PDSCH Demodulation Reference Sginals

LTE Rel.8에서 RS(Reference Signal)이란, 일반적으로 CRS(Common or Cell-specific Reference Signal)을 지칭하는데, 이런 RS에는 여러 종류의 시그널들이 존재한다. CRS는 안테나 포트 0~3이 사용되는데 포트 0과 1에 비하여 포트 2와 3의 RS 밀도가 낮은 이유는 RE의 overhead를 줄이기 위함히다. 어차피 밀도를 줄이더라도 채널이 빠르게 변화하는 경우에 포트 2와 3은 채널 추정이 어렵기 때문이다. CRS이외에 특정 UE를 지원하는 UE-specific이 있는데 이 시그널은 Rel.9 로 진화 되면서 흔히 DM-RS(Dual layer)라고 불리기 시작하였다. DM-RS는 일반적인 RS와는 달리 UE 별로 다른 시그널을 제공하기 때문에 간섭면에서 효율적인 성능을 생성한다. 이 시그널은 안테나 포트 5부터 지원하며, 빔포밍등을 지원한다. 초기에는 데이터(PDSCH, PUSCH)등의 UE-특정을 지원하지만, 점차 L1/L2 제어 채널과 같은 전체적인 면에서의 특정 시그널로 진화하고 있다. 하지만 LTE-Advanced에서의 DM-RS와 LTE Release. 9의 DM-RS와는 약간의 차이가 존재한다.

LTE-Advanced 에서, 다운링크 전송에 대해 UE-특정 레퍼렌스 시그널 (DM-RS)는 PDSCH 복조에 대해 사용이 되는데 최대 8 레이어 (혹은 스트림)인 LTE-Advanced의 요구사항 충족을 위해 DM-RS 포트 또한 8 포트가 정의되어 있다.

DM-RS 디자인 패턴은 크게 CDM, FDM, SDM인 3가지로 나누어 진다. 일반적인 Rank 5-8 패턴의 경우 CDM+FDM의 조합인 기준과 PRB당 24RE가 소요된다.

Rank 5-8 패턴은 Rank 1-4로 부터의 큰 단계가 없기 때문에 자연스러운 확장으로 되어 있으며, Rank 1-4의 DM-RS 구조와 하위 호환성을 위해, DM-RS 포트의 수는 CDM 그룹 별로  정의 되었다.

DM-RS 포트로의 매핑

DM-RS를 위하여 코드워드에서 레이어로의 매핑이 이루어 져야 한다. 기본적으로 Rank 2 전송 보다 많은 경우 두 가지 매핑 원리가 있으며, Intra-CW 매핑과 Inter-CW 매핑이다.

•  Intra-CW mapping : 하나의 CW와 관련된 레이어는 CDM 그룹 1 혹은 CDM 그룹 2에서 할당된다. 이 방식은 HARQ 프로세싱에서 두 전송 블록 (TB)를 독립적으로 유지할 수 있는 레이어당 채널 추정 적용시 CW간의 간섭을 피할 수 있다.

•  Inter-CW mapping: 하나의 CW와 관련된 레이어는 CDM 그룹 1과 CDM 그룹 2 모두에서 할당된다. 이 방식은 일부 두 CW사이의 Overlap으로 이어진다.

코드워드와 독립된 HARQ 사이의 간섭의 잠재적인 이득 감소를 고려할때, Intra-CW 매핑이 선호된다. 하지만 Rank 2의 경우 Intra-CW를 사용할 경우 PRB pair당 24RE가 소모되기 때문에 잠재적인 이득은 OFDM 심볼의 오버헤드 증가 오프셋으로 인하여 충분하지 않기 때문에 Inter-CW를 사용하며, 다른 코드워드가 다른 CDM 그룹으로 매핑된다면, 비교적으로 독립적인 HARQ 프로세싱에서 두 TB를 유지하는 채널 추정은 코드워드간 간섭이 없게 된다.

대부분의 회사들은 위와 같은 여러가지 이유들로 Intra-CW를 선호한다. 하지만 시뮬레이션 결과에서는 Intra-CW와 Inter-CW의 이득 차이에서 큰 차이가 없었기에 둘 중 어떤 방식을 쓰더라도 큰 문제는 되지 않는다.

OCC 할당

DM-RS 패턴의 CDM 사용은 확산 시간 도메인, 즉, 저속 이동 환경의 채널 변화에 대해서는 상당적으로 견고하지만, CDM의 한 단점은 Tx 레이어간 직교성 손실이라는 것이다. 이런 직교성 손실을 개선하기 위하여 CDM에 대하여 2D-직교성 커버 코드를 사용하는데 이를 OCC라고 한다. 

Rank 5-8 DM-RS 패턴 전송의 경우 길이 2 OCC가 사용되지 않고 4 OCC가 사용된다. 이런 이유로는 Rank 3-4 전송에서의 유연한 확장과 전력 강화 방법과 동일한 매핑 패턴 그리고 2 OCC에 비하여 더 나은 성능을 제공하기 때문이다. 

