，CSI-RS信号提供更为有效的获取CSI的可能性，同时支持更多的天线端口。NR中需要进一步考虑网络频段的部署对高频段的支持，以及更加灵活的CSI-RS配置以实现多种用途。

NR中的CSI-RS主要用于以下几个方面：
①获取信道状态信息。用于调度、链路自适应以及和MIMO相关的传输设置。
②用于波束管理。UE和基站侧波束的赋形权值的获取，用于支持波束管理过程。
③精确的时频追踪。系统中通过设置TRS（Tracking Reference Signal）来实现。
④用于移动性管理。系统中通过对本小区和邻小区的CSI-RS信号获取跟踪，来完成UE的移动性管理相关的测量需求。
⑤用于速率匹配。通过零功率的CSI-RS信号的设置完成数据信道的RE级别的速率匹配的功能。

2. CSI-RS的应用方式

（1）用于信道状态信息获取的CSI-RS

• 此应用支持链路自适应和调度而获得信道状态信息的功能。为了支持类似于LTE R14中的Class A（非预编码CSI-RS）和Class B（波束赋形CSI-RS）CSI反馈，可以通过RRC信令为UE配置一个或者多个CSI-RS资源集合。每个CSI-RS资源集合包含一个或者多个OFDM符号上。
• 考虑到不同天线端口数和未来可扩展性，NR将时域和频域上相邻的多个RE作为一个基本单元，并通过基本单元的聚合构造出不同端口数的CSI-RS图样。
• 每x个端口CSI-RS图样基本单元由一个PRB内频域上相邻的Y个RE和时域上相邻的Z个符号组成。
  1端口：(Y,Z) = (1,1)
  2端口：(Y,Z) = (2,1)
  4端口：(Y,Z) = (4,1)或(2,2)
• 为了能够灵活支持不同天线的虚拟化映射以及码本的设计，并考虑到实际的应用部署场景，NR支持的端口数为1、2、4、8、12、16、24、32。其中，8、12、16、24、32端口图样均由2或4端口图样组合而成。
• **CSI-RS资源映射到一个PRB内的时频域位置通过信令来指示。**使用二维的指示来表示资源映射位置，可以保证最大的指示灵活度，但是这种方法带来的信令开销过大。为了降低信令开销，其时频域位置收到一定限制。
  • 在时域上，通过高层信令参数给出最多可能的两个时域符号位置；
  • 在频域上，高层信令使用位图方式来指示一个符号上子载波的占用情况，且所有CSI-RS符号上的子载波占用情况相同。
  • 根据图样基本单元、端口数X和密度D的不同，频域的位图指示分为以下四种情况：
    ① 4比特位图指示：对应X=1,D=3
    ② 12比特位图指示：对应X=1,D=1
    ③ 3比特位图指示：对应X=4,D=1,N=1
    ④ 6比特位图指示：对应其他所有配置

（2）用于波束管理的CSI-RS

• NR需要在高频段上支持动态模拟波束赋形，模拟波束赋形权值获取通常需要通过对导频信号的波束扫描测量方式获取。
• CSI-RS可以分别应用于收发波束同时扫描、发送波束扫描和接收波束扫描过程。当与CSI-RS相关联的CSI上报配置为RERP(发送波束扫描)或不进行CSI上报时，指示此CSI-RS用于波束管理。
• 由于用于波束管理的CSI-RS只进行波束的测量和选择，从节省开销角度考虑，可以使用更少的导频端口（1端口或2端口）
• 与CSI-RS类似，可以通过RRC信令为UE配置一个或者多个CSI-RS资源集合。每个CSI-RS资源集合包含一个或多个CSI-RS资源，且每个CSI-RS资源只能配置为1端口或2端口。
• 此外，为了区别发送和接收波束扫描，可以通过高层参数指示集合中的所有CSI-RS资源是否都使用相同的下行发送波束进行传输。

（3）用于精确时频跟踪的CSI-RS

• LTE系统中由于CRS总是在每个子帧发送，因此可以通过测量每个CRS实现高精度的时频跟踪。
• NR系统取消了这种持续周期性发送的CRS信号，而是根据UE需要来配置和触发用于时频跟踪的参考信号，这种新的时频跟踪参考信号被称为TRS信号（Tracking Reference Signal）。
• 由于CSI-RS具有灵活的结构，且可通过灵活的配置增加时频密度，因此NR中采用一种特殊配置的CSI-RS作为TRS的设计方案。
• NR系统支持周期性和非周期TRS。周期性TRS为一个包含多个周期性CSI-RS资源的CSI-RS资源集合，且此资源集合配置中包含一个高层信令指示此资源集合用作TRS。
• 为了达到一定的时间跟踪范围，每个CSI-RS资源为一个密度为3的1端口CSI-RS资源。同时为了达到频率跟踪范围，一个时隙中的TRS符号间隔为4。TRS只支持1个端口，所以在CSI-RS资源集中配置的所有NZP CSI-RS资源包含相同的端口索引并对应同一个天线端口。
  • 对于低频段，高层给UE配置一个包含4个周期CSI-RS资源的CSI-RS资源集合，这4个资源分布在两个连续时隙内，每个时隙包含两个周期CSI-RS资源，并且这两个时隙中的CSI-RS资源在时域中的位置相同。
  • 对于高频段，高层给UE配置一个分布在1个时隙上包含2个周期CSI-RS资源的CSI-RS资源集合，或者配置一个分布在2个连续时隙上包含4个周期CSI-RS资源的CSI-RS资源集合，并且这两个时隙中的CSI-RS资源在时域中的位置相同.
• 系统中有许多非周期时间和一些周期事件不能与周期的TRS对齐，会给UE的解调带来严重的影响。此外，在高频段的波束改变后，也不能接收长时间无法根据TRS进行时频跟踪。因此需要在周期TRS的基础上，引入非周期的TRS信号。
• 非周期TRS与周期TRS的结构相同，如采用相同的带宽，具有相同的频域位置和一个TRS burst中具有相同的时隙个数。考虑与非周期CSI-RS的触发方法的一致性，NR中使用DCI触发非周期的TRS。

（4）用于速率匹配的CSI-RS

• NR系统采用ZP CSI-RS，即零功率CSI-RS进行速率匹配。配置了ZP CSI-RS的RE均不用作PDSCH信道的传输，这些RE被称作速率匹配RE(RMRE)。
• 为了灵活的支持对不同类型RMRE的速率匹配功能，ZP CSI-RS相应的分为周期、半持续和非周期三种类型的配置。可以通过高层信令为UE配置不同的ZP CSI-RS资源集合，每个集合包含多个ZP CSI-RS资源。每个ZP CSI-RS资源的时频域指示方式与前述用于CSI获取的CSI-RS相同。
• 为了适配不同的应用场景，RMRE通常采用半静态或者动态信令来指示。
  • 如果需要避开其他终端的非周期发送的NZP CSI-RS，就需要使用动态信令来指示。
  • 如果完全动态指示非周期NZP CSI-RS会导致DCI过大以至于系统无法支持，则采用半静态和动态信令结合的指示方法更为有效。此时终端会被半静态的配置多个非周期ZP CSI-RS资源来对应可能的NZP CSI-RS资源，通过DCI指示其中的一个或者多个预定义的ZP CSI-RS资源给终端来完成PDSCH的速率匹配。