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5G参考信号专题:DM-RS解析

2021-07-26 18:38
科学文化人
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5G-NR参考信号专题

参考信号

为了便于多径通信信道的估计和可靠的通信/控制信道的相干检测,OFDM系统利用了参考信号(或导频子载波)。导频子载波在时间-频率资源网格上的导频位置上提供信道频率响应的估计。可以使用插值技术估计其他时频位置的信道。利用预定义的导频子载波估计信道矩阵,可以均衡信道的影响,减少接收到的资源块的噪声和干扰影响。NR规范包括几种不同类型的参考信号,它们以不同的方式配置和传输,用于接收设备的不同目的。

虽然无线电信道的完美知识可以用来找到系统性能的上界,但这种知识在实践中是不可获得的,需要经常估计信道。信道估计可以通过多种方式进行,包括使用无线信道的频率和/或时间相关特性,盲信道估计或基于导频的信道估计,以及自适应或非自适应信道估计。非参数方法试图估计频率响应而不依赖于特定的信道模型。相比之下,参数估计方法假定某一信道模型,并确定该模型的参数。前一章讨论的空时和空频相关函数是信道的具体特性,可以纳入估计方法,提高估计的质量。基于导频的估计方法是OFDM系统中最常用的方法,适用于发送方向接收方发送一些已知信号的系统。

在5G-NR中,常用的参考信号有:DM-RS、PT-RS、CSI-RS、T-RS、S-TS等。

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DM-RS(解调参考信号)

DM-RS在NR中的主要应用是估计物理信道相干检测的信道系数。在下行链路中,DM-RS用于信道估计,与PDSCH采用相同的预编码;因此(发送侧)预编码对接收端是透明的,并被视为整个信道的一部分。信道估计精度和DM-RS密度/开销之间存在一个折衷。如果信道表现出严重的频率选择性(即较窄的信道相干带宽),则应增加频域内的DM-RS密度。同样,如果信道在时域变化较快(即信道相干时间较短),则需要更密集的DM-RS时间分配。在确定频率/时域DM-RS密度后,需要考虑DM-RS在时频资源网格中的位置。在信道平稳的条件下,为了减小插值误差和降低实现复杂度,建议在频率和时域上均采用均匀的DM-RS分配。由于DM-RS本身不传输用户数据,因此需要以适当的密度分配DM-RS以最大限度地提高吞吐量。

在NR中,采用前端加载的DM-RS结构作为基线,实现低延迟译码(图1所示)。在时频资源网格中,前置的DM-RS位于控制区之后,紧随其后的是数据区。根据前端加载的DM-RS估计信道后,接收端就可以在数据区域内进行相干解调。前端加载的DM-RS结构在降低低移动性场景的解码延迟方面特别有利,其中信道相干时间比前端加载的DM-RS持续时间长。然而,仅分配前端加载的DM-RS会在更高的终端速度下降低链路性能(即信道相干时间变得更短)。虽然数据区域内的信道信息可以通过插值得到,但随着移动性的提高,信道信息的精度会降低。

图1 DM-RS类型A和类型B映射的比较

因此,我们考虑如图2所示的23和43个时域密度的前置DM-RS模式。为了支持高速场景,可以在slot中配置最多三个额外的DM-RS场景。接收端的信道估计可以使用这些额外的参考信号进行更精确的信道估计,例如,在一个时隙内的DM-RS场景之间执行插值。然而,与LTE不同的是,由于不同的slot可能被传输到不同的设备和/或在不同的波束方向,因此不可能在slot之间或一般不同的传输场合中进行插值信道估计。

图2 各种NR PDSCH DM-RS A型时频模式

在LoS占主导的信道条件下,预计延迟扩展更短(或等效信道相干带宽变大);因此,可以考虑在不显著降低信道估计精度的情况下降低DM-RS的频域密度。通过这样做,由于DM-RS的开销可以减少。这种低密度DM-RS模式在频域的一个例子如图2所示。MIMO传输最多支持两个频域正交DM-RS端口。DM-RS是UE特有的,可以被波束形成,被限制在UE调度的资源中,并且只在必要时发送,下行和上行都是,用于估计相干解调之前的通信信道。为了支持多层MIMO传输,可以调度多个正交的DM-RS端口,每层一个。正交性是通过FDM(梳状结构)、TDM和/或CDM(基序或正交码的循环移位)方法实现的。基本的DM-RS模式是前端加载的,因为DM-RS设计考虑了早期解码需求,以支持低延迟的应用程序。对于低速场景,DM-RS在时域使用低密度。然而,对于高速场景,DM-RS的时间密度增加,以跟踪无线电信道的快速变化。NR定义了两个时域DM-RS结构,它们在第一个DM-RS符号的位置不同:

映射类型A,其中第一个DM-RS位于slot的第二和第三个符号中,且DM-RS相对于时隙边界的开始进行映射,而不管实际数据传输发生在时隙的何处。这种映射类型主要用于数据占用时隙(大部分)的情况。在下行时隙中使用第二或第三个符号的原因是位于时隙开始的CORESET之后的第一个DM-RS场合(见图1)。

映射类型B,其中第一个DM-RS位于数据分配的第一个符号中,也就是说,DM-RS位置不是相对于时隙边界给出的,而是相对于数据所在的位置。此映射用于在时隙的一小部分上传输,以支持非常低的延迟和其他不能等到时隙边界开始(无论传输持续时间如何)的传输。PDSCH传输的映射类型可以作为下行控制信息(DCI)的一部分动态发送信号,而物理上行共享信道(PUSCH)的映射类型是半静态配置的(见图1)。

