上行参考信号-SRS

NR的SRS和LTE的SRS作用一样,都是用来获取上行信道质量,NR SRS资源由信令SRS-Resource配置,组成如下:

 

 简单总结一下:

  • 一个SRS资源最多支持4个天线端口
  • 一个SRS资源在时域上的长度可以配置为{1,2,4},最大为4个OFDM symbols(N.B. 在R16版本中,又引入了长度8和12,即在R16版本中,一个SRS资源在时域上最大可以为12个OFDM symbols)
  • SRS资源在时域上配置在一个slot上14个OFDM symbols的最后6个symbols上(N.B. 在R16版本中,信令IE:startPosition的数值范围从(0...5)扩展为(0...13),因此在R16版本中,逻辑上SRS资源在时域上的配置已经不再局限于一个slot的最后6个symbols上,但是从对上行资源充分利用的角度考虑,仍然需要把SRS放置在一个slot的最后几个symbols上)
Sequence generation
SRS资源的序列按照如下公式生成:

上行参考信号-SRS_第1张图片

上行参考信号-SRS_第2张图片

Resource Mapping
当SRS在给定的时频域资源上传输时,序列 r^{(pi)}(n,{l}')r^{(pi)}(0,{l}')开始在每个天线端口 p_{i}的一个slot上依序映射到RE: (k,l)上:
 

 上行参考信号-SRS_第3张图片

 可以看到,

  • 时域上SRS资源的位置是{l}'+l_{0},这个很容易理解,我们在本文前面说过l_{0}是SRS资源在一个slot时域上的起始位置,{l}'是SRS资源在时域上的长度
  • 频域上SRS资源的起始位置计算公式为:k_{0}^{(p^{_{i}})}=\bar{k_{0}}^{(p_{i})}+\sum_{b=0}^{B_{SRS}}K_{TC}M_{sc,b}^{SRS}n_{b}

我们把频域上SRS资源起始位置计算公式分为两个部分:1. \bar{k_{0}}^{(p_{i})};2. \sum_{b=0}^{B_{SRS}}K_{TC}M_{sc,b}^{SRS}n_{b}

先看第一部分:  

上行参考信号-SRS_第4张图片

 从上式可以看出第一部分定义了SRS资源在频域上的起始位置。

我们再看第二部分:

上行参考信号-SRS_第5张图片

 上行参考信号-SRS_第6张图片

从第二部分的公式可以看出:

  • 对于SRS没有跳频的场景,SRS资源在频域上的起始位置k_{0}^{(pi)}在每次传输的时候都是一个恒定值;
  • 对于SRS跳频的场景,SRS资源在频域上的起始位置k_{0}^{(pi)}随着传输次数的不同发生变化。
  • SRS资源在频域上的位置为:K_{TC}{k}'+k_{0}^{(p_{i})}

下面我们一一举例说明:

例1. 

 srs-ResourceToAddModList {
        {
          srs-ResourceId 0,
          nrofSRS-Ports port1,
          transmissionComb n2: {            //  {\color{Red} k_{TC}=2}
            combOffset-n2 0,                    //  {\color{Red} \bar{k}_{TC}= 0}
            cyclicShift-n2 4
          },
          resourceMapping {
            startPosition 3,                       // {\color{Red} l_{offset} = 3}
            nrofSymbols n4,                    // {\color{Red} N_{symb}^{SRS}=4}
            repetitionFactor n1                // R = 1
          },
          freqDomainPosition 0,            // {\color{Red} n_{RRC}=0}
          freqDomainShift 1,                 // {\color{Red} n_{shift}=1}
          freqHopping {
            c-SRS 1,                             // {\color{Red} C_{SRS} = 1}
            b-SRS 2,                             // {\color{Red} B_{SRS} = 2}
            b-hop 0                               // {\color{Red} b_{hop} = 3}
          },
         ......
      }

