5G学习(六)--CSI-RS详解

Channel state information --信道状态信息，对于提升无线通信系统总体性能（频谱效率）非常重要。

CSI-RS作用

• 3GPP定义了CQI（Channel Quality Indication，信道质量指示）这个概念，CQI用于UE 想网络侧指示，通过下行测量，UE所感知到的下行链路的信干扰噪声比 (SINR)
• 通过UE所报告的SINR,网络决定UE在下行的频谱效率,这频谱效率可以通过通过香农定理得到。
• 当频谱效率被决定了以后，那么下行的码率就决定了，因为频谱效率的本意就是成功发送每个bit所需要的赫兹。
• 如果码率决定了，那么MCS（Modulation and Coding Scheme，调试与编码策略：调制方式和码率）也就确定了。
• 此外还有波束管理（主要包括发端波束测量、收端波束测量以及收发端同时波束测量），时频跟踪（精确测量时偏和频偏，通过TRS信号实现），移动性管理（通过对本区以及邻区的CSI-RS跟踪测量），速率匹配（主要ZP CSI-RS实现对PDSCH的RE级速率匹配）等。

所以从原理上，UE需要一个参考信号，来测得下行的SINR，并且进行上报，那么CSI-RS的基本功能就是提供这个参考信号。

CSI-RS分为非零功率NZP CSI-RS和零功率ZP CSI-RS两种：

• Zero power CSI-RS（不需要产生并映射到RE上，用于PDSCH的速率匹配，不发东西）

• Non zero power CSI-RS（需要实际产生并映射到RE上）
  （1）主要的CSI report（2）TRS（3）LI-RSRP computation:参考信号接收功率（参数Repetition=on/off）（4）Mobility Management

CSI-RS中的CDM

在协议中我们应该知道CSI-RS resource的port数量可以是单个port，也可以是multi-port，最多到32个port。在multi-port映射的时候会用到CDM的这个概念，即多个CSI-RS port可以在相同时频资源上通过CDM的方式加以区分和映射。那是怎么实现的呢？

在协议中CSI-RS的CDM种类有4种，种类可以根据RRC中的参数cdm-Type得知，{noCDM, fd-CDM2, cdm4-FD2-TD2, cdm8-FD2-TD4}，其中noCDM就是将CSI-RS只映射在一个RE上，没有码分的概念，其余3种如下所示：

FD-CDM2： 在频域2载波，时域1符号的2个RE上实现2个port的复用
CDM4-FD2-TD2：在频域2载波，时域2符号的4个RE上实现4个port的复用
CDM8-FD2-TD4：在频域2载波，时域4符号的8个RE上实现8个port的复用

以CDM2为例，如何实现在2个RE上进行2个port的复用呢？关键就在于CDM码分，其实2个CSI-RS port在这两个RE上使用了相互正交的序列，这样就可以将2个port区分开来。

时频资源映射

UE通过RRC中下发的CSI-RS-ResourceMapping，可以知道下面的参数：
1.时域上的相关的参数 :l=l_+l’,其中l_有两个取值，l0和l1，值会通过RRC参数firstOFDMSymbolInTimeDomain和firstOFDMSymbolInTimeDomain2得到，l0和l1的区别在于不同的场景中使用，表示CSI-RS的时域起始符号。

2.频域上的相关参数：k，主要依赖于k_和k’，k_取值可能为k0,k1,k2,k3，这些值会通过RRC参数frequencyDomainAllocation计算得出。

3.(k_,l_)表示在不同的密度和CDM Type时的时频资源组合，其值由表7.4.1.5.3-1得出。

4.Wf(k’)和Wt(l’)表示不同CDM Type对应的正交码权值，由表7.4.1.5.3-1得出。

简单解释一下bit位图表示的原理，在表7.4.1.5.3-1的第一行，端口数X=1，Density(密度)=3，表示一个PRB的12个RE中CSI-RS占用3个RE，则PRB中第一个RE位置只有RE0，RE1，RE2，RE3四种情况，所以可用4bit表示，其他Case原理类似，不再赘述。

我们可以从下图看到RRC中CSI-RS的resource mapping配置的参数：

上面的参数：
1.freqBand中的startingRB以及nrofRBs表明频域映射到那些RB上
2.cdm-Type配置CDM的类型
3.nrofPorts配置CSI-RS资源有多少个port
4.density，所谓的密度是指对于每个RB每个port用到的RE数目

