Skip to content

Tín hiệu tham chiếu và CSI

Tín hiệu tham chiếu (reference signal, RS) là các ký hiệu mà phía thu đã biết trước giá trị, được chèn vào lưới tài nguyên để phía thu so sánh với tín hiệu nhận được và suy ra đặc tính của kênh. Thông tin trạng thái kênh (channel state information, CSI) là phần kết quả đo mà UE báo về cho gNB để gNB chọn số layer, precoder và mức điều chế. Trang này trình bày theo thứ tự: vai trò chung của tín hiệu tham chiếu trong NR, từng loại tín hiệu (DMRS, CSI-RS, TRS, PTRS, SRS), khung báo cáo CSI, CQI và bảng MCS, cách gNB điều chỉnh tốc độ truyền theo kênh (link adaptation), rồi tác động tới hiện thực. Bảng so sánh tín hiệu tham chiếu giữa LTE và NR nằm ở Frame Structure & Resource Grid.

Vai trò của tín hiệu tham chiếu

Mục đích Tín hiệu NR Phía phát
Ước lượng kênh để giải điều chế DMRS (đi kèm PDSCH, PDCCH, PBCH, PUSCH, PUCCH) Phía phát dữ liệu
Đo kênh đường xuống để báo CSI CSI-RS, CSI-IM (đo nhiễu) gNB
Theo dõi lệch thời gian và tần số TRS (một dạng CSI-RS), SSB gNB
Bù nhiễu pha của bộ dao động PTRS Phía phát dữ liệu
Đo kênh đường lên, khai thác tính thuận nghịch kênh SRS UE
Quản lý beam SSB, CSI-RS, SRS Cả hai phía
Định vị PRS (đường xuống), SRS cho định vị (đường lên) Cả hai phía

Khác với LTE, NR không có tín hiệu tham chiếu phát liên tục trên toàn băng như CRS. Ngoài SSB phát định kỳ, mọi tín hiệu tham chiếu khác chỉ được phát khi được cấu hình và chỉ ở những tài nguyên cần thiết. Thiết kế này giảm nhiễu sang cell lân cận, giảm điện năng khi cell ít tải và cho phép mỗi tín hiệu được precode hoặc phát theo beam riêng. Đổi lại, mỗi UE phải được cấu hình đầy đủ để biết tín hiệu nào nằm ở đâu.

DMRS

DMRS (demodulation reference signal) đi kèm mỗi kênh dữ liệu và điều khiển, chiếm một số resource element bên trong vùng tài nguyên của chính kênh đó. Vì DMRS được precode giống dữ liệu, kênh mà UE ước lượng từ DMRS đã bao gồm precoder, nên UE không cần biết precoder cụ thể. Mỗi layer gắn với một DMRS antenna port, xem MIMO & Beamforming.

Vị trí theo thời gian

DMRS đặt sớm trong vùng tài nguyên (front-loaded) để UE ước lượng kênh và bắt đầu giải điều chế ngay, giảm độ trễ xử lý. Vị trí của symbol DMRS đầu tiên phụ thuộc kiểu ánh xạ của PDSCH hoặc PUSCH:

  • Mapping type A: dữ liệu bắt đầu ở đầu slot, DMRS đầu tiên nằm ở symbol 2 hoặc 3 của slot (tham số dmrs-TypeA-Position trong MIB).
  • Mapping type B: dữ liệu có thể bắt đầu ở bất kỳ symbol nào (dùng cho mini-slot), DMRS đầu tiên nằm ở symbol đầu của vùng dữ liệu.

DMRS front-loaded có thể dài một symbol (single-symbol) hoặc hai symbol liền nhau (double-symbol). Với UE di chuyển nhanh, kênh thay đổi trong một slot, nên có thể cấu hình thêm tối đa 3 vị trí DMRS bổ sung (additional DMRS) rải trong slot để UE nội suy kênh theo thời gian. Mỗi vị trí bổ sung tăng độ chính xác ước lượng nhưng lấy bớt resource element của dữ liệu.

Vị trí theo tần số và số port

DMRS configuration type 1 và type 2 trong một resource block

Type 1 xếp hai nhóm CDM xen kẽ theo kiểu răng lược; type 2 xếp ba nhóm, mỗi nhóm hai subcarrier liền nhau. Các port trong một nhóm phân biệt bằng mã trực giao.

