CSI-RS信号

1.什么是CSI-RS

信道状态信息参考信号（Channel State Information Reference Signal，CSI-RS）是NR中用于下行信道状态信息测量的一类参考信号。
在LTE第一个版本（Release 8）中，下行传输方向的信道状态信息由设备在所谓的小区特定参考信号（Cell-specific Reference Signal，CRS）上测量获得。LTE中，CRS在每个长度为1 ms的子帧内的整个载波带宽上传输，因此CRS可以被认为是一直存在的且可被整个小区覆盖范围内的所有UE接收从而进行信道测量。

LTE Release 10引入了CSI-RS，作为CRS的补充。与CRS不同的是，CSI-RS不再是持续发送，UE只能在网络明确配置了CSI-RS的情况下才能使用其进行信道测量。

LTE引入CSI-RS最初的目的是为了支持4层以上的空分复用。LTE Release 8中，CRS最多只支持4个天线端口（Antenna Port，AP），也就是最多只支持4层空分复用。如果要CRS支持4层以上的空分复用，那么会造成资源的巨大开销和浪费。因此，LTE从Release 10开始引入了CSI-RS。然而，人们很快发现，相比CRS，CSI-RS在信道测量方面更加灵活高效。因此，在LTE的后续版本中，CSI-RS的概念和应用范围得到了进一步拓展，例如对干扰估计和多点传输的支持。

NR弃用了CRS，但是沿用了CSI-RS并拓展了其应用范围。NR的核心设计原则之一就是尽可能避免所谓的“always on”的信号。因此，NR中没有类似CRS的信号。NR中唯一的“always on”信号是SS/PBCH Block（SSB）。但是相比LTE CRS，SSB只在有限的带宽和更大的周期上传输。SSB也可用于诸如路径损耗、平均信道质量等的测量。但是，由于有限的带宽和低占空比，SSB并不适合精准详细的信道测量，因为信道在时间和频率上是快速变化的。因此，SSB主要用于小区选择、重选及切换等移动性测量和管理，而CSI-RS则主要用于下行CSI的测量和上报，如CQI、RI和PMI等。
具体地，NR中每个CSI-RS可配置1、2、4、8、12、16、24、32个天线端口（从天线端口3000开始编号），并主要用于以下几个方面：

下行信道状态信息获取：UE把测量的CSI反馈给基站，基站既可以根据CSI实现切换与信道依赖性的调度和链路自适应。例如，确定MCS、RB资源分配，也可以根据CSI实现多用户复用（MU-MIMO）的传输。
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。
精准的时频跟踪：通过设置跟踪参考信号（Tracking Reference Signal，TRS）来实现。
移动性管理：通过对本小区和邻小区CSI-RS获取，来完成UE的移动性管理相关的测量要求，这是对基于SSB测量的补充。
速率匹配：通过零功率CSI-RS（Zero-power CSI-RS，ZP CSI-RS）的设置完成PDSCH上RE粒度的速率匹配功能。

2.CSI-RS生成（TS 38.211）

2.1CSI-RS基本架构(TS 38.211-7.4.1.5)

与DMRS相同，CSI-RS采用基于gold序列的伪随机序列。CSI-RS的参考序列R（m）由如下公式产生：
$\frac{1}{\sqrt{2}} \left(1 - 2 \cdot c(2m)\right) + j \frac{1}{\sqrt{2}} \left(1 - 2 \cdot c(2m + 1)\right)$
其中伪随机序列为：
$c_{init} = \left(2^{10} \left(N_{\text{symb}}^{\text{slot}} n_{s,f}^{\mu} + l + 1\right) \left(2 n_{\text{ID}} + 1\right) + n_{\text{ID}}\right) \mod 2^{31}$

l是时隙内OFDM符号索引， $n_{s,f}^{\mu}$ 是帧内的时隙号， $n_{\text{ID}}$ 由高层参数配置(scramblingID)配置，取值范围为0-1023.
产生参考序列r（m）,根据如下公式映射到 $k,l)_(p,μ)$ 上:
在这里插入图片描述
X:是CSI-RS的天线端口号
μ是子载波间隔配置
k,l分别是CSI-RS在频域和时域上的位置
ρ是CSI-RS在频域上的密度。
$β_{CSIRS}$ 是功率缩放因子，对于非零功率CSI-RS（NZP CSI-RS） $β_{CSIRS}$ 应该大于0，由高层参数(powerControlOffsetSS)配置，可以配置为-3dB、0dB、3dB或6dB。
$N_{SC}^{RB}$ 是每个RB的子载波个数。

2.2CSI-RS时频资源映射

CSI-RS在一个时隙，一个 PRB上所占的RE位置
CSI-RS时频资源映射

2.2.1端口数（ports）：CSI-RS的天线端口数

由高层参数nrofports通知给UE，可以配置为1、2、4、8、12、16、24、32。
CSI-RS天线端口数=CDM组数*CDM尺寸，CSI-RS的天线端口号从3000开始编号。
CDM尺寸多少就表示有多少个天线复用多少个RE