假设N_{BWP}^{start}=0

由于b_{hop}>B_{SRS},因此本例中的SRS资源不存在跳频,那么频域上位置的起始计算公式为:

k_{0}^{(p_{i})}=\bar{k}_{0}^{(p_{i})}+\sum_{b=0}^{B_{SRS}}K_{TC}M_{sc,b}^{SRS}n_{b}=(n_{shift}N_{sc}^{RB}+\bar{k}_{TC})+N_{sc}^{RB}\times (m_{SRS,0}\times n_{0}+m_{SRS,1}\times n_{1}+m_{SRS,2}\times n_{2})

因为C_{SRS}=1,因此查38.211 Table 6.4.1.4.3-1可知,

m_{SRS,0}=8, N_{0}=1;m_{SRS,1}=4, N_{1}=2;m_{SRS,2}=4, N_{0}=1

带入以上频域起始位置计算公式,

k_{0}^{(p_{i})}=(n_{shift}N_{sc}^{RB}+\bar{k}_{TC})+N_{sc}^{RB}\times(\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,0}\right \rfloor mod N_{0}+\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,1}\right \rfloor mod N_{1}+\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,2}\right \rfloor mod N_{2})=(1\times 12)+12\times (0)=12

因为N_{BWP}^{start}<n_{shift},所以SRS频域起始位置k_{0}^{(p_{i})}的参考点为CRB 0的子载波0,起始位置为从CRB0上子载波0开始的第12个子载波(即2th CRB);根据公式:K_{TC}{k}'+k_{0}^{(p_{i})},从第12个子载波开始,SRS资源在频域上每K_{TC}个子载波出现一次,如下图:

上行参考信号-SRS_第7张图片

例2. 

 srs-ResourceToAddModList {
        {
          srs-ResourceId 0,
          nrofSRS-Ports port1,
          transmissionComb n2: {            //  {\color{Red} k_{TC}=2}
            combOffset-n2 0,                    //  {\color{Red} \bar{k}_{TC}= 0}
            cyclicShift-n2 4
          },
          resourceMapping {
            startPosition 3,                       // {\color{Red} l_{offset} = 3}
            nrofSymbols n4,                    // {\color{Red} N_{symb}^{SRS}=1}
            repetitionFactor n1                // R = 1
          },
          freqDomainPosition 0,            // {\color{Red} n_{RRC}=0}
          freqDomainShift 5,                 // {\color{Red} n_{shift}=5}
          freqHopping {
            c-SRS 11,                             // {\color{Red} C_{SRS}=11}
            b-SRS 3,                             // {\color{Red} B_{SRS}=3}
            b-hop 0                               // {\color{Red} b_{hop}=0}
          },

        resourceType periodic: {

            periodicityAndOffset-p sl80: 7

        },

         ......
      }

假设N_{BWP}^{start}=0, 对应的BWP = 50 PRB;

由于b_{hop}<B_{SRS},因此本例中的SRS资源存在跳频,频域上位置的起始计算公式为:

k_{0}^{(p_{i})}=\bar{k}_{0}^{(p_{i})}+\sum_{b=0}^{B_{SRS}}K_{TC}M_{sc,b}^{SRS}n_{b}=(n_{shift}N_{sc}^{RB}+\bar{k}_{TC})+N_{sc}^{RB}(m_{SRS,0}\times n_{0}+m_{SRS,1}\times n_{1}+m_{SRS,2}\times n_{2}+m_{SRS,3}\times n_{3})=60+N_{sc}^{RB}\times (m_{SRS,0}\times n_{0}+m_{SRS,1}\times n_{1}+m_{SRS,2}\times n_{2}+m_{SRS,3}\times n_{3})=60+12\times (40\times n_{0}+20\times n_{1}+4\times n_{2}+4\times n_{3})