Configuration type 1 Configuration type 2
Cấu trúc Hai nhóm CDM, mỗi nhóm chiếm cách một subcarrier (comb 2) Ba nhóm CDM, mỗi nhóm hai subcarrier liền nhau, lặp mỗi 6 subcarrier
Số port tối đa (single-symbol) 4 6
Số port tối đa (double-symbol) 8 12
Đặc điểm Mật độ theo tần số cao hơn, ước lượng kênh tốt hơn với kênh chọn lọc tần số Nhiều port hơn, phù hợp MU-MIMO nhiều layer

Các port trong cùng một nhóm CDM (code division multiplexing) dùng chung resource element và được phân biệt bằng mã trực giao: hai mã theo tần số trên hai subcarrier và, với double-symbol, hai mã theo thời gian trên hai symbol. Rel-18 mở rộng số port DMRS (tới 24 với type 2 double-symbol) để tăng số layer MU-MIMO.

Với CP-OFDM, chuỗi DMRS sinh từ chuỗi giả ngẫu nhiên Gold. Với PUSCH dùng DFT-s-OFDM, DMRS dùng chuỗi có PAPR thấp dựa trên Zadoff-Chu để giữ ưu điểm PAPR thấp của dạng sóng này, xem OFDM.

CSI-RS và CSI-IM

CSI-RS (channel state information reference signal) là tín hiệu đường xuống dùng để đo kênh. Một tài nguyên CSI-RS có từ 1 tới 32 port. CSI-RS có ba kiểu theo thời gian:

Kiểu Kích hoạt Dùng khi
Periodic (định kỳ) Cấu hình bằng RRC Đo liên tục, ví dụ TRS hoặc đo cho quản lý beam
Semi-persistent (bán cố định) Bật và tắt bằng MAC CE Đo trong một khoảng thời gian có giới hạn
Aperiodic (không định kỳ) Kích hoạt bằng DCI Đo theo yêu cầu, gắn với một báo cáo CSI không định kỳ

Cùng một cơ chế CSI-RS được dùng cho nhiều mục đích, phân biệt bằng cấu hình:

  • Thu thập CSI: UE đo CSI-RS nhiều port để chọn rank, precoder và CQI.
  • Quản lý beam: CSI-RS một hoặc hai port, mỗi tài nguyên một beam. Tham số repetition cho biết các tài nguyên trong một tập có phát cùng beam hay không, tương ứng với các thủ tục P-3 và P-2, xem MIMO & Beamforming.
  • Theo dõi thời gian và tần số: TRS, mô tả ở mục dưới.
  • Đo di động lớp 3: đo RSRP, RSRQ trên CSI-RS thay cho SSB trong một số cấu hình.

Ngoài CSI-RS có công suất khác 0 (non-zero-power, NZP), NR có ZP CSI-RS (zero-power): các resource element mà gNB không phát gì, để PDSCH tránh (rate matching) những vị trí đang dùng cho CSI-RS của cell khác hoặc UE khác. CSI-IM (CSI interference measurement) là tập resource element trống dùng để UE đo nhiễu từ cell lân cận, giúp CQI phản ánh đúng SINR.

TRS

TRS (tracking reference signal) là một tập tài nguyên NZP CSI-RS được đánh dấu bằng tham số trs-Info, dùng để UE theo dõi lệch thời gian, lệch tần số, delay spread và Doppler spread. Vai trò này ở LTE do CRS đảm nhận. Ở FR1, một lần phát TRS gồm bốn tài nguyên CSI-RS một port trải trên hai slot liên tiếp, mỗi slot hai symbol cách nhau 4 symbol, mật độ 3 resource element mỗi resource block. Ở FR2 có thêm cấu hình một slot. UE không báo CSI cho TRS; kết quả đo được dùng nội bộ để chỉnh bộ thu.

TRS thường được dùng làm tín hiệu tham chiếu QCL Type A cho PDSCH và PDCCH: UE dùng các đặc tính Doppler và độ trễ đo trên TRS để cấu hình bộ ước lượng kênh cho dữ liệu, xem MIMO & Beamforming.

PTRS

PTRS (phase tracking reference signal) dùng để ước lượng và bù nhiễu pha (phase noise) của bộ dao động. Nhiễu pha tăng theo tần số sóng mang và làm cả symbol OFDM bị xoay pha chung (common phase error), nên PTRS cần thiết chủ yếu ở FR2 và với điều chế bậc cao.

PTRS chỉ chiếm một subcarrier trong một số resource block, nhưng lặp lại theo thời gian để theo dõi pha qua từng symbol. Mật độ của PTRS phụ thuộc vào lịch cấp phát:

  • Theo thời gian: MCS càng cao, PTRS càng dày (mỗi 4, 2 hoặc 1 symbol); dưới một ngưỡng MCS thì không phát PTRS.
  • Theo tần số: băng thông cấp phát càng lớn, PTRS càng thưa (mỗi 2 hoặc 4 resource block); dưới một ngưỡng số resource block thì không phát PTRS.