可以看到参数frequencyDomainAllocation，他是用来配置频域资源配置的，他的取值对应的是上上张图的Tabel7.4.1.5.3-1中的数据，表示应该去查哪一行，对于other，需要结合参数{nrofPorts, cdm-Type and density}来确定查哪一行。知道了查表7.4.1.5.3-1的哪一行，就知道里面需要用到k0,k1,k2,k3中的哪些值，这些k值是由参数frequencyDomainAllocation的bitmap值确定的。核心在于下面标记红色的那句话，f(i)是指bitmap中第i个被置为1的bit的序号（从右向左，从0开始），然后再通过ki-1和f(i)的函数关系得到k0,k1,k2,k3的取值，注意不同的row值，ki-1和f(i)函数关系中的比例系数不同。

举个栗子：

• 那我们来看row1这种情况，比如这四个比特是0010，那么我们有1个bit，只有一个ki(就是K0), ，从右往左看f(i)是1. 好我们看表7.4.1.5.3-1的第一行，将K0=1带入，K就是1,那么就在1， 5， 9这些子载波上，因为ρ定义为报告的密度是3，就是在这些子载波上有三个CSI RS的。
  
  图片来自春天工作室

• 那我们来看row2这种情况，比如这四个比特是000 0001 0000，那么我们有1个bit，只有一个ki(就是K0), ，从右往左看f(i)是4. 好我们看表7.4.1.5.3-1的第一行，将K0=4带入，K就是4,那么只在4子载波上，因为ρ定义为报告的密度是1.

• 下面是多端口的例子，可以先看以下，后一章节我会细讲。
  

关于port的资源映射

在前面我们看到CSI RS有port的概念，实际上一个port就是是一个信道。
在4G的LTE中最多有8个port，但如果两个port的信号是可以出现在一个子载波和一个时间上的symbol上的，那么此时就会用CDM进行区分。
在5G中，目前为止下行CSI-RS最多可以用32个port。
在表7.4.1.5.3-1的第18这种配置，在时域只有一个位置(l)，在频域在有4个位置(k)，但是要支持32个port, 那么我们需要几个正交码来区隔呢。当然是8个。

在3GPP中定义了8个码分正交序列如下图所示：

通过前面的描述，我们可以看到，CSI-RS的信号是散布在一个下行slot内，不同的子载波位置(频域上)，不同的符号位置上以及不同的正交序列上的，用于UE进行下行的测量。

由上图可知，已知L(CDM group size)和 CSI-RS资源的端口数目N，通过N/L可以知道需要j个CDM Group，对应表7.4.1.5.3-1中的CDM group index这列。每个CDM Group内用s来标识不同的正交码分序列，s对应7.4.1.5.3-2中的index这列，表示码分组内的索引。

那么，我们再举个栗子，根据表7.4.1.5.3-1中第6行，假设比特是001111，l0为13，可以通过ki-1和f(i)的映射关系，可以知道，
频域：k0=2f(1)=0 ; k1=2f(2)=2 ; k2=2f(3)=4 ; k3=2f(4)=6 ;
时域：l=l0+l’=13+0=13 ;
端口号：P=3000+s+jL ; j=0,1,2,3 ; s=0,1 ;
CDM组时频域资源分配：先频域递增，再时域递增。
最后可以计算出8个port上时域，频域和码分的映射情况如下。可以看出8个port使用了4个CDM Group，每个CDM Group复用2个port。

再举一个栗子，我想这样就清晰多了：
按照端口数目以及cdm-Type，就能知道具体端口号的分配。

CSI-RS与其他信号之间的关系

• CSI-RS只能再下行符号上发送
• CSI-RS不与SSB在重叠的PRB上传输（38214 5.1.6.1.2）
• CSI-RS不与CORESET在重叠的PRB上传输（38214 5.1.6.1）
• CSI-RS不与SIB1在重叠的PRB上传输（38214 5.1.6.1）
• CSI-RS不与DMRS在重叠的RE上传输
• CSI-RS不与PTRS在重叠的RE上传输

CSI-RS中的TRS(Tracking Reference Signal)

TRS的全称是Tracking Reference Signal，它也是一种CSI-RS。我们知道终端接收下行数据传输的时候，需要不断的跟踪和补偿时偏和频偏。TRS主要就是提供这个功能的，终端通过测量CSI-RS来tracking时/频偏差。