根据我们前面介绍的知识,在本例中,对于跳频场景:

n_{0}=\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,0} \right \rfloor mod N_{0}=0

n_{1}=(F_{1}(n_{SRS})+\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,1} \right \rfloor) mod N_{1}=(\left ( N_{1}/2 \right )\left \lfloor \frac{n_{SRS} mod \prod_{​{b}'=0}^{1}N_{​{b}'}}{\prod_{​{b}'=0}^{0}N_{​{b}'}} \right \rfloor+\left \lfloor \frac{n_{SRS} mod \prod_{​{b}'=0}^{1}N_{​{b}'}}{2\prod_{​{b}'=0}^{0}N_{​{b}'}} \right \rfloor)mod N_{1}

n_{2}=(F_{2}(n_{SRS})+\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,2} \right \rfloor) mod N_{2}=F_{2}(n_{SRS})modN_{2}=(\left \lfloor N_{2}/2 \right \rfloor\left \lfloor n_{SRS}/\prod_{​{b}'=0}^{1}N_{​{b}'} \right \rfloor)modN_{2}

n_{3}=(F_{3}(n_{SRS})+\left \lfloor 4n_{RRC}/m_{SRS,3} \right \rfloor) mod N_{3}=F_{3}(n_{SRS})modN_{3}=(\left \lfloor N_{3}/2 \right \rfloor\left \lfloor n_{SRS}/\prod_{​{b}'=0}^{2}N_{​{b}'} \right \rfloor)modN_{3}

以上公式中n_{SRS}表示的SRS的传输次数,我们据此可以得到每次SRS传输在频域上的起始位置:

n_{SRS}=1:

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times1+4\times0 +4\times0 )=300 subcarriers=25 PRBs

n_{SRS}=2

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times0+4\times2 +4\times0 )=156 subcarriers = 13 PRBs

n_{SRS}=3

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times1+4\times2 +4\times0 )=396 subcarriers=33 PRBs

n_{SRS}=4

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times0+4\times4 +4\times0 )=252 subcarriers = 21 PRBs

n_{SRS}=5

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times1+4\times4 +4\times0 )=492 subcarriers = 41 PRBs

n_{SRS}=6

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times0+4\times1 +4\times0 )=108 subcarriers = 9 PRBs

n_{SRS}=7

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times1+4\times1 +4\times0 )=348 subcarriers = 29 PRBs

n_{SRS}=8

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times0+4\times3 +4\times0 )=204 subcarriers = 17 PRBs

n_{SRS}=9

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times1+4\times3 +4\times0 )=444 subcarriers = 37 PRBs

n_{SRS}=10

k_{0}^{(p_{i})}=60+12\times (40\times0 +20\times0+4\times0 +4\times0 )=60 subcarriers = 5 PRBs

示意图如下:

上行参考信号-SRS_第8张图片

  上行参考信号-SRS_第9张图片

 上行参考信号-SRS_第10张图片

可以看到,本例中SRS频域上一共占用了40个PRB, 由于采用了跳频,在每次SRS传输中只传输4个连续PRB上的SRS,一共需要10次SRS传输才可以传输完这40个PRB。

实际上SRS的传输次数与SRS传输所在的系统帧号和slot号是有关系的,并不是盲目开始计数的。首先,SRS在满足以下公式的系统帧和slot上传输:

\left ( N_{slot}^{frame,\mu }n_{f}+n_{s,f}^{\mu}-T_{offset} \right )modT_{SRS}=0

其中,

N_{slot}^{frame,\mu}:子载波配置\mu下,一个系统帧所包含的slot个数;

n_{f}:SRS传输所在的系统帧号;

n_{s,f}^{\mu}:载波配置\mu下,SRS传输在一个系统帧中的slot号;

T_{SRS}:SRS传输周期,单位为slot;

T_{offset}:SRS传输偏移量,单位为slot;

SRS传输的次数n_{SRS}由以下公式确定:

n_{SRS}=\left ( \frac{N_{slot}^{frame,\mu}n_{f}+n_{s,f}^{\mu}-T_{offset}}{T_{SRS}} \right )\cdot \left ( \frac{N_{symb}^{SRS}}{R} \right )+\left \lfloor \frac{​{l}'}{R} \right \rfloor

其中,

R:SRS资源在时域上的重复因子;

N_{symb}^{SRS}:SRS资源在时域上占用的symbol个数;

{l}'{l}'=0,1,...,N_{symb}^{SRS}-1

 我们仍以例2为例说明,假设本例中\mu=1,那么N_{slot}^{frame,\mu}=20;同时我们通过信令配置了以下参数:

T_{SRS}=80;

T_{offset}=7;

