详解无线通信中的CSI及其作用，对比分析其与SNR的关系
时间： 2024-06-12 来源：是德科技 Keysight Technologies知乎
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什么是信道状态信息CSI？
信道状态信息（Channel State Information，简称CSI），无线通信领域用语，就是通信链路的信道属性。它描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射（Scattering），环境衰弱（fading，multipath fading or shadowing fading），距离衰减（power decay of distance）等信息。
信道状态信息CSI可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为高可靠性高速率的通信提供了保障。完整的CSI通过三个维度描述：时（间）、频、空，分别对应着无线信道随时间、载频、空间分布不同所经历的变化。
5G新空口 (NR) 为CSI采集规定了新的波束管理框架，以减少测量结果和报告结果之间的耦合，从而动态控制不同的波束。
CSI信道状态信息都包含什么？
CSI其实描述了无线信号在发射机和接收机之间的传播过程，其中包含了距离、散射、衰落等对信号的影响。
其中，Y为接收端的信号向量，X为发射端的信号向量，H表示信道状态矩阵，N代表高斯白噪声。
CSI也就是矩阵H，是每个子载波信道信息的集合：
其中每一个Hk代表一个子载波的幅度和相位。H以复数形式a+bi出现，我们可以得到复数的模和幅角，也就是对应的幅度和相位。
（1）对幅度的提取
如上所述，对CSI信息只提取幅度，不进行任何其他处理的情况下，可以得到一次测量（即一个数据包）中408个子载波的幅度信息，如下图所示。
每个子载波的振幅提取
前期有一些评估结果，LOS场景周围环境不变的情况下，同一位置的幅度是比较稳定的。
（2）对相位的提取
CSI记录了每个子载波的相位信息，但是原始相位信息存在误差，主要是接收机和发射机的中心频率往往不能精确同步（频偏），接收机在下变频时，往往会产生载波频率偏移（carrier frequency offset， CFO）。另外ADC也会产生采样频率偏差（sampling frequency offset，SFO）。
第i个子载波相位可以表示成：
其中，是真实相位信息， δ是接收机的定时偏移， β是未知的相位偏移，Z是相位测量噪声。k表示第i个子载波的索引，N是FFT size。
由于上述各种误差偏移的存在，从CSI中提取出来的原始相位信息是不能直接拿来用的。
假定测量噪声Z的值较小，要消除掉δ和β部分的误差（可能无法确切的知道具体值是多少），可以通过线性变换的方式，令：
其中，a是接收响应的相位的斜率，b是偏移。假设子载波频率是对称的，那么，有可以消除其中δ和β引入的误差。
总结，由于无法获取到真实的相位，只能得到校准的相位和真实相位之间的关系，相差一个跟频率相关的常量倍数Ci。
从参考文献中找到的经过线性处理的相位信息，与原始相位相比稳定很多。
3、CSI数据分析
信道状态信息CSI可以用来做什么？
基站或者终端获取了CSI后，可以用CSI做很多预处理，比如利用CSI做多用户调度、时/频/功率等资源分配、对传输数据做预编码、动态选择合理的编码调制方式等等，可以说CSI是信号处理的基础，对CSI的估计和获取非常重要。
信道状态信息 (CSI) 指的是通信链路的已知属性，它有助于提高5G NR波束赋形的可靠性。5G NR为CSI采集规定了新的波束管理框架，以减少CSI测量和报告之间的耦合，从而动态控制不同的波束。CSI使用信道估计 来智能地改变预编码，使波束适应特定用户。CSI信息越好、越精确，链路适应性就越好。CSI还可以用于均衡等其他目的，从而适应发射 (Tx) 信道内的频率相关变化。
在信道状态信息CSI测量中，CSI参考资源是非常重要的一个概念。下面我们具体介绍CSI参考资源的作用。
信道状态信息CSI作用一：用于计算CQI
信道测量本质上取决于UE的实现，例如，有一些终端设备UE的能力非常强，在SINR=10dB时采用某个MCS能够达到目标BLER需求。但是有一些UE的能力较弱，需要在SINR = 12dB时才能达到目标BLER需求。因此，如果两个UE测量到的SINR均为10dB，在反馈CQI时就应该是不同的值。
此外，即使是对于同一个UE，不同的数据包大小TBS，也会得到不同的BLER。例如，SINR = 10dB。如果当前传输的TBS为1000bit，选择一个特定的MCS传输，其BLER为0.01。如果采用TBS为500bit，选择相同的MCS传输，其对应的BLER可能为0.1。二者是不同的。
因此，在量化CQI的时候，就需要用到CSI参考资源这样的概念。gNB需要知道UE的CQI是在什么情况计算得到的。
假设UE采用CSI-RS进行信道测量，得到信道状态，例如SINR。UE会假设在CSI参考资源上传输一个下行数据包，且对应的信道状态就是CSI-RS测量得到的。此时，UE从CQI表格中选择一个CQI，该CQI能够使假设传输的下行数据包在测量得到的信道状态下传输时BLER小于Target BLER。Target BLER是gNB配置的。
信道状态信息CSI作用二：用于确定测量资源
网络设备可以给终端设备配置周期性的测量资源。如下图中黄色柱子所示，对于红色标注的CSI上报，究竟会采用哪个测量资源进行测量呢。是通过CSI参考资源确定的。现有技术规定，CSI上报所对应的测量资源必须位于CSI参考资源之前。也就是说，下图中蓝色柱子标注的CSI参考资源之前的测量资源才可能用于CSI的测量。至于在红色虚线框中哪个资源测量。网络设备可以通过高层信令进一步配置。例如，可以配置只采用最后一个资源测量。或者可以配置支持平滑，也就是说，可以用红色方框中的所有资源，具体怎么用，UE自我实现。
原因一方面是为了gNB需要知道UE是通过哪个/些测量资源得到的。另一方面，也是为了保证UE的实现能力。也就是说，UE只会采用CSI参考资源之前的资源进行CSI测量。这样来看，从测量到上报UE有足够的时间把CSI处理完。
信噪比SNR
信噪比 (SIGNAL-NOISE RATIO - SNR)，是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。
这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。
信号失真
同样是“原信号不存在”还有一种东西叫“失真”，失真和噪声实际上有一定关系，二者的不同是失真是有规律的，而噪声则是无规律的。
信噪比的计量单位是dB，SNR计算公式是：
在音频放大器中，我们希望的是该放大器除了放大信号外，不应该添加任何其它额外的东西。因此，信噪比应该越高越好。
狭义来讲，信噪比SNR是指放大器的输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少。
一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，声音回放的音质量越高，否则相反。信噪比一般不应该低于70dB，高保真音箱的信噪比应达到110dB以上。
信噪比SNR的重要意义
信噪比SNR用来衡量系统的质量。对于通信系统而言，SNR是示有效信号和噪声之间的比率，并可是示出系统在接收时处于何种情况，以及有多少数据由噪声和千扰所完全抹去。
信噪比SNR也可用来测量音频信号的干净程度。同样，SNR以用来提高图像和视频信号的质量，尤其是在处理复杂场景或图像包含大量细节时，SNR会表现出更加明显的优势。
容量的增长率在非常高和非常低的带宽下都会下降。 技术正在开放毫米波频率，每个人都在寻求更高的数据吞吐量，这可以通过更宽的带宽来实现。 那么，宽带毫米波会成为答案吗？ 也许。 香农-哈特利定理直接将带宽和信道容量联系起来，而毫米频率是最有希望找到该带宽的地方。