Các ngưỡng MCS và số resource block được cấu hình bằng RRC. PTRS gắn với một DMRS port và được precode giống port đó.

SRS

SRS (sounding reference signal) là tín hiệu đường lên do UE phát để gNB đo kênh đường lên. Một tài nguyên SRS có 1, 2 hoặc 4 port và chiếm 1, 2 hoặc 4 symbol liền nhau trong 6 symbol cuối của slot (Rel-15); các release sau cho phép nhiều symbol hơn. SRS dùng cấu trúc răng lược theo tần số và có thể nhảy tần để UE ở biên cell, công suất hạn chế, vẫn đo được toàn băng qua nhiều lần phát.

Mục đích của mỗi tập tài nguyên SRS được cấu hình bằng tham số usage:

Usage Mục đích
codebook gNB đo kênh đường lên để chọn precoder (TPMI), rank và MCS cho PUSCH dựa trên codebook
nonCodebook UE phát các SRS đã tự precode, gNB chọn trong số đó (SRI) cho PUSCH không dựa trên codebook
antennaSwitching UE lần lượt phát trên các anten thu của mình để gNB ước lượng toàn bộ kênh đường xuống nhờ tính thuận nghịch (TDD)
beamManagement UE quét các beam phát, chủ yếu ở FR2

Rel-16 thêm SRS cho định vị. Với massive MIMO ở TDD, SRS dạng antennaSwitching là nguồn thông tin kênh chính để gNB tính precoder đường xuống, xem MIMO & Beamforming.

Khung báo cáo CSI

NR cấu hình báo cáo CSI bằng hai loại đối tượng RRC: CSI-ResourceConfig mô tả các tài nguyên đo (NZP CSI-RS, CSI-IM, SSB), và CSI-ReportConfig mô tả báo cáo (đo trên tài nguyên nào, báo nội dung gì, báo khi nào, trên kênh nào).

Nội dung báo cáo (reportQuantity) gồm các thành phần sau, tùy cấu hình:

Thành phần Ý nghĩa
CRI Chỉ số tài nguyên CSI-RS được chọn (khi đo nhiều tài nguyên, ví dụ nhiều beam)
RI Rank, số layer UE đề xuất
PMI Chỉ số precoder UE chọn trong codebook
LI Layer có chất lượng tốt nhất, dùng để gán PTRS
CQI Chất lượng kênh, quy về mức điều chế và tỉ lệ mã UE có thể nhận với tỉ lệ lỗi mục tiêu
L1-RSRP, L1-SINR Kết quả đo theo beam, kèm CRI hoặc chỉ số SSB

Theo thời gian, báo cáo có ba kiểu tương tự CSI-RS: định kỳ (gửi trên PUCCH), bán cố định (PUCCH hoặc PUSCH, bật tắt bằng MAC CE hoặc DCI) và không định kỳ (trên PUSCH, kích hoạt bằng DCI cấp phát đường lên). CQI và PMI có thể báo cho toàn băng (wideband) hoặc theo từng subband, đổi lại số bit báo cáo tăng.

UE cần thời gian để đo và tính CSI, nên đặc tả quy định một CSI reference resource: thời điểm và vùng tài nguyên giả định mà CSI báo về áp dụng cho, cùng với thời gian xử lý tối thiểu giữa tín hiệu đo và báo cáo. Vì vậy CSI mà gNB nhận được luôn trễ hơn kênh thực tế một khoảng, đặc biệt đáng kể với UE di chuyển nhanh.

CQI và bảng MCS

CQI là chỉ số 4 bit. Theo định nghĩa của TS 38.214, CQI báo về ứng với tổ hợp điều chế và tỉ lệ mã cao nhất mà UE có thể nhận một transport block với xác suất lỗi không vượt quá mức mục tiêu. NR có nhiều bảng CQI:

Bảng CQI Điều chế cao nhất Tỉ lệ lỗi mục tiêu
Table 1 64QAM 10%
Table 2 256QAM 10%
Table 3 64QAM, tỉ lệ mã thấp hơn 0,001% (10⁻⁵), cho URLLC

Phía gNB, MCS (modulation and coding scheme) là chỉ số 5 bit trong DCI, chọn từ các bảng MCS tương ứng: bảng 64QAM, bảng 256QAM và bảng 64QAM hiệu suất phổ thấp (low-SE) cho URLLC. Rel-17 bổ sung bảng hỗ trợ 1024QAM. MCS cùng với số resource element dành cho dữ liệu và số layer quyết định kích thước transport block, xem Physical Channels.