DM-RS에서의 Rank 1-8까지의 OCC의 차이점은 길이가 차이나는 것을 제외하고는 없다. 길이 2 OCC의 경우 듀얼레이어 빔포밍에 대한 Rel.9에서 합의 되었다. 

OCC의 필요성

OCC에 대한 사용 경우에서, SU/MU-MIMO와 공간 멀티플렉싱은 eNB에서 적시 CSI의 가능성과 높은 UE 속도에서 이득을 제공받지 못하는거에 의존하는 높은 UE의 속도에서 이득을 제공하지 못한다. 물론, OCC의 직교성이 저하된거와 같은 높은 UE 속도에서 OCC 치수의 이득이 있다. OCC는 보완 멀티플렉싱 방식이기 때문에, OCC 상황은 매우 높은 도플러에서 OCC의 이득이 없어 지더라도 OCC가 없는 것보단 나쁘지 않다. 또한 eNB가 항상 OCC 적용 UE를 알듯이, 채널 추정, 주파수 오프셋 추정 혹은 도플러 추정에서 모든 성능에 미치는 영향은 없다. 따라서 OCC의 사용은 성능 감소를 야기하지 않는다.

통합된 OCC 할당

통합된 OCC 할당 원리 사용시 SU/MU-MIMO 모두에 적용할 수 있는 장점이 발생한다. 즉 오직 하나의 CDM 그룹, 최대 2 DM-RS 포트와 2 스크램블링 시퀀스이다. 이 디자인은 Rel.9와 Rel.10 UE의 공동 스케줄링에서 적용이 가능하다. 또한 독립적인 Rank와 eNB로 UE모두에게 가능한 낮은 설계의 복잡성 유지가 가능하고 중첩된 속성을 유지할 수 있다. Rank의 상승으로 추가된 레이어는 다르게 할당된 DM-RS 포트가 변경되지 않고 새로운 DM-RS 포트로 매핑이된다. UE 측면에서 레이어당 채널 추정은 전송 Rank의 상관없이 동일하게 유지된다.

또한, 제어 시그널링 디자인에서, 이 매핑 방법이 DM-RS 포트 표시가 전체적으로 사전 정의와 연관된 전송 Rank로 인하여 오버헤드 복잡성을 줄일수가 있다. Rank 정보가 UE에게 알려진다면, 적절한 DM-RS 포트 식별과 채널 추정이 UE에서 가능하기 때문이다.

o DM-RS port 1→ {CDM group 1, OCC 1}  (use [1  1  1  1])

o DM-RS port 2→ {CDM group 1, OCC 2}  (use [1 -1  1 -1])

o DM-RS port 5→ {CDM group 1, OCC 3}  (use [1 -1 -1  1])

o DM-RS port 6→ {CDM group 1, OCC 4}  (use [1  1 -1 -1])

o DM-RS port 3→ {CDM group 2, OCC 1}  (use [1  1  1  1])

o DM-RS port 4→ {CDM group 2, OCC 2}  (use [1 -1  1 -1])

o DM-RS port 7→ {CDM group 2, OCC 3}  (use [1 -1 -1  1])

o DM-RS port 8→ {CDM group 2, OCC 4}  (use [1  1 -1 -1])

OCC 매핑의 다른 측면

• 잠재적인 2D 직교성

OCC 매핑 논의의 문제는 잠재적인 시간과 주파수 도메인 직교성 제공이 동시에 달성할 수 있다는 것이다. -D 직교성과, 시간/주파수 선택적 채널에서 좋은 성능은 시간 도메인에서 단일 직교성 예상보다 크다.

• 최대 전력 랜덤

Rel-10 DMRS OFDM 심볼 사이의 전력 변동을 줄일 수 있는 능력을 가지고 있어야 하기 때문에 길이 4 OCC 매핑 방식은 전력 감소를 하는 잠재적인 능력을 가진다.

OCC 매핑

•  독립적인 CDM 그룹 OCC 매핑은 두 CDM 그룹에 비균등한 레이어 할당을 한다. 예를 들면 rank-3/5/7과 전력 부스팅 방식. 즉. CW당 파워 프로세싱이며, 따라서, 두 CDM 그룹은 관련성이 적다.

•  OCC 매핑과 주파수 도메인에서 cyclic shift는 최대 전력 랜덤을 두 CDM 그룹에 대해 달성할 수 있다. 그리고 본질적으로, 길이 2 OCC 매핑방식과 하위 호환성이 가능하다.

•  QPSK alphabet

QPSK 알파벳 허용, OCC 시퀀스의 스크램블링 이후 시퀀스 포함은 QPSK 심볼의 구성이다. QPSK 알파벳은 Rel.8 CRS, DRS 그리고 Rel.9 DM-RS 에서 이미 지원됬었으며, 따라서 이는 적절하게 간단한 사양으로 유지된다.

SU-MIMO : 한 UE는 홀로 할당된 RB를 차지한다. 따라서, UE는 전송 Rank로 주어진 모든 전송 레이어를 사용할 수 있으며, CW에서 레이어 매핑과 Intra-CW 매핑을 기반으로,Rank 1, 2 방식이 재사용이 가능하다.

