5G参考信号CSI-RS资源分配方法研究与应用.pdf

Shandong Communication TechnologyVol.43No.2Jun.2023山东通信技术第43卷第2 期2023年6 月5G参考信号CSI-RS资源分配方法研究与应用时，崔宇旸，王菁，蓝国宁，杨军波（中国联通青岛市分公司，山东青岛2 6 6 0 7 1）摘要：CSI-RS是5G无线网络中非常重要并广泛应用的一种参考信号，主要用于信道状态测量和波束测量。5G网络进入成熟商用期后，流量稳步增加，由轻载网逐步过渡到中载网或局部重载网。CSI-RS资源分配也面临资源开销大、性能无法保障的问题。本文对CSI-RS资源分配方法进行了研究和优化应用，在节约CSI-RS资源的同时提升了用户感知。关键词：5G网络；CSI-RS；资源分配；算法优化1引言在无线通信中，需要通过信号探测以判断信号质量优劣，进而开展调度控制和切换。CSI-RS（Ch a n n e lState Information-ReferenceSignal）是5G无线网络中非常重要并广泛应用的一种参考信号，主要用于信道状态测量和波束测量。5G网络进人成熟商用期后，流量稳步增加，驻留比、分流比显著提升，已由初期轻载网逐步过渡到中载网或局部重载网。在中高负载网中，CSI-RS资源分配开销越来越大，如果不进行分配算法优化，势必影响网络性能和用户感知。通过对CSI-RS设计原理和资源分配方法的研究，改进优化原有的分配算法，可有效提高资源利用效率，减小开销，适应网络发展需要，切实提升网络性能。2CSI-RS设计原理为获得信道质量数据，需要通过特定的信号以测量、估计无线信道的质量，即开展信道探测。最早在LTERelease10版本引入了CSI-RS用于信道探测，NR沿用了CSI-RS并拓展了其应用范围2.1CSI-RS主要功能和分类CSI-RS参考信号用于下行信道状态信息获取。基站发送CSI-RS后，UE把测量的信道状态信息反馈给基站，基站据此实现信道依赖性的调度和链路自适应。例如，确定MCS、R B资源分配，实现多用户复用(MU-MIMO)的传输 2 。如表1所示，CSI-RS还可用于以下几方面。（1）波束管理：终端和基站侧波束的赋形权值的获取，用于支持波束管理过程；（2）精准的时频跟踪：通过将CSI-RS设置成跟踪参考信号（TrackingReferenceSignal），实现精细化时频偏跟踪；（3）移动性管理：通过获取本小区和邻小区的CSI-RS，完成UE的移动性管理相关测量要求，是对基于SSB测量的补充；（4）速率匹配：通过Zero-powerCSI-RS的设置完成PDSCH上RE粒度的速率匹配。收稿日期：2 0 2 2-12-0 9作者简介：时错（197 4-），男，高级工程师，研究方向为无线通信网络解决方案。E-mail：s h i k a i 6 c h i n a u n i c o m.c n2023年山东通信技术表1CSI-RS主要功能和分类功能CSI-RS 类别描述NZP-CSI-RS信道质量测量(CM)(Non-Zero Power用于信道状态信息（CSI）测CSI-RS)量，UE上报的内容包括：CQI、PM I、R I(R a n k I n d i c a t o rCSI-IM(CSI-RS Interference)、LI(La y e r In d i c a t o r)Measurement)用于波束测量，UE上报的内波束管理NZP-CSI-RS容包括：L1-RSRP、CR I(CSI-(BM)RS resource indicator)时频偏跟踪TRS（T r a c k i n g R S）用于精细化时频偏跟踪(TRS)用于移动性管理测量，UE上RRM/RLM测量NZP-CSI-RS报的内容包括：CSI-RSRP、CSI-RSRQ、CSI-SI NR2.2CSI-RS资源配置周期CSI-RS资源可以配置为周期、非周期和半静态。周期CSI-RS，资源开销大，但能有效节省DCI开销。非周期CSI-RS，资源开销小，可以基于用户测量的需求灵活调度。半静态CSI-RS，目前较少使用。2.3CSI-RS设计原则和特点稀疏性：时频域密度低，开销小，支持的最大端口数可达32 个。资源配置灵活：用户可以单独配置时频资源3CSI-RS资源分配面临的问题5G网络部署初期，由于用户较少，为保障单个用户的业务体验，为小区内用户都配置单用户级周期发送的CSI-RS资源，即：为每个进人连接态的用户分配一套周期CSI-RS资源，以方便其获取更精准的信道状态信息。但随着用户增多，CSI-RS资源开销越来越大，达到一定限度后，CSI-RS规格、性能无法得到有效保障。网络测试时发现，测试手机占用某大学5G小区后网速陡降；通过测试软件结合后台分析确定，原因为小区用户过多而导致CSI-RS资源受限、对应CQI无法上报所致，如图1所示。