2.2.2密度：CSI-RS在频域上的密度

可以配置为3、1或0.5。ρ=3的含义是1个PRB有3个RE用于1个CSI-RS天线端口的发送；ρ=0.5表示每两个PRB有一个RE用于1个CSI-RS天线端口的发送。在Density中需要用另外一个比特指示CSI-RS占用的是奇数PRB还是偶数PRB。

2.2.3CDM类型（CDM-type）：CDM类型是一组CSI-RS的复用方式

no CDM,FD-CDM2,CDM4(FD2,TD2),CDM8(FD2,TD4)对应的CDM组尺寸是1、2、4、8,具体含义如下：

2.2.3.1 no CDM

CSI-RS没有复用，一个RE对应1个天线端口，CDM-Type等于no CDM时，序列见表

在这里插入图片描述

2.2.3.2 FD-CDM2

频域上连续两个RE，通过码分复用的方式，用两个正交序列码对应两个CSI-RS天线端口
在这里插入图片描述

2.2.3.3 CDM4(FD2,TD2)

频域上连续两个RE*时域上连续两个RE共计4个RE，通过码分复用的方式，用4个OCC对应4个CSI-RS天线端口
在这里插入图片描述

2.2.3.4(FD2,TD4)

频域上连续两个RE*时域上连续4个RE共计8个RE，通过码分复用的方式，用8个OCC对应8个CSI-RS天线端口。
在这里插入图片描述

2.2.4 $k^-,l^-)$ 表示一个CDM组内的CIS-RS的开始频率位置和开始时间位置

举例：
在这里插入图片描述
ROW8中， $k^-,l^-)$ 列内有两个CDM组， $k_0,l_0)$ , $k_0,l_1)$ 分别表示组1和组2的开始频率位置和开始时间位置。
开始频率位置由高层参数通知给UE，该参数是长度为3、4、6或12个bit的位图
开始频率时间由高层参数确定， $l_0$ 的取值为0-13， $l_1$ 的取值为2-12

2.2.5CDM组索引

与组数相对应，按照先频域分配，再时域分配的顺序进行编号。

2.2.6 $k^’，l^’$

分别表示一个CDM组1个或者2个连续的RE在频域上相对开始频率 $k^-$ 的位置和一个CDM组内1个2个或者4个连续RE在在时域上相对开始时间 $l^-$ 的位置。

2.2.7CSI-RS天线端口的编号

天线端口编号
s是CDM表中的索引，L是CDM组（CDM-type）的尺寸，N是天线端口数

2.2.8举例说明，以row8为例

一个时隙内，一个PRB上的CSI-RS占用的RE情况
在这里插入图片描述
天线端口数为8，密度为1，CDM4,假设频率开始位置的位图为010010、时域开始位置为3，一个时隙内，一个PRB上的CSI-RS的位置为：
CDM组0为4个天线复用4个RE,CDM组1为4个天线复用4个RE

在这里插入图片描述
CSI-RS实际占用的资源与频域上的PRB数、时域上的CSI-RS周期有关。

2.3 CSI-RSRP,CSI-RSRQ,CSI-RSSI,CSI-SINR测量（TS38.215-5.1）

2.3.1 CSI-RSRP(参考信号接收功率）

定义

携带CSI信号在每个RE上的平均功率
CSI-RSRP（信道状态信息参考信号接收功率）定义为在考虑的测量频带宽度内，配置的CSI-RS时机中，携带CSI参考信号的天线端口的资源元素的功率贡献（以瓦特为单位）的线性平均值。
根据TS 38.211标准，CSI-RSRP的确定应使用在天线端口3000上传输的CSI参考信号。如果CSI-RSRP用于L1-RSRP的测量，则可使用天线端口3000,3001上发送的CSI参考信号来确定CSI-RSRP。（MATLAB 计算RSRP取的是3000和3001端口的CSI-RS）。
对于同频（intra-frequency）CSI-RSRP测量，如果未配置测量间隔（MeasGAP），预计UE不会测量活跃下行带宽部分之外的CSI-RS资源。（RRM测量）。
对于频率范围1，CSI-RSRP的参考点应当是UE的天线连接器。对于频率范围2，应当基于对应于给定接收分支的天线元素的组合信号来测量CSI-RSRP。对于频率范围1和2，如果UE使用接收分集，报告的CSI-RSRP值不应低于任何单个接收分支的相应CSI-RSRP。
RSRP范围：-44dBm~ -140dBm之间，越大越好。

计算

3GPP协议中未给出具体的RSRP的测量公式，常使用的算法是均值法和一些衍生算法

均值法
Matlab中使用的方法（基于LS信道估计）
假设系统插入P个参考信号，系统在接收端接收的第i个参考信号的频率响应为 $H_i$ ，则RSRP：

假设系统插入p个参考信号，系统在接收端接收的第i个参考信号为 $r_i$ ，对应发送端的参考信号为 $rs_i$ ，天线的个数为ports（1或2）
首先根据LS（最小二乘法对信道进行估计）:

再计算估计的信道的均值，对其进行取模平方运算得到RSRP：

最终推导出RSRP为：

注意 $rs_i^*$ 是没有加功率的参考信号共轭，即经过QPSK调制后的信号
转换为毫分贝：

2.3.2 CSI-RSSI(参考信号强度指示器）

定义

CSI参考信号强度指示器（CSI-RSSI）包括在测量带宽内，从所有源（包括共信道服务和非服务小区、邻信道干扰、热噪声等）的N个资源块中，在测量时间资源的OFDM符号中观察到的总接收功率（以[W]为单位）的线性平均值。CSI-RSSI的测量时间资源对应于包含配置的CSI-RS时机的OFDM符号。（应该取端口号为3000的符号）

计算

假设系统中端口号为3000的CSI-RS参考信号占据m个ofdm符号，系统子载波个数为n， $R_{ij}$ 表示CSI-RS占据的第i个OFDM符号，第j个子载波上的接收端的接收信号。
在这里插入图片描述
转换为毫分贝：

2.3.3CSI-RSRQ(参考信号接收质量）

定义

CSI-RSRQ（信道状态信息参考信号接收质量）定义为N×CSI-RSRP与CSI-RSSI的比率，其中N是CSI-RSSI测量带宽内的资源块数。分子和分母的测量应在相同的资源块集上进行。（N的并不是实际有CSI-RS信号的资源块数量，假如CSI-RS的密度是0.5,10个资源块上有RE，N应为20）。
对于CSI-RSRQ的确定，应使用根据TS 38.211 [4]在天线端口3000上传输的CSI参考信号
对于同频CSI-RSRQ测量，如果未配置测量间隔，预计UE不会测量活跃下行带宽部分之外的CSI-RS资源。
对于频率范围1，CSI-RSRQ的参考点应当是UE的天线连接器。对于频率范围2，应当基于对应于给定接收分支的天线元素的组合信号来测量CSI-RSSI，其中用于CSI-RSSI的组合应与CSI-RSRP测量中使用的组合相同。对于频率范围1和2，如果UE使用接收分集，报告的CSI-RSRQ值不应低于任何单个接收分支的相应CSI-RSRQ。

计算

RSSI测量带宽内的RB数为N，即为系统带宽内的RB总数，则RSRQ为：
在这里插入图片描述
转换为分贝：

2.3.4CSI-SINR(参考信号信干噪比）

定义

CSI信噪比和干扰比（CSI-SINR）定义为携带CSI参考信号的资源元素的功率贡献（以[W]为单位）的线性平均值除以在同一频带内携带CSI参考信号的资源元素的噪声和干扰功率贡献（以[W]为单位）的线性平均值。
根据TS 38.211 [4]标准，在天线端口3000上传输的CSI参考信号应用于CSI-SINR的确定。
对于同频CSI-SINR测量，如果没有配置测量间隙，UE不期望测量活跃下行带宽部分之外的CSI-RS资源。
对于频率范围1，CSI-SINR的参考点应该是UE的天线连接器。对于频率范围2，CSI-SINR应基于对应于给定接收分支的天线元素组合信号进行测量。对于频率范围1和2，如果UE使用接收分集，报告的CSI-SINR值不应低于任何单个接收分支的相应CSI-SINR。

计算

基于空闲子载波计算sinr
SINR = 有效信号功率/噪声+干扰功率
有效信号功率即为RSRP
噪声+干扰功率：将CSI-RS信号之外的空闲RE取出来计算功率当做噪声+干扰功率
最大似然比计算sinr
假设接收端的信号可以用如下公式表示：
其中 $x_I (n)=√(p_s ) s_I (n)+√(p_v ) v_I (n)$ 为接收信号的实部。 $x_Q (n)=√(p_s ) s_Q (n)+√(p_v ) v_Q (n)$ 为接收信号的虚部。
$P_s$ 为发射信号功率， $p_v$ 为噪声信号功率，即 $σ^2$ ， $s_I (n)$ , $v_I (n)$ , $s_Q (n)$ , $v_Q (n)$ 为归一化的信号。
不考虑干扰的情况，假设未知参数为信号功率 $P_s$ 和噪声功率 $σ^2$ ，则最大似然测量法得到的 $P_s$ 和 $σ^2$ 的估计值为使得接收信号的联合概率密度最大化的 $P_s$ 和 $σ^2$
假设发射信号和噪声信号是相互独立的，因此N个接收信号的联合条件概率密度可以用如下公式表示：

对上述公式两边同时取自然对数，并对 $P_s$ 和 $σ^2$ 求偏导，令其为零得到如下公式:
最后得到SINR的最大似然估计值:

3.参考资料

[1] 5G系统观（4.5.1）
[2] 5G NR物理层规划与设计（5.4）
[3] 网页
[4] MATLAB : https://ww2.mathworks.cn/help/5g/ug/5g-nr-csi-rs-measurements.html
[5] openairinterface5g-develop-openair1-PHY(nr-csi-rs.c)
[6] TD_LTE-A下行链路信道质量测量关键技术研究_叶代雄(电子科技大学)
[7] TS 38.211
[8] TS 38.215