Link adaptation là việc gNB chọn rank, precoder và MCS cho mỗi lần truyền dựa trên CSI. Một vòng điển hình:

sequenceDiagram
    participant gNB
    participant UE
    gNB->>UE: CSI-RS (và CSI-IM)
    UE->>gNB: Báo cáo CSI: RI, PMI, CQI
    Note over gNB: Chọn rank, precoder, MCS<br/>(CQI cộng hiệu chỉnh vòng ngoài)
    gNB->>UE: PDCCH (DCI) và PDSCH
    UE->>gNB: HARQ ACK hoặc NACK
    Note over gNB: Cập nhật hiệu chỉnh vòng ngoài<br/>theo tỉ lệ NACK

CQI là gợi ý của UE, không phải lệnh. CQI có thể lệch so với kênh thực do trễ báo cáo, do khác biệt giữa bộ thu thực của UE và giả định khi tính CQI, và do nhiễu thay đổi. Vì vậy gNB thường dùng thêm một vòng điều chỉnh ngoài (outer loop link adaptation, OLLA): cộng một độ lệch vào chất lượng kênh ước lượng từ CQI, tăng độ lệch khi nhận ACK và giảm khi nhận NACK, sao cho tỉ lệ lỗi lần truyền đầu tiên hội tụ về mức mục tiêu (thường quanh 10% cho eMBB). Thuật toán OLLA không được 3GPP đặc tả mà do nhà sản xuất hiện thực trong scheduler, xem MAC Scheduler.

Ở đường lên, gNB không cần báo cáo từ UE: gNB đo trực tiếp SRS và DMRS của PUSCH để chọn MCS, precoder và điều khiển công suất cho UE.

Tác động tới hiện thực

  • Chi phí tài nguyên. Mỗi tín hiệu tham chiếu lấy bớt resource element của dữ liệu. Thêm DMRS bổ sung, CSI-RS hay PTRS đều làm giảm kích thước transport block ở cùng MCS, nên cấu hình tín hiệu tham chiếu là đánh đổi giữa thông lượng và chất lượng ước lượng kênh. Ví dụ tính chi phí DMRS và kênh điều khiển trong một resource block nằm ở NR Numerology.
  • Đồng bộ cấu hình giữa DU và RU. Ở split 7.2x, RU không tự biết vị trí tín hiệu tham chiếu; DU mô tả từng dải PRB và symbol qua C-plane. Sai cấu hình giữa DU và RU, ví dụ ở vùng ZP CSI-RS hoặc symbol SRS, làm RU phát hoặc thu sai vị trí, xem Open Fronthaul.
  • Tải xử lý ở DU. Ước lượng kênh từ DMRS là bước đầu của chuỗi thu đường lên. Với massive MIMO, xử lý SRS cho hàng chục anten và nhiều UE trong mỗi chu kỳ là một tải tính toán lớn, xem L1 & Acceleration.
  • Thời gian của vòng CSI. Chu kỳ CSI-RS và báo cáo quyết định độ tươi của CSI. Chu kỳ ngắn cho CSI chính xác hơn nhưng tốn tài nguyên đường xuống cho CSI-RS và tài nguyên đường lên cho báo cáo.
  • Kiểm tra khi tích hợp. Khi UE báo CQI thấp bất thường hoặc tỉ lệ NACK cao dù tín hiệu mạnh, các nguyên nhân thường gặp là sai cấu hình TRS hoặc QCL (UE theo dõi sai tần số), sai vị trí CSI-IM (UE đo nhầm nhiễu), hoặc rate matching không khớp giữa PDSCH và CSI-RS.

Liên quan

  • MIMO & Beamforming: dùng CSI và SRS để chọn precoder, beam và các UE ghép cặp MU-MIMO.
  • Frame Structure & Resource Grid: bảng so sánh tín hiệu tham chiếu LTE và NR, vị trí trên lưới.
  • Physical Channels: các kênh mà DMRS đi kèm, quan hệ giữa MCS và kích thước transport block.
  • MAC Scheduler: scheduler dùng CSI để chọn MCS và tài nguyên, hiện thực vòng điều chỉnh ngoài.
  • Connected Mode & Mobility: lập lịch, HARQ và báo cáo CSI trong trạng thái kết nối.
  • Initial Access: SSB, tín hiệu dùng cho đồng bộ và đo khi chưa có CSI-RS.
  • L1 & Acceleration: ước lượng kênh và xử lý SRS trong DU.

Tài liệu tham khảo