RadloMeasurament:Ms1.OMRSMS1TypePCCTypePCCPCi23Pono SINRBefide)14SsBindexPor1SINR.BefldE2SSAVGRSRPCSI异常SSMAXRSRP-74SS.AVG.SINRPon4SINRBeldB)CSI-RSChanMaxRSRP-127Ports SINRBelfidB)CSI-AS ChanAvgRSRP-127Pont6SINR Bet(dB)CSi-RSANgSINR-13Pon7SINRBet(dB)PUSCHYXPOwardBM)1359Port8SINR BeldB)PUCCHTxPowendBm)136PongSINRBet(dB)PRACHTxPowedBm)20:00Pon10SINRBeldB)SRS.Power20.00Pon11SINRBe(d8)PowerHeadroom!6SINRFaginvaidPower Headroom223Rank indicotorRankCQI不上报，RANK为1Ang.CorLayer3SINR(dB)DLAngMCSTotel379Layer4SINR(dB)ULAngMCSTotal27.00LayorsSINR(dB)PDCCHDLGantCount1800Lyor6SINR(dB)PDCCHULGrantCournt200Layor.SINRioB)DLSlotAggeogation CountLayereSINR(dB)ULSlotAggogation CountPDSCHRBNunbodls163928CMMO:MSTPDSCHRBNumberSiot102DLLayerULLayerPUSCHRBNumbeds1600TypePCCTypePCCPUSCHRBNunbedSiot8BFRank11600BFRank1200DLIntialBLERTotai%)0.00BFRank2BF.Rank2DLRetransdferRateTotair%)0.00eFRank3BFRank3DLResidualBLERTotal%)0.00BFRank4BFRank4ULInitiolBLERTotal%)0.00BFRank5AvgRank1.00ULRetransferRateTotalr%)0.00BFRanksULResiduatBLERTotalr%)0.00BFRank7eFRanksAvgRonk100Throughpt:MS速率低，只有2 0+MbpsDownlinktMbi/s)DLThroughputMbi/s!TypePCCPOCP24.49300.0RLC2454200.0MAC2467100.0PHY24.780.0MACCWO246740:0040:1040:2040:30 40:4040:504图1 CSI-RS资源受限导致速率异常但是，在目前5G用户驻留比、分流比显著提升的情况下，单用户级周期发送的资源分配算法已不能适应网络的发展。4CSI-RS资源分配算法改进提升在网络过渡到中载网或重载网后，如何使CSI-RS资源够用、好用，可以从协议分析中获得两个解决思路：一是在周期资源不够时引入非周期资源以降低开销，即采用周期资源非周期资源配合分配法，调整无线设备的相关资源分配参数而实现；二是对资源进行汇聚、统一分配给用户以减少开销，采用小区级资源和用户级资源灵活分配法，通过开启无线设备资源分配新特性而实现。4.1周期资源非周期资源配合分配法该算法设计是为小区内用户优先分配用户级周期CSI-RS资源，用户数增多时分配非周期资源；分配用户级周期CSI-RS资源时，每个用户占用一份CSI-RS资源，并采用该用户对应的窄波束发送。资源分配流程如图2 所示。第2 期时，等：5G参考信号CSI-RS资源分配方法研究与应用资源分配开始用户级周期资皇否上报非周期N源分配达上限CSI-RS能力N分配周期CSI-RS资源分配非周期CSI-RS资源不分配CSI-RS资源最低按照40 ms周期触发调度无3测量随着用户数增多，调度周期拉长图2 周期资源非周期资源配合分配流程具体配置推荐为，在当前现网默认2 0 ms周期下，为防止资源周期规格受限，用户数低于16 个时给用户分配周期资源；超过16 个用户后，后续用户分配非周期资源。分配时采用DCI调度，分配优先级根据用户等待时间，等待时间越长则优先级越高。通过参数配置可以较好解决资源受限的问题，但也存在终端对非周期CSI-RS测量功能的兼容性问题，以及开启非周期CSI-RS测量后由于准确度不足所带来的性能下降问题。相比周期资源，某些终端在配置非周期资源后性能下降6 0%4.2小区级资源和用户级资源灵活分配法通过推动设备版本升级，开启资源分配新特性，引人小区级资源分配方式，根据用户分布位置汇聚用户资源，从而统一资源分配，减少资源开销。基站可以按照用户级和小区级两种方式灵活分配资源（1）方式一：基于用户级资源，基站侧发送预置的CSI-RS窄波束，只给进人连接态的用户单独使用。