1.1.4 大规模天线技术演进

参考信号（Reference Signal,RS）是整个无线通信系统得以正常运行的关键基础，而NR的参考信号设计需要适配eMBB和uRLLC的业务需求，也就是要通过不同配置，能在不同场景下分别满足大带宽、高可靠、低时延及高移动性的性能要求。考虑国内目前以FR1频段组网为主，暂未使用相位跟踪参考信号（Phase Tracking Reference Signals,PTRS），因此，本节主要简单介绍以下两种参考信号：解调参考信号（DeModulation Reference Signal, DM-RS）和信道状态信息参考信号（Channel State Information Reference Signal,CSI-RS）。

1. DM-RS

DM-RS的设计主要影响业务时延和终端的移动性，因为接收方需要收到完整的DM-RS后才能更好地掌握参考信号到达前后一段时间，以及相邻频域的信道情况，提升解调的成功率，所以在LTE的方案中，下行没有专门的DM-RS，而是由固定发送的小区参考信号（Cell Reference Signal,CRS）兼任，而物理上行控制信道（Physical Uplink Control CHannel,PUCCH）和物理上行共享信道（Physical Uplink Share CHannel,PUSCH）的DM-RS会安插在时隙的中间位置。LTE双天线CRS配置如图1-5所示，LTE不同格式PUCCH的DM-RS时域位置如图1-6所示，LTE PUSCH的DM-RS时域位置如图1-7所示。

这样的DM-RS设计虽然兼顾了时频域的可靠性，也能满足4G时速最高300千米的移动性要求，但在一般低速移动环境下，即使没有业务，也会固定发送CRS能量，这一现象是造成小区间干扰的重要原因之一，同时也会影响整体网络容量。在高速率场景下，LTE的下行业务层数与CRS端口数相关，如果使用更高的速率，则需要占用更多的CRS资源，无疑会进一步加剧系统干扰。而在时延敏感的业务中，接收方需等到第4个符号接收到DM-RS后，才能开始解调。因此，NR在设计DM-RS时专门针对以上缺点做了优化。

NR下行取消了固定发送的小区级CRS信号，其功能由其他参考信号分担。例如，小区测量、时频跟踪和波束管理由CSI-RS负责，解调参考由DM-RS负责，相位跟踪由PTRS负责等。同时，考虑到上行从LTE的单一离散傅里叶变换扩频正交频分复用（Discrete Fourier Transform Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing,DFT-S-OFDM）波形，增加循环前缀正交频分复用（Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM）波形，同样支持多流发送，因此，NR的DM-RS采用了全新的上下行统一设计。为了减少干扰又同时满足高移动性要求，NR的DM-RS分为前置（Front Load）和附加（Additional）两种。为了适应单用户多天线技术（Single User Multiple-Input Multiple-Output,SU-MIMO）和多用户多天线技术（Multi User Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO）的多流传输，设计了type1和type2两种频分/码分方式，结合单/双符号两种长度配置，共可支持最大12端口。因此，虽然NR的单用户最大上下行流数只有4和8，但MU-MIMO下最多可以支持12流传输。

（1） DM-RS时域位置设计

物理共享信道的时域调度方式有typeA（基于时隙）和typeB（基于非时隙）两种。在下行PDSCH中，typeA方式的起始符号可以在0～3中选择，长度为3～14个符号。此时，该时隙的前3个符号可能需要预留给物理下行控制信道（Physical Downlink Control CHannel,PDCCH），为了尽量使DM-RS的位置靠前，一般情况将其起始位置放在该时隙的第3或第4个符号上，具体位置根据dmrs-typeA-Position参数配置而定。下行typeB方式的起始符号可以在0～12中选择，长度固定为2、4、7共3种，主要用于自包含时隙等时延敏感业务，此时，DM-RS的起始位置不再以时隙边界为参考，而是固定在调度资源区域的第1个符号上。

在上行PUSCH中，typeA方式的起始符号固定从0开始，长度为4～14个符号。而typeB方式的起始符号不固定，可以从0～13中选择，而长度则为1～14个符号。上行前置DM-RS起始符号的参考点和位置与下行设置基本一致，即typeA以时隙边界为参考（如果启用了跳频，则以跳频位置为参考），位置由dmrs-typeA-Position参数确定。typeB固定在调度资源区域的第1个符号。

