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CSI-RS를 사용하여 NR 채널 추정

이 예제는 TS 38.211 Section 7.4.1.5 정의에 따라, 주어진 반송파 및 CSI-RS(채널 상태 정보 기준 신호) 리소스 구성에 대해 CSI-RS 심볼과 인덱스를 생성하는 방법을 보여줍니다. 이 예제에서는 생성된 심볼을 반송파 리소스 그리드에 매핑하고, 수신기 측에서 채널 추정을 수행하고, 추정된 채널을 실제 채널과 비교하는 방법을 보여줍니다.

소개

CSI-RS는 다운링크(DL) 기준 신호입니다. NR 표준은 ZP(zero-power) 및 NZP(non-zero-power) CSI-RS를 정의합니다.

UE(사용자 단말) 프로세스는 NZP-CSI-RS를 이용합니다.

• 이동성 및 빔 관리를 위한 L1-RSRP(reference signal received power: 기준 신호 수신 전력) 측정

• DL CSI 수집

• 간섭 측정

• 시간 및 주파수 추적

ZP-CSI-RS는 DL CSI 수집 및 간섭 측정에 사용됩니다. 또한 특정 리소스 요소(RE)를 마스킹 처리하여 PDSCH 송신에 사용할 수 없게 만듭니다. ZP라는 이름이 나타내듯이, 해당 RE에서는 아무것도 송신되지 않습니다.

이 예제에서는 CSI-RS를 사용하여 CSI 수집의 기초를 형성하는 채널 추정을 수행하는 방법을 보여줍니다.

구성 객체 초기화하기

15kHz 부반송파 간격을 사용하는 5MHz 반송파를 나타내는 반송파 구성 객체를 만듭니다.

carrier = nrCarrierConfig;
carrier.NSizeGrid = 25;
carrier.SubcarrierSpacing = 15;
carrier.NSlot = 1;
carrier.NFrame = 0

carrier = 
  nrCarrierConfig with properties:

                NCellID: 1
      SubcarrierSpacing: 15
           CyclicPrefix: 'normal'
              NSizeGrid: 25
             NStartGrid: 0
                  NSlot: 1
                 NFrame: 0
    IntraCellGuardBands: [0x2 double]

   Read-only properties:
         SymbolsPerSlot: 14
       SlotsPerSubframe: 1
          SlotsPerFrame: 10

행 번호 3은 NZP로, 행 번호 5는 ZP로 지정된 두 개의 CSI-RS 리소스를 나타내는 CSI-RS 구성 객체를 만듭니다.

csirs = nrCSIRSConfig;
csirs.CSIRSType = {'nzp','zp'};
csirs.CSIRSPeriod = {[5 1],[5 1]};
csirs.Density = {'one','one'};
csirs.RowNumber = [3 5];
csirs.SymbolLocations = {1,6};
csirs.SubcarrierLocations = {6,4};
csirs.NumRB = 25

csirs = 
  nrCSIRSConfig with properties:

              CSIRSType: {'nzp'  'zp'}
            CSIRSPeriod: {[5 1]  [5 1]}
              RowNumber: [3 5]
                Density: {'one'  'one'}
        SymbolLocations: {[1]  [6]}
    SubcarrierLocations: {[6]  [4]}
                  NumRB: 25
               RBOffset: 0
                    NID: 0

   Read-only properties:
          NumCSIRSPorts: [2 4]
                CDMType: {'FD-CDM2'  'FD-CDM2'}

CSI-RS의 전력 스케일링(단위: dB)을 고려합니다.

powerCSIRS = 0;
disp(['CSI-RS power scaling: ' num2str(powerCSIRS) ' dB']);

CSI-RS power scaling: 0 dB

CSI-RS 심볼 및 인덱스 생성하기

지정된 반송파와 CSI-RS 구성 파라미터에 대해 CSI-RS 심볼을 생성합니다. 전력 스케일링을 적용합니다.

sym = nrCSIRS(carrier,csirs);
csirsSym = sym*db2mag(powerCSIRS);

변수 csirsSym은 CSI-RS 심볼을 포함하는 열 벡터입니다.