(PDSCH) DM-RS映射类型的不同时域位置如图1和2所示,包括单符号和双符号DM-RS模式。双符号DM-RS的主要目的是提供比后面讨论的单符号结构可能提供的更多的天线端口。注意,DM-RS的时域位置取决于调度的数据持续时间。在每个DM-RS场合可以产生多个正交参考信号。

可以配置不同的DM-RS模式,这些模式在时间、频率和码域上是分开的。DM-RS有两种类型,即第1类和第2类,分别在频域映射和正交参考信号的最大个数上进行区分。类型1可以使用单符号DM-RS提供多达4个正交信号,使用双符号DM-RS提供多达8个正交参考信号,而类型2可以根据符号的数量提供6和12个模式。DM-RS类型1或2不应与映射类型A或B相混淆,因为不同的映射类型可以与不同的参考信号类型相结合。参考信号最好在频域具有较小的功率变化,以允许对参考信号所跨越的所有频率具有相似的信道估计质量。注意,这相当于传输参考信号的高度局部化的时域自相关。

PDSCH DM-RS序列被定义为:

其中,c(i)通过伪随机序列生成器产生的长度为31的Gold序列,其初始值:

在DM-RS Type 1中,底层伪随机序列通过用于参考信号传输的OFDM符号映射到频域内的每一个子载波(见图2)。天线端口1000和1001在频域上使用偶数子载波,并通过在频域上相乘具有长度为2不同正交序列的底层伪随机序列来相互分离,导致两个天线端口传输两个正交参考信号。如果可以认为无线信道在四个连续的子载波之间是平坦的,那么两个参考信号将在接收端保持正交性。天线端口1000和1001被认为属于CDM组0,因为它们使用相同的子载波,但在码域使用不同的正交序列分离。天线端口1002和1003的参考信号属于CDM组1,采用相同的奇数子载波方式产生,在CDM组内的码域和CDM组间的频域实现分离。如果需要四个以上的正交天线端口,则使用两个连续的OFDM符号。上述结构在每个OFDM符号上使用,长度为2的正交序列用于扩展随时间的码域分离,从而产生多达8个正交序列。

DM-RS Type 2的结构与Type 1类似,只是支持的天线接口数量有所不同。Type 2的每个CDM组由两个相邻的子载波组成,其长度为2的正交序列用于分离共享同一组子载波的两个天线端口。每个资源块和每个CDM组中使用4个子载波。由于在一个资源块中有12个子载波,使用一个资源块可以在一个OFDM符号上创建多达3个带有两个正交参考信号的CDM组。如果在时域中使用第二个OFDM符号和长度为2的序列,最多可以产生12个正交参考信号。

前置DM-RS符号的位置,可以是一个或两个符号,取决于是否使用基于slot的(DM-RS映射类型A)或非基于slot的(DM-RS映射类型B)调度。在前一种类型中,固定的OFDM符号不管被用来映射DM-RS(通过参数

配置)的PDSCH分配,而后者对应于mini-slot,分配给PDSCH的第一个OFDM符号用于映射DM-RS。参考点L和第一个DM-RS符号的位置L0取决于映射类型。

在上述方程中,频率索引k的参考点取决于PDSCH有效载荷。如果相应的PDCCH与CORESET 0和Type0-PDCCH公共搜索空间相关联,并由系统信息(SI)-RNTI识别,则频率索引k的参考点为CORESET 0中编号最低的资源块的子载波0;否则为公共资源块0中的子载波0。此外,参考点时间索引L和参考位置L0第一个DM-RS符号取决于映射类型,对于PDSCH映射类型A,L是定义相对于slot的起始,也就是说,如果RRC参数dmrs-TypeAPosition = 3,则L0=3;否则,L0=2,对于PDSCH映射类型B, L是相对于调度的PDSCH资源的起始定义的,L0=0。DM-RS符号的位置进一步依赖于参数

,其中对于PDSCH映射类型A,持续时间是在slot的第一个OFDM符号和slot中调度PDSCH资源的最后一个OFDM符号之间的时间;对于类型B的PDSCH映射,持续时间是由38.211中指定的参数给出的预定PDSCH资源的OFDM符号数。

对于类型B的PDSCH映射,如果PDSCH持续时间为2,4或7个OFDM符号(比如mini-slot调度),并且如果PDSCH分配与保留给CORESET的资源冲突,

将递增,使第一个DM-RS符号紧跟在CORESET之后。如果PDSCH持续时间为2、4或7个符号,则UE将不期望接收超过第二个、第三个和第四个符号的DM-RS符号。如果配置了一个附加的单符号DM-RS,当前置DM-RS符号分别位于第1或第2符号时,终端期望附加DM-RS在第5或第6符号上传输;否则,终端应该预期附加的DM-RS不会被传输。如果PDSCH持续时间是两个或四个OFDM符号,则只支持一个单符号DM-RS。如果RRC参数maxLength分别等于1或2,则使用单符号或双符号DM-RS。

在没有CSI-RS配置的情况下,终端可以假设PDSCH DM-RS和SS/PBCH块天线端口在多普勒频移、多普勒扩展、平均延迟、延迟扩展和空间RX参数方面是准共址的。UE可以假设同一CDM组内的PDSCH DM-RS在多普勒频移、多普勒扩展、平均延迟、延迟扩展和空间RX参数方面是准共址的。注意,空间RX参数用于描述UE的角度/空间信道属性,以帮助UE选择和使用其中一个波束。终端可以使用SS/PBCH块获取频率偏移、定时偏移、多普勒扩展、延迟扩展和接收波束来处理DM-RS。换句话说,可以考虑空间RX参数作为UE的波束指示,其中UE可以使用从SS/PBCH获得的信道参数来接收PDSCH。

参考

1.3GPP,TS38.211.

2.Sassan Ahmadi,5G NR Architecture Technology,Implementation,and Operation of 3GPP NR Standards.

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