当在终端移动性强的场景下，必须考虑前置DM-RS对于后面符号的解调参考可能不够及时，而需要配置附加的DM-RS。NR标准化过程中对附加的DM-RS设计时主要考虑以下2个原则。

原则1：时域上尽量均匀分布，有利于对前后符号的解调参考。

原则2：不使用最后1个符号，主要用于避免下行转上行或在PUSCH末尾安插信道检测参考信号（Sounding Reference Signal,SRS）/PUCCH时，由于功率变化而被丢弃，从而影响解调性能。

上行PUSCH单符号附加DM-RS位置设计如图1-8所示，上行PUSCH双符号附加DM-RS位置设计（不考虑时隙内跳频）如图1-9所示，下行PDSCH单符号附加DM-RS位置设计如图1-10所示，下行PDSCH双符号附加DM-RS位置设计如图1-11所示。需要说明的是，图1-8、图1-9、图1-10、图1-11中ld表示调度资源的符号长度；l0表示前置DM-RS的位置；pos0表示只有前置DM-RS时，DM-RS的起始符号位置；pos1、pos2、pos 3分别代表有1～3个附件DM-RS时，各个DM-RS的起始符号在时隙中的位置。

目前，商用网络的下行调度仍以typeA为主，而上行配置的PUSCH资源集不同设备厂家有不同的默认配置，例如，爱立信和中兴设备主要使用typeA，其SLIV（代表起始和长度指示符）取值一般是41和27，也就是从时隙的0号符号开始，长度为13或14个符号。而华为设备主要使用typeB,SLIV也会设置为27，因此，其本质上依然是基于整个时隙的调度。typeA和typeB的主要区别在于DM-RS的时域位置。

（2） DM-RS端口复用设计

LTE的下行多端口CRS主要依靠不同RE资源来区分，而NR的DM-RS则使用时分、频分和码分相结合的方式，最多支持12个端口。具体而言，NR DM-RS的图样分为type1和type2两种，再结合单双符号设计，共有4种组合。

当使用type1图样单符号情况时，通过12个子载波的梳状频分为2个码分复用（Code Division Multiplexing,CDM）组，每个CDM组通过正交覆盖码（Orthogonal Cover Code,OCC）码分支持2端口，共计支持4端口。

当使用type1图样双符号情况时，通过12个子载波的梳状频分为2个CDM组，每个CDM组通过时域2个符号及OCC码分支持4端口，共计支持8端口。

当使用type2图样单符号情况时，通过12个子载波频分为3个CDM组，每个CDM组通过OCC码分支持2端口，共计支持6端口。

当使用type2图样双符号情况时，通过12个子载波频分为3个CDM组，每个CDM组通过时域2个符号及OCC码分支持4端口，共计支持12端口。

NR DM-RS端口复用设计概览见表1-3,type1图样每个端口占用更多的RE资源，因此，其健壮性更好，最多支持8端口，而type2图样开销更小，可以支持更多的端口，适合在信号覆盖良好的场景提供更高的性能，或实现更好的多用户MIMO效果。

2. CSI-RS

如前文所述，为了减少系统干扰并增强对多天线端口的支持，NR取消了全天候发射的小区级CRS信号，而全面应用CSI-RS来完成信道状态测量、干扰测量、移动性管理、时频跟踪、波束管理及速率匹配等功能。对比LTE R10引入的CSI-RS,NR对CSI-RS功能进一步细分，同时仿照邻区测量上报的方式，将CSI-RS的测量和上报进行了解耦，使其配置方法更灵活。CSI-RS配置概览如图1-12所示。

（1）用于信道质量测量的CSI-RS资源

这种CSI-RS主要是让终端对下行各天线端口的信号质量进行评估，因此，需要适配不同端口数量的场景。如果支持的端口较少，则无法适用多流或多端口波束赋形的需求，反之，如果单纯为适配多端口而设计大量开销来发送CSI-RS信号，则会减少系统容量，也会增加终端的计算量。