지정된 반송파 및 CSI-RS 구성 파라미터에 대해 CSI-RS 인덱스를 생성합니다.

csirsInd = nrCSIRSIndices(carrier,csirs);

변수 csirsInd도 csirsSym과 동일한 크기의 열 벡터입니다.

ZP 리소스와 NZP 리소스를 모두 구성하는 경우 ZP 신호 생성이 NZP 신호 생성보다 우선합니다.

반송파 그리드 초기화하기

하나의 슬롯에 대한 반송파 리소스 그리드를 초기화합니다.

ports = max(csirs.NumCSIRSPorts);   % Number of antenna ports
txGrid = nrResourceGrid(carrier,ports);

CSI-RS 심볼을 반송파 그리드에 매핑하기

리소스 요소 매핑을 수행합니다.

txGrid(csirsInd) = csirsSym;

그리드에 CSI-RS(ZP와 NZP 모두) 위치를 플로팅합니다.

plotGrid(size(txGrid),csirsInd,csirsSym);

OFDM 변조 수행하기

OFDM 변조를 수행하여 시간 영역 파형을 생성합니다.

[txWaveform,ofdmInfo] = nrOFDMModulate(carrier,txGrid);

시간 영역 파형을 채널에 통과시키고 AWGN 잡음 추가하기

수신 안테나 개수를 구성합니다.

R = 4;

채널을 구성합니다.

channel = nrTDLChannel;
channel.NumTransmitAntennas = ports;
channel.NumReceiveAntennas = R;
channel.DelayProfile = 'TDL-C';
channel.MaximumDopplerShift = 10;
channel.DelaySpread = 1e-8

channel = 
  nrTDLChannel with properties:

                 DelayProfile: 'TDL-C'
                  DelaySpread: 1.0000e-08
          MaximumDopplerShift: 10
                   SampleRate: 30720000
              MIMOCorrelation: 'Low'
                 Polarization: 'Co-Polar'
        TransmissionDirection: 'Downlink'
          NumTransmitAntennas: 4
           NumReceiveAntennas: 4
           NormalizePathGains: true
                  InitialTime: 0
                 NumSinusoids: 48
                 RandomStream: 'mt19937ar with seed'
                         Seed: 73
      NormalizeChannelOutputs: true
             ChannelFiltering: true
    TransmitAndReceiveSwapped: false

구성된 채널에 따라, 채널 지연을 고려하기 위해 송신된 파형에 0을 추가합니다.

chInfo = info(channel);
maxChDelay = chInfo.MaximumChannelDelay;
txWaveform = [txWaveform; zeros(maxChDelay,size(txWaveform,2))];

파형을 채널에 통과시킵니다.

[rxWaveform,pathGains] = channel(txWaveform);

실제 전파 채널 H_actual을 생성하기 위해, 완벽한 채널 추정을 수행합니다.

pathFilters = getPathFilters(channel);
H_actual = nrPerfectChannelEstimate(carrier,pathGains,pathFilters);

AWGN 잡음을 파형에 추가합니다. 이 예제에서 사용하는 SNR 정의에 대한 설명은 SNR Definition Used in Link Simulations 항목을 참조하십시오.

SNRdB = 50;           % in dB
SNR = 10^(SNRdB/10);  % Linear value
N0 = 1/sqrt(2.0*R*double(ofdmInfo.Nfft)*SNR); % Noise variance
rng(0);
noise = N0*complex(randn(size(rxWaveform)),randn(size(rxWaveform)));
rxWaveform = rxWaveform + noise;

NZP-CSI-RS를 사용하여 타이밍 동기화를 수행합니다. 타이밍 오프셋을 추정하기 위해, nrTimingEstimate를 사용하고 NZP-CSI-RS를 기준으로 고려합니다.