TRS的时频资源特征

对于FR1(<=6)，TRS有如下特征：

• TRS是一个由4个周期的nzp-CSI-RS resource组成的NZP-CSI-RS-ResourceSet（集合），并且这个resource set会把配置参数trs-Info设为True。
• 这4个CSI-RS resource分布在连续的两个slot内。每个slot内映射两个CSI-RS resource，并且时域间隔是固定的4个symbol。
• 每个CSI-RS resource是 1-port并且Density(密度)为3。
• 带宽是min{52, BWP大小}或者等于BWP的大小。
• 
  -举个栗子：由4个CSI-RS组成一个集。

CSI的上报转载整理得

再4G LTE中，CSI-RS告诉UE全部的资源，需要UE自己去测量，基站只是配置了什么时候上报(上报的周期和上报偏移位置)。而在5G中，网络规定了UE需要测那些port,那些时频资源都可以被基站控制。那么也就是说，基站规定了UE的所有的测量行为，UE没有自由可言，换句话说：”你不需要知道的不告诉你。“

CSI包括CQI，RI，LI，PMI，CRI，SSBRI和L1-RSRP。终端上报CSI给gNB，gNB会根据上报的内容进行调度的调整以及波束管理相关的工作，因此CSI的上报十分重要。CSI的工作原理是，首先gNB给终端配置适当的CSI-RS资源，然后终端对CSI-RS进行测量并计算出所需要的的CSI，最后通过PUCCH/PUSCH上报给gNB。

CSI框架基本配置两个东西，一个是用于配置CSI测量的CSI-RS资源，另一个是配置CSI上报的CSI-RS资源。

• csi-ResourceConfig: 这个就是告诉UE如何配置的CSI-RS资源的。一个CSI-ResourceConfig下面会配置ResourceSet，ResourceSet里面包含最基本的CSI-RS Resource。CSI-RS-Resource包括nzp-CSI-RS，SSB和csi-IM三种。而且这些CSI-RS的resource类型可以是周期的，半持续的和非周期的。协议里面特意明确了对于周期和半持续的CSI-RS resource，每个csi-ResourceConfig只能配置1个csi-RS-ResourceSet。
• csi-ReportConfig: 这个就是配置如何上报的。
  1). resourcesForChannelMeasurement\csi-IM-ResourcesForInterference\nzp-CSI-RS-ResourcesForInterference,这三个参数表示用于Channel Measurement和Interference Measurement的Csi-ResourceConfigId，用得到的Csi-ResourceConfigId和csi-ResourceConfig进行关联，即可获取到用于测量的CSI-RS资源
  2). reportConfigType：这个用于配置CSI report的类型是周期的，非周期的，半持续OnPUCCH还是半持续OnPUSCH的。对于非周期和半持续OnPUSCH还会配置TriggerState和reportTriggerSize，用来配合DCI中的CSI request来使用。

CSI的上报方式

• Periodic(周期)方式，类似于4G LTE中的方式，规定了slot的周期用于上报。

• semiPersistent(半静态)方式，就是半静态的方式，由grant指示激活或者关闭。

• Aperiodic(非周期)方式，完全由grant中指示上报。

可以根据下表，得知resource和report的类型两两组合的规则：

由上图可知：
1）周期性上报：只能使用周期性CSI-RS
2）半持续性上报On Pucch：可以使用周期性和半持续性CSI-RS
3）办持续性上报On Pusch：可以使用周期性和半持续性CSI-RS
4) 非周期性上报：使用周期性，半持续性和非周期性CSI-RS

由于CSI-RS必须先由基站发到终端，然后终端进行接受和测量，并将CSI上报给基站，那么这里引出两个问题：（1）基站何时发CSI-RS，（2）UE何时上报CSI。

CSI-RS发送

• ：配置周期，单位时隙。
• ：偏移OFFSET，单位时隙，最大周期减一。

CSI上报时机

1.周期性上报

RRC配置好周期性的CSI-RS Resource和Report参数后，就会立即生效，无需MAC-CE/DCI去激活或者触发CSI-RS的发送和CSI的上报，CSI上报的周期和slotOffset按照参数reportSlotConfig配置的执行；

2.半持续性上报On Pucch

假设RRC配置了半持续的CSI-RS发送，首先需要MAC CE1激活CSI-RS的发送，然后再通过MAC CE2激活CSI的report；如果RRC配置的是周期性的CSI-RS，则无需MAC CE1这一步。CSI上报的周期和slotOffset按照参数reportSlotConfig配置的执行；

3.半持续性上报On Pusch

假设RRC配置了半持续的CSI-RS发送，首先需要MAC CE1激活CSI-RS的发送，然后再通过DCI触发CSI的report;如果RRC配置的是周期性的CSI-RS，则无需MAC CE1这一步；

