浅析5G下行的信道探测流程

从4G以来，载波的带宽大幅增加，从3G的5M增加到了20M，到了5G，单载波带宽增加到了100M（Sub6G）或者400M（毫米波）。

在这么大的带宽上，无线传输环境瞬息万变，不同频率的衰减和受干扰情况也不同，对这些信息不了解，数据的发送就相当于碰运气，没有预判没有性能保证。那么，在怎么让手机和基站随时掌握上下行的无线信道信息呢？

基站和手机都在大家都知道的一些固定的位置发送一些固定的信号，然后双方收到之后再进行测量，就知道了空间传输影响对这些信号产生了什么变化，从而估计信道状况。

本期的主题是下行的信道探测，大体流程就是基站发送参考信号（又叫导频信号），由手机进行测量之后，再发回基站。这样基站就可以根据信道质量来决定数据该怎么发了。

1. 为什么5G要使用CSI-RS？

在LTE的第一个版本（R8）协议中，下行信道情况是完全通过手机对小区参考信号（Cell Reference Signal，CRS）的测量得到的。

CRS均匀地洒在LTE整个载波带宽中，不管有没有业务都要占用资源持续发射信号，就像是高速路中间没有井盖的井一样，所有车辆必须要绕着走，造成了严重的资源浪费和拥堵，还对邻区产生了持续的干扰。

从上图可以看出，2端口（可支持2x2 MIMO）的CRS看起来还不算太多，4端口（可支持4x4 MIMO）的CRS对资源的占用就比较密集了。这些宝贵的资源本可以用来传数据的，却用来传了价值较低的CRS，如果后续要支持8端口，那高速路还不被井占成了筛子？

因此，在LTE的R10版本引入了CSI-RS。CSI-RS的全称是Channel State Information - Reference Signal，这个名字起得相当直白，此参考信号就是用来获取信道状态信息的。

和CRS不同，CSI-RS只在给手机分配的带宽上有效，而不必在整个带宽上持续发送，因此即使支持8端口传输，也不会引起系统开销的大幅增加。网络会通过信令通知手机CSI-RS相关信息，如果没有通知，则手机就认为CSI-RS不存在。

2. CSI-RS的基本结构和时频域特性

在5G标准中，“极简设计”是其核心理念，像LTE的CRS这种占用固定资源的“常开（Always On）”信号理所当然地被摒弃，而把CSI-RS则被增强和扩展，用于5G的下行信道探测。

从上图可以看出，5G跟4G相比，没了多余的常开信号，控制信道占用的资源也更少，看起来更加的清爽，频谱利用率更高。相比之下，4G密密麻麻的CRS真是让人窒息。

5G的CSI-RS最多可以支持32个不同的天线端口，其中每一个天线端口都是一个需要探测的信道。标准允许多个天线端口的CSI-RS复用在一组资源单元（RE）上。复用的方式一般包括：

码域复用：不同天线端口的CSI-RS实际上使用了完全相同的一组资源单元（RE），基站和手机通过正交的码字来复用和提取这些CSI-RS信号。

频域复用：不同天线端口的CSI-RS实际上使用了一个OFDM符号内部不同的子载波。

时域复用：不同天线端口的CSI-RS实际上使用了一个时隙内部不同的OFDM符号。

不同的复用方式可以联合使用。上图描述的是一种可能的32端口的CSI-RS结构，其中使用了8次的码分复用，然后再使用了4次的频分复用。

并且，频分复用时子载波可以不连续，时分复用时OFDM符号也可以不连续。

通常来说，多少个端口的CSI-RS复用在一个RB或者时隙内，就会占用多少个资源单元（RE）。

在配置的CSI-RS带宽内，可以为每个资源块（RB）都配置CSI-RS，这种模式成为CSI-RS密度为1；也可以每两个资源块（RB）配置一个CSI-RS，这种模式称为CSI-RS密度为1/2。

时域上，CSI-RS可以配置为周期性发送，半持续发送或者非周期性发送。

对于周期性发送，CSI-RS每隔最少4个时隙就会重复一次，最大640个时隙重复一次。

对于半持续性发送，CSI-RS也会配置一个发送周期，但具体是否真正发送取决于MAC控制信源的显式激活，一旦激活就会持续周期性发送，知道收到显式的去激活命令为止。

对于非周期性发送，网络不会配置发送周期，而是通过信令来显式通知每一次的CSI-RS发送。如果为一个手机调度的PSDCH里面包含了为其他手机配置的CSI-RS资源单元，这个手机需要跳过这些CSI-RS资源单元。

但手机并不知道它需要跳过哪些资源单元，所以协议设计了“零功率CSI-RS”，把需要手机跳过的资源单元都标记为零功率CSI-RS，手机将认为这些资源单元是无效的，直接跳过不进行任何处理。

CSI-RS可以测量哪些数据？一般包括三项：信道质量指示（CQI：Channel Quality Indicator），秩指示（RI：Rank Indicator）和预编码指示（PMI：Precoder Matrix Indicator）。这三项合起来称为信道状态信息（CSI：Channel State Information），也就是CSI-RS存在的意义。