优势是CSI-RS覆盖能力更强，同时由于与物理下行共享信道业务信道的匹配度更强，故测量精度更高。缺点是用户级窄波束的容量有限，小区内用户数较多时无法给所有用户都分配窄波束。如果拉长单个用户CSI-RS资源周期，则在用户移动的情况下会导致测量反馈不及时、测量精度降低。（2）方式二：基于小区级资源，也叫用户组级资源，是指针对小区内所有用户，基站基于小区级宽波束发送CSI-RS资源，发送的CSI-RS序列采用小区标识加扰。优点是容纳的用户数更多，CSI-RS资源开销更小。缺点是测量精度相对较低，CSI-RS宽波束覆盖能力弱。因此，考虑到开销和性能，并兼顾小区容量和测量精度，小区级资源和用户级资源灵活分配法是较合理的解决方法，可以保证所有用户都能分到周期CSI-RS测量资源。开启设备新版本的分配新特性后，算法优化采用图3所示新架构。普通用户（小区级资源）特殊需求用户（用户级资源）界面配置小区级波束个单独顶留短周期CSIRS资源资源分配数（1个/2 个/4个）和PUCCH资源（大包用户）周期界面固定配置界面固定配置波束VAM展宽波束用户级窄波束滋波滤波和UE能力有关，不滤波支持4套测量的UE移功控基准功率动时启动重配流程基准功率图3小区级资源和用户级资源灵活分配法架构按照用户的业务数据，将用户分为普通小包用户和特殊需求大包用户。普通小包用户使用小区级资源，根据用户所在覆盖位置的宽波束进行分组，同一组用户使用相同的资源以减少开销，同时小包业务性能也可有效保证。推荐按四个宽波束进行分组（图4），比一个宽波束覆盖效果要好。CSI-RS8port区XXXCSI-RS组4XXXXXXXXCSI-RS组3CSI-RS 组2CSI-RS 组1图4CSI-RS小区级资源按波束分组特殊需求大包用户使用用户级资源，用户级资源匹配用户级窄波束，可以获得窄波束高增益，满足高速率大流量业务需求。特性开启分配算法优化后，流程图如图5所示。2023年山东通信技术CSI-RS资源分配是否有特殊需求？Y（大包用户）N分配用户组级的周分配独享的周期CSI-RS资源期CSIRS资源周期反馈CSI测量结果周期反馈CSI测量结果图5小区级资源和用户级资源灵活分配流程4.3对比验证根据现网5G小区负载情况，分别挑选2 0 0 个低负载小区、2 0 0 个高负载小区，先后配置不同的资源分配方法，进行同时段相关指标对比，以验证哪种方法更适合现网。小区平均关键指标对比如表2 所示。表2 两种资源分配方法相关指标对比下行CSI-RS小区MAC下行用户下行下行下行资源分负载情况CQI层下平均平均256QAM编3/4流平均配方法(PRB优良率行误CQI速率码比例占比RANK利用率）块率Mbps周期资源非小于30%97.21%11.97291.3911.32%1.33%2.11%1.63周期资源配合分配大于6 0%92.79%11.35130.868.16%1.19%3.13%1.54小区级资源小于30%97.10%11.85289.1610.91%1.45%2.61%1.64用户级资源灵活分配大于6 0%95.57%11.74142.359.40%1.21%3.07%1.59批量部署后的效果对比显示：对低负载小区，两种方法指标相差不大；对高负载小区，小区级资源用户级资源灵活分配法的CQI优良率、用户平均速率等关键指标明显更优，可推动设备版本升级全网部署。4.4小结和应用三种分配方法的优缺点对比如表3所示。建议在5G低负载小区采取仅用户级CSI-RS资源。待驻留比、分流比显著提升，网络中载或重载后，采用小区级资源和用户级资源灵活分配法。如果厂家版本不支持，可采用周期资源非周期资源配合分配法进行过渡。小区级资源和用户级资源灵活分配法在某运营商本地网批量部署后，资源开销和性能得到很好平衡，指标变化平稳，各项测试正常，网络负载加重后用户感知仍能得到有效保障。表3三种分配方法优缺点对比资源分配方法优点缺点适用负载使用用户级窄波资源开销大，资仅用户级资源轻载束，覆盖好增益高源规格受限资源开销大，分周期资源非周期使用用户级窄波配非周期资源测中载资源配合分配束，配置周期灵活量准确度不足、性能下降兼顾小区容量和测小区级资源用户部分厂家需版本量精度，按业务流中载或重载级资源灵活分配升级支持量灵活分配5结论随着5G网络流量稳步增加，驻留比、分流比显著提升，网络负载由轻载网逐步过渡到中载网或重载网。CSI-RS参考信号资源开销变大，分配方法必须进行算法优化才能保障网络性能。本文从CSI-RS设计原理、主要功能分类、资源配置等方面进行了分析研究，对各种资源优化分配方法进行了应用对比，提出了最优方法选择建议。在平衡资源开销和网络性能方面取得明显效果，为5G网络的高效运行提供了有力支撑。参考文献：1刘晓峰，孙韶辉，杜忠达，等.5G无线系统设计与国际标准M.北京：人民邮电出版社，2 0 19.2张守国，沈保华，李曙海，等.5G无线网络优化实践M北京：清华大学出版社，2 0 2 1.