关于DCI：首先是DCI 0_1，使用SP-CSI-RNTI加扰的，其次DCI中两个field很重要，第一个是CSI request，通过codepoint的设置来关联对应的TriggerState，TriggerState里面会定义关联的CSI-ReportConfig，然后里面可以找到这个report相关的CSI-RS resource Config以及report的周期和OffsetList。其中周期是通过reportSlotConfig直接给出的，OffsetList是通过reportSlotOffsetList参数定义的，这是一个List。

时域还需要通过DCI中的Time domain resource assignment这个field的codepoint取值再去关联List中的值，例如codepoint是0，就取OffsetList中的第一个值，如果是1，就取第二个值，依次类推；假设这个值是Y，也就意味着距离DCI后面第Y个slot发送CSI Report;

4.非周期性上报

对于此场景，非周期的CSI-RS发送和非周期CSI的上报均由DCI来触发。非周期CSI-RS发送+非周期CSI上报，这也是最复杂的场景。

1）根据DCI 0_1中的CSI request field的codepoint去关联对应的TriggerState。这里注意一下，与半持续DCI触发不同，CSI request如果为0，代表不要求触发CSI-RS，只有非0，才一位置触发有效。（下方list标红的地方）
2）关联到state后，可以得到两个重要的参数，第一个是CSI-ReportConfig，然后就可以找到对应的reportSlotOffsetList，因为是一个List，需要DCI中的time domain resource assignment field的codepoint值去确定List中唯一的一个Offset值，拿到了这个Offset值，就知道距离DCI后第几个slot发送CSI report。
3）关联到state后，得到的第二个参数是resourceSet，注意这个resourceSet并不能直接去对应CSI-measConfig中的resourceSet ID。在第二步中，通过CSI-ReportConfigId，还可以得到关联的CSI-ResourceConfigId，而CSI-ResourceConfigId关联的是一个resourceSetList，又是List，这时候需要resourceSet的值去确定List中唯一的resource Set。

上面的几个过程是配置关系，不了解的话不是很重要，下面这张图是上面集中方式的时序关系图：

CSI内容

（1）中的内容配置类型，上文都有提到。

（2）配置report quantity

指明指明UE需要上报哪些测量内容，主要分为两类：

• CSI(CQI, PMI, RI,CRI, i1)相关的，主要用于给gNB提供调度方面的辅助信息。
• L1-RSRP(cri-RSRP, SSB-Index-RSRP)相关的，主要为gNB提供beam管理的信息（层1相关的内容）。

（3）配置频域上报的粒度

• csi-ReportingBand定义一个CSI reporting band，这个reporting band是由BWP内划分的subband组成的子集合，这些subband可以连续也可以不连续。
• 用于表明UE需要上报single(wideband)还是multiple(subband)的CQI。CQI是针对每个TB（codeword）反馈的，针对subband CQI反馈，每个subband上的CQI反馈其实是一个与wideband CQI的差值，公式如下：
  Sub-band Offset level (s) = sub-band CQI index (s) - wideband CQI index
  然后再按照下面的表格将offset level转换成要报的subband differential CQI值：
• pmi-FormatIndicator :用于表明UE需要上报single(wideband)还是multiple(subband)的PMI。

（4）

• timeRestrictionForChannelMeasurements和timeRestrictionForInterferenceMeasurements是用来规定是否在时域上对信道测量和干扰测量进行限制。目前我看到的现网log基本都是不限制的。
• codebookConfig:这个非常重要的，也是非常非常复杂的。它是配置有关MIMO codebook和PMI相关的内容。
• cqi-Table:是用来配置UE应该使用哪张CQI表作为CQI反馈依据的。38214里面一共有三张CQI表。UE通过CQI的测量和上报来影响gNB下行调度的MCS，目标是是适应无线链路的变化，使得BLER控制在目标值内。其中table1和table2适用于eMBB场景，目标BLER=0.1；table3用于URLLC场景，目标BLER=0.00001
• subbandSize:前面我们提到过可以上报subband CQI/PMI，那么我们至少要知道这些subband是怎么划分的，他们的位置和大小是什么样子的。协议里面是有规定的。每个subband的大小其实是与BWP的大小相关的，限制组合如下。知道了subband的大小和BWP的大小，就可以确定划分了多少个subband，然后就可以配置subband report的bitmap了。
  

参考文章

参考1
参考2
参考3
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