4G/5G参考信号详解
一、参考信号简介
参考信号其实并不是一个信号，而是多个信号，包括上行和下行参考信号：
（1）DMRS（上行和下行）：De-Modulation Reference Signal, 解调参考信号
（2）PT-RS（下行和上行）（5G only）: Phase Track Reference Signal, 相位跟踪信号
（3）CSI-RS（下行）：Channel Status Indication，信道状态信息参考信号
（4）SRS（上行）： Sounding Reference Signal，探测参考信号，
（5）CRS（下行）（4G LTE only）：Cell Reference Signal, 小区参考信号
所谓参考信号（Reference Signal，RS）就是“导频”信号，是由发射端提供给接收端用于信道估计或信道探测的一种已知信号。所谓导频信号（pilot signal 领航，试用）：指的是在电信网中为测量或监控的目的而发送的信号，这些信号为已知信号。
所谓已知信号：
- 这种信号频域的位置是已知的
- 时域的位置是已知的
- 发送的内容是已知的
- 发送使用的功率已知的，也即是UE知道(直接或间接)服务小区发送导频信号的功率。
所谓信道评估：就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程。
所谓信道探测：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。这有点类似数据通信中的“心跳”信号，虽然不完全一致。
二、为什么需要参考信号？
参考信号是相对于用于传输数据的数据信道和传输控制信令的控制信道而言的，通过这些参考信道的信息，作为数据和控制信道的参考。由于参考信号的内容是确定的，已知的，通过检测收到的信息比特与已知的、确定的参考信号的信息比特的差异，来判断信道的无线信道的特征，作为后续信道编码、调制方式和无线资源调度的依据。
同时，也通过参考信号确定无线信道的“状态”：断开还是连接。
三、参考信号的对比
在4G LTE和5G NR系统中，参考信号就像是无线通信的“路标”，它们本身不直接传输数据，但为系统感知信道状态、协调收发行为提供了至关重要的依据。
参考信号类型 | 英文全称 | 主要用途 | 4G LTE支持情况 | 5G NR支持情况及增强 |
|---|---|---|---|---|
DM-RS | Demodulation Reference Signal | 用于相干解调，估计与特定用户数据信道相关的无线信道响应 | 是 | 是，增强：支持更多端口（最多12层），配置更灵活（Type 1/Type 2），支持波束赋形 |
PT-RS | Phase Tracking Reference Signal | 主要用于补偿高频段的相位噪声 | 不支持 | 是，新增：主要针对FR2（高频段）引入，FR1也可选用 |
CSI-RS | Channel State Information-Reference Signal | 用于下行信道质量测量，反馈CSI（CQI, RI, PMI），辅助调度和波束管理 | R10引入 | 是，增强：功能扩展（波束管理、时频跟踪），传输方式更灵活（非周期/半持续） |
SRS | Sounding Reference Signal | 用于上行信道质量测量，辅助上行调度、功率控制，基于互易性辅助下行波束赋形 | 是 | 是，增强：配置更灵活（周期/非周期/半静态），支持天线切换 |
四、详解各类参考信号
1、DM-RS (解调参考信号)
DM-RS是用户专属的，其主要目的是为特定用户的数据信道（如5G NR中的PDSCH和PUSCH）提供高质量的信道估计，以实现相干解调。
5G中的增强：
- 更高的MIMO层数支持：通过定义DM-RS Type 1（最多支持8端口）和Type 2（最多支持12端口），满足了5G大规模MIMO对多层传输的需求。
- 灵活的配置与前置设计：DM-RS可以灵活配置，并且可以放置在数据块之前。这种“前置DM-RS”设计满足了5G uRLLC低时延业务的需求，接收端可以更快地开始解调。
- 与波束赋形深度融合：5G中，DM-RS本身可以进行波束赋形，使其能量更集中地指向目标用户，从而提升信噪比和覆盖效果。
2、PT-RS (相位追踪参考信号)
PT-RS是5G NR中新引入的参考信号，专门用于补偿振荡器引入的相位噪声，这个问题在高频段（如毫米波频段）尤为严重。
工作原理：PT-RS在时域上密度较高，在频域上密度较低。接收机通过比较接收到的PT-RS和已知的PT-RS，可以估计出相位噪声造成的相位旋转，进而对数据区域进行补偿。
部署特点：PT-RS通常是用户专属的，并且其开销可以根据实际信道条件和系统需求动态调整。例如，在相位噪声影响大的高频场景下，可以配置更高的PT-RS密度。
3、CSI-RS (信道状态信息参考信号)
CSI-RS主要用于下行信道状态的测量与探测。终端通过测量CSI-RS，将信道质量指示（CQI）、秩指示（RI）和预编码矩阵指示（PMI） 等信道状态信息反馈给网络侧，以辅助进行信道相关的调度、链路自适应和MIMO传输。
5G中的增强：
- 功能扩展：除了传统的信道测量，5G中的CSI-RS还承担了波束管理、精细的时频域跟踪等任务。
- 灵活的传输方式：支持周期性地、半持续地和非周期性地发送，网络可以根据需求灵活配置，在测量精度和信令开销之间取得平衡。
- 更高的配置端口数：5G NR支持配置多达32个端口的CSI-RS，为大规模MIMO下的高精度信道测量和波束赋形提供了基础。
4、SRS (探测参考信号)
SRS是上行的探测信号，由终端发送，基站接收并进行测量。
主要作用：
上行信道质量估计，用于上行频率选择性调度。
在TDD系统中，利用上下行信道互易性，基站可以根据测量到的SRS来估计下行信道，从而辅助下行波束赋形。
5G中的增强：
- 灵活的触发方式：支持周期、半静态和非周期多种触发方式，适应不同的业务场景和调度需求。
- 支持天线切换：终端可以通过SRS在不同天线端口上轮流或同时发送，帮助基站全面评估终端侧多个天线的上行信道状况。
五、4G到5G的设计理念演进
从4G到5G，参考信号的设计体现了以下演进思路：
解耦与专业化：4G LTE中CRS（小区参考信号）承担了信道估计、解调、测量等多种功能。5G则将这些功能解耦，由DM-RS负责解调，CSI-RS负责信道状态信息获取，SRS负责上行探测，各司其职，设计更具针对性。
面向大带宽与高频段：为应对毫米波等高频段通信的挑战，5G新增了PT-RS来抑制相位噪声。
动态与灵活：5G的参考信号（如CSI-RS、SRS）传输方式更灵活，支持非周期或半静态配置，能更好地匹配业务需求，降低不必要的开销。
为大规模MIMO优化：通过增加CSI-RS端口、增强DM-RS以支持更多层传输、利用SRS的互易性等，全面适配大规模MIMO技术。
六、总结
在5G网络中，这些参考信号相互配合，构成了一个强大的信道感知和调度优化系统。例如，CSI-RS和SRS帮助系统“看清”信道状况并进行波束管理，DM-RS确保在最终传输数据时能够准确解调，而PT-RS则在高频段充当“稳定器”的角色。