B_{SRS}=3

b_{hop}=0C_{SRS}=11

n_{RRC}=0

n_{shift}=5

l_{offset}=3

修改SRS资源在时域上占用的OFDM symbol个数为4:

N_{symb}^{SRS}=4;

R=1

如果我们从系统帧100开始配置并发送SRS资源,那么可以发送SRS资源的系统帧号和对应的slot号以及SRS发送次数如下:

上行参考信号-SRS_第11张图片

这个时候SRS资源在频域上的传输变成了每个SRS资源所在的OFDM symbol占用一次SRS传输次数,如下图:

 ​​​​​​​上行参考信号-SRS_第12张图片

由以上我们知道,SRS资源本来在时域上占用4个OFDM symbols,在使用了跳频后,每一个OFDM symbol上都会发生跳频并且对应一次SRS传输。整个SRS资源需要传输10次(从上图可以看到,从第110次开始,SRS资源在频域上开始重复第100次的位置),耗时160个slots,即8个系统帧。

SRS Antenna Switching

这节的名字我们直译过来就是SRS天线切换,国内也叫做SRS天线轮发。

在说明SRS atenna swtching之前我们先给出它的用途:用于NR TDD模式下的上下行信道估计。那么问题来了:

1. 为什么只能用于NR TDD模式下的上下行信道估计?上行的参考信号怎么能用于下行信道估计?

2. 下行本身有CSI-RS参考信号用来做下行信道估计,为什么还要用SRS?

我们先回答第一个问题:NR TDD模式类似于TD-LTE,即上下行共用一个频谱资源,在时间上做时分区分上行和下行。这样在绝大多数情况下,对于一个给定的终端,我们都可以认为它所经历的上下行是一条相同的路径,即空间特性是近似相同的,我们也称作上下行信道互易性。这样利用上下行信道互易性,我们就可以使用上行信道的SRS的探测来评估对应频谱资源上的下行信道质量。如果大家去翻3GPP 38.214 6.2.1.2一节(也就是描述SRS antenna switching配置的内容),会发现这节的标题是“UE sounding procedure for DL CSI acquisition”, 中文意思就是“获取下行信道状态信息的终端sounding流程”,说的就是这个意思。至于NR FDD模式为什么无法使用SRS来评估下行信道,这是因为对于FDD来说,下行和上行是两段独立的频谱资源,无法使用上下行信道互易性,因此无法使用SRS来评估NR FDD模式下的下行信道质量。

我们再看第二个问题:为什么已经有了CSI-RS,还要利用信道互易性使用上行SRS来评估下行信道?这是因为CSI-RS是配置在下行信道提供给终端测量的,终端测量后以CQI或者PMI的方式反馈给基站,无论是CQI还是PMI都是一种间接反馈,不够准确;利用上下行信道互易性,基站直接测量终端发送的SRS,可以更加准确地评估上、下行信道。

最后回到我们这节的的标题,为什么是SRS antenna switching或者说什么是SRS antenna switching?这是因为如果不采用antenna switch,那么现有的5G终端基本上支持的都是SRS单天线端口传输,也就是说基站测量到的只是一个天线端口的SRS,如果下行支持的是MIMO传输,那么显然其他天线端口对应的下行信道是无法基于SRS进行上下行信道互易性方面的信道评估的。这就会导致做下行MIMO传输时误码率高,速率上不去。

从这方面看,那么我们只要在终端侧使得SRS在多个天线端口发射就可以解决我们上面说的问题。但是需要知道,考虑到终端的天线成本以及上行速率需求,一般来说终端侧的发送天线个数都会小于接收天线,目前来说:现有的5G终端支持1T2R,1T4R等天线配置方式。从这些配置来看,通过增加终端侧的发射天线个数来使得SRS在多个天线端口上发射目前来看是无法实现的,这个时候我们就把目光放在终端的接收天线上来,因为终端的接收天线个数足够多。

为什么考虑终端的接收天线,因为接收天线是用来接收下行数据的, 比如下行是4x4MIMO传输模式,那么不仅基站侧要有4根发送天线,终端的接收侧也必须有4根接收天线才能支持4x4MIMO,也就是说终端侧的接收天线是和基站侧发送天线一一对应的(严格来说应该是天线端口),其空间信道特征也是一致的。