为了动态平衡开销和做好对未来技术的支持，NR系统设计了多个简单的图样，用于1端口、2端口和4端口，分别对应1、2和4个相邻的RE资源。而如果需要测量更多端口时，则通过重复2端口和4端口的图样来支持。目前，NR支持最高32端口的CSI-RS，具体某个CSI-RS资源由nzp-CSI-RS-Resource信元来指示，分配时，需要指定1个标识符（IDentifier,ID）、时频码域资源、端口数、密度、功率偏置、发送周期（和偏置），以及扰码等。

（2）用于波束管理的CSI-RS资源

多天线端口的实现可以使用全数字域加权矩阵方式，对所有端口进行管理。例如，在低频FR1所使用64端口或以下场景，基本都是全数字天线。此时不需要进行波束管理。而在高频FR2 64端口以上的场景，如果依然使用全数字域方式，天线成本将会急剧上升，则建议使用数字与模拟混合型天线，此时需要使用模拟波束管理功能，使用户在移动过程中能够及时发现和切换到更好的波束。

模拟波束的管理是通过波束对应的CSI-RS进行扫描测量来完成的，在NR系统中， CSI-RS可以分别应用于收发波束同时扫描、发送波束扫描和接收波束扫描过程。当与CSI-RS相关联的CSI上报量配置为上报参考信号接收功率（Reference Signal Received Power,RSRP）或不进行CSI上报，即分别用于发送波束扫描和接收波束扫描时，指示CSI-RS用于波束管理。由于波束管理的CSI-RS只进行波束的测量和选择，所以从节省开销角度考虑，可以使用更少的导频端口（例如，1端口或2端口）。考虑到与信道质量测量CSI-RS的统一性设计，R15 NR标准复用1端口和2端口的CSI获取的CSI-RS用于波束管理。

（3）用于精确时频跟踪的CSI-RS

在LTE网络中，可以通过时频域固定的CRS来进行精确时频跟踪，而NR中则需要另外配置对应的CSI-RS资源来辅助终端进行跟踪，此类资源会被标记为跟踪参考信号（Tracking Reference Signal,TRS）。在具体实现上，NR系统设计了周期性TRS和非周期性TRS。这样设计的主要目的在于，平衡时频跟踪的性能和网络的开销及干扰，例如，网络侧通常为连接态终端分配周期为40ms或80ms的TRS资源，此时，与LTE的固定每子帧发送相比，其开销要低得多，从而其对邻区产生的干扰也减少。但如此长的跟踪周期间隔，对于一些动态事件，例如，激活辅载波时，最长需要40ms或80ms才能准确进行时频跟踪，为终端解调带来严重影响。此时，终端可以通过下行控制信息（Download Control Information,DCI）触发非周期TRS得到及时的时频跟踪参考信号源。

（4）用于速率匹配的CSI-RS

相对于LTE,NR系统将很多固定发送的信号改为按需发送，或者从小区级改为用户级，例如，上述的LTE小区级CRS就改为用户级的多个CSI-RS。理论上，可以为每个连接态用户分配完全不同的CSI-RS资源，但也带来了新的问题。如果为A用户新增一个周期CSI-RS资源后，如何通知小区里的B用户解调下行RB时，避开这些已被A用户CSIRS占用的资源元（Resource Element,RE）呢？其解决思路主要有两种：一是为所有用户分配完全一样的CSI-RS资源；二是通过某种方式让B用户在解调PRB时跳过某些被占用的RE。如果使用第一种方案，则仍然无法应对突发性非周期的CSI-RS分配。因此，NR系统在设计时，除了上述提及的非零功率CSI-RS （NZP-CSI-RS）资源，还增加了零功率CSI-RS （ZP-CSI-RS）资源。

顾名思义，ZP-CSI-RS是系统“告诉”终端，这些位置对应的RE已被征作其他用途，因此，终端在接收对应PDSCH时，需要跳过对应的RE，这就是速率匹配的过程。ZPCSI-RS资源信息（主要是时频域、重复周期、持续时间等）会以资源集方式提前通过高层信令配置给终端，当需要终端进行速率匹配时，系统会通过DCI指令激活对应的ZP-CSIRS资源集，从而实现动态适配。