% Disable ZP-CSI-RS resource, not going to be used for timing and channel
% estimation
csirs.CSIRSPeriod = {[5 1],'off'};
% Generate reference symbols and apply power scaling
refSym = db2mag(powerCSIRS)*nrCSIRS(carrier,csirs);
% Generate reference indices
refInd = nrCSIRSIndices(carrier,csirs);
offset = nrTimingEstimate(carrier,rxWaveform,refInd,refSym)

offset = 7

rxWaveform = rxWaveform(1+offset:end,:);

수신된 시간 영역 파형에 OFDM 복조를 수행합니다.

rxGrid = nrOFDMDemodulate(carrier,rxWaveform); % Of size K-by-L-by-R

추정된 채널을 실제 채널과 비교하기

NZP-CSI-RS를 사용하여 실질적인 채널 추정을 수행합니다. CSI-RS 심볼 csirsSym은 동일한 CDM 유형이어야 합니다.

cdmLen = [2 1]; % Corresponds to CDMType = 'FD-CDM2'
[H_est,nVar] = nrChannelEstimate(carrier,rxGrid,refInd,refSym,'CDMLengths',cdmLen);
estSNR = -10*log10(nVar);
disp(['estimated SNR = ' num2str(estSNR) ' dB'])

estimated SNR = 27.4577 dB

첫 번째 송신 안테나와 첫 번째 수신 안테나 간의 추정된 채널과 실제 채널을 플로팅합니다.

figure;

% Plot the estimated channel
subplot(1,2,1)
imagesc(abs(H_est(:,:,1,1)));
colorbar;
title('Estimated Channel')
axis xy;
xlabel('OFDM Symbols');
ylabel('Subcarriers');

% Plot the actual channel
subplot(1,2,2)
imagesc(abs(H_actual(:,:,1,1)));
colorbar;
title('Actual Channel')
axis xy;
xlabel('OFDM Symbols');
ylabel('Subcarriers');

채널 추정 오차를 계산합니다.

H_err = (H_est - H_actual(:,:,:,1:size(H_est,4)));
[minErr,maxErr] = bounds(abs(H_err),'all');
disp(['Absolute value of the channel estimation error is in the range of [' num2str(minErr) ', ' num2str(maxErr) ']'])

Absolute value of the channel estimation error is in the range of [4.9184e-06, 0.035047]

로컬 함수

function plotGrid(gridSize,csirsInd,csirsSym)
%    plotGrid(GRIDSIZE,CSIRSIND,CSIRSSYM) plots the carrier grid of size GRIDSIZE
%    by populating the grid with CSI-RS symbols using CSIRSIND and CSIRSSYM.

    figure()
    cmap = colormap(gcf);
    chpval = {20,2};
    chpscale = 0.25*length(cmap); % Scaling factor

    tempSym = csirsSym;
    tempSym(tempSym ~= 0) = chpval{1}; % Replacing non-zero-power symbols
    tempSym(tempSym == 0) = chpval{2}; % Replacing zero-power symbols
    tempGrid = complex(zeros(gridSize));
    tempGrid(csirsInd) = tempSym;

    image(chpscale*tempGrid(:,:,1)); % Multiplied with scaling factor for better visualization
    axis xy;
    names = {'NZP CSI-RS','ZP CSI-RS'};
    clevels = chpscale*[chpval{:}];
    N = length(clevels);
    L = line(ones(N),ones(N),'LineWidth',8); % Generate lines
    % Index the color map and associate the selected colors with the lines
    set(L,{'color'},mat2cell(cmap( min(1+clevels,length(cmap) ),:),ones(1,N),3)); % Set the colors according to cmap
    % Create legend 
    legend(names{:});

    title('Carrier Grid Containing CSI-RS')
    xlabel('OFDM Symbols');
    ylabel('Subcarriers');
end

참고 문헌

[1] 3GPP TS 38.211. “NR; Physical channels and modulation.” 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network.

참고 항목

함수

• nrCSIRS | nrCSIRSIndices

객체

• nrCSIRSConfig | nrCarrierConfig

관련 항목

• SNR Definition Used in Link Simulations