由于受限于终端的发射天线能力,即使有足够多的接收端天线可以利用,也无法一次性将SRS在所有的接收端天线上发送,因此就必须采用antenna switching的方式将SRS在所有的接收天线端口上发送。简单点说就是假设终端有M根发送天线,N根接收天线, M < N;那么终端在使用接收天线发送SRS时,最多只能同时在M根接收天线上发送SRS资源,采用antenna switching方式总共需要N/M次才能在所有的接收天线上把SRS资源全部发送完。

38.214协议也对antenna switching的方式做了以下定义:

目前的终端所支持的‘TxPortSwitch’模式有:1T2R,2T4R,1T4R,1T4R/2T4R, 1T=1R,2T=2R和4T=4R:

  • 对于1T2R场景,一个终端最多可以配置2个SRS resource set资源,每个SRS resource set可以配置2个在不同的OFDM符号上传输的SRS资源;每个SRS资源对应一个SRS端口,每个SRS resource set中的第二个SRS资源端口所关联的终端天线端口与该SRS resource set中的第一个SRS资源端口所关联的终端天线端口不同
  • 对于2T4R场景,一个终端最多可以配置2个SRS resource set资源,每个SRS resource set可以配置2个在不同的OFDM符号上传输的SRS资源;每个SRS资源对应两个SRS端口,每个SRS resource set中的第二个SRS资源的两个SRS端口所关联的终端天线端口与该SRS resource set中的第一个SRS资源的两个SRS端口所关联的终端天线端口不同
  • 对于1T4R场景:
  1. 当该SRS resource set配置为周期性传输或者半静态传输时,一个终端可以配置一个SRS resource set或者不配置。该SRS resrouce set可以配置4个在不同的OFDM符号上传输的SRS资源,每个SRS资源对应一个SRS端口,每个SRS资源的端口所关联的终端天线端口不同;
  2. 当该SRS resource set配置为非周期性传输时,一个终端可以配置两个SRS resource set或者不配置。这两个SRS resource set最多可以配置4个SRS资源(可以每个SRS resource set配置2个SRS资源或者一个SRS resource set配置一个SRS资源,另外一个set配置三个SRS资源),这4个SRS资源只能在两个不同的slot中的不同OFDM符号上传输,每个SRS资源对应的SRS端口关联不同的终端天线端口。
  • 对于1T=1R,2T=2R或者4T=4R场景,最多可以配置2个SRS resource set,每个SRS resource set可以配置一个SRS资源,每个SRS资源的SRS端口为1,2,或者4。

对于终端在同一个slot中传输一个SRS resource set中的多个SRS资源的场景,3GPP规定了在每个SRS资源之间存在一个保护间隔(Guard Period),记为Y(单位:OFDM symbol);在这Y个OFDM symbols上不能传输任何其他的信号:

下图是从R1-1800116中截取的针对1T4R 非周期性SRS atenna switching场景下的SRS资源在时域上的示意图:

 N.B. R1-1800116中描述的以上截图是针对R16之前的版本,当时SRS在时域上的定义还是最多占用一个slot上的最后6个OFDM symbols,那么从以上截图我们可知,引入保护间隔概念之后,对于一个SRS resource set中的SRS资源,最多只能放置3个,这也是为什么目前协议对于1T4R非周期性SRS资源的配置定义不允许在一个SRS resource set中配置4个的原因。另外在R16版本中,SRS在时域上的位置已经放开到可以跨越整个slot,这种限制也就不存在了。

以下是对应的例子:

  • 1T2R

上行参考信号-SRS_第13张图片

 上行参考信号-SRS_第14张图片

 

  • 1T4R

上行参考信号-SRS_第15张图片

 

  • 2T4R

上行参考信号-SRS_第16张图片​​​​​​​

 上行参考信号-SRS_第17张图片

 

 

Reference

3GPP TSG RAN WG1 R1-1800090

3GPP TSG RAN WG1 R1-1800116

www.sharetechnote.com  SRS/antenna switching

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