MU-MIMO : MU-MIMO는 동일 주파수 자원이 동일 시간에서 하나의 UE보다 많이 차지하는 경우 제공하는 시스템을 말한다. 결과적으로, eNB는 둘 혹은 더 많은 사용자를 동시에 전송할 수 있고 높은 멀티플렉싱 이득을 달성할 수 있다. 제어 시그널링은 적절한 DM-RS 포트를 사용하여 채널 추정을 수행하는 UE를 보장하는 DM-RS 포트가 할당된 각각의 UE를 위해 필요하다. MU-MIMO는 다음과 같이 허용해야 한다:

-  4 UE보다 많이 공동 스케줄 되지 않는다.

o  참조 공동 스케줄 UE의 사실적인 최대 수를 지정할 필요가 없다.

-  UE당 2레이어와 2 직교 DM RS 포트는 되지 않는다.

-  MU-MIMO 전송에 대한 전체에서 4 레이어 전송보다 많지 않다.

두 대안을 연구할 수 있다:

-  4 직교 DM RS 포트와 1 스크램블링 시퀀스 정의

-  2 직교 DM RS 포트와 2 스크램블링 시퀀스는 Rel-9에서 정의

Transparent vs. Non-transparent MU-MIMO

투명과 비-투명의 차이는 공동 스케줄 UE 존재에 대한 직접적인 추가적 시그널링의 유무이다. 투명 MU-MIMO는 두 가지 특면이 있다. 하나는 다운링크 시그널링에 관련되고 다른 하나는 피드백이다. 다운링크 시그널링 관점에서 비-투명 MU-MIMO 작동은 UE가 다른 공동 스케줄 UE의 존재에 대해 포함하는 정보를 제공하는 경우를 믿게 된다. 이렇게 UE는 공동 스케줄 UE에 대해 알지 못하기에 파일럿 패턴을 알게 된다면 UE는 공동 스케줄 UE의 조내를 블라인드 검출하고 따라서 복잡한 오버헤드 추가 없이 비-투명 MU-MIMO의 장점을 얻을수 있다. 공동 스케줄 UE의 잔여에 대한 정보와 UE는 공동 스케줄 UE로의 스트림에 채널 응답하고 간섭을 완하하기 위해 MMSE와 같은 향상된 수신기를 사용해야 한다.

Rel.9에서, 2 직교 DM-RS 포트와 2 스크램블링 시퀀스가 정의 되었다. 단일 유저 전송에서, 동일한 스크램블링 시퀀스는 두 레이어에 대해 사용된다. 그리고 Walsh 커버 코드 W1=[1, 1] 그리고 W2=[1, -1]이 두 레이어 측면에 대한 직교 코드와 같이 사용 되었다. MU-MIMO 전송에서, 스크램블링 시퀀스는 동일 혹은 다른 유저에 대해 사용 되었고 직교 왈쉬 커버 이후 RE당 스크램블링 시퀀스가 적용된다. 

위 그림에서, MU-MIMO 모드에 대한 3 레이어 전송이 사용된다. 레이어 1과 레이어 2는 동일 스크램블링 시퀀스가 사용되지만, 다른 왈쉬 커버 코드이다. 그리고 레이어 3은 다른 스크램블링 시퀀스가 사용된다. 레이어 1 DM-RS에서 레이어 2로부터의 간섭은 직교 왈쉬 커버 코드에 의해 제거될 수 있다. 하지만 레이어 3으로부터의 간섭은 오직 비-직교 스크램블링 시퀀스에 의해 완화될 수 있다.

위와 같이 Rel.10에서 MU-MIMO에 대해 4 직교 DM-RS포트 1 스크램블링 시퀀스가 사용되며, PRB당 12RE가 사용된다. 호환성을 위하여 증가 복소 4 OCC가 사용되면, Rel.9의 2 직교 DM-RS포트와 2 스크램블링 시퀀스 또한 유지된다. 즉. Rel.9와 Rel.10 UE는 새로운 복소 OCC를 사용하면 rank 2 Rel.9./10이 공동 스케줄 될 수 있다. 

Augmented Length-4 Complex OCC.

s0 = [ +1   +1   +1   +1], s1 = [ +1    -1   +1    -1], s2 = [+1    -j    -1    +j ], s3 = [+1   +j    -1     -j ]

PRB Bundling

PMI/RI 피드백이 구성될때, PRB 번들링이 지원된다. "1 bit DM-RS PRB 번들링 표시"는 PRB 번들링이 적용될때, DCI 포맷에 포함되는 UE-특정 1bit RRC 시그널링에서 지원되고 표시되야 한다. 

PRB 번들링은 적은 지연 확산이나 적은 주파수 선택적 채널에 대해 이득을 제공한다. 적절한 채널 추정 정확도를 위해 추정 단위를 늘리게 되므로 프리코딩 단위를 적용하는 큰 번들링 사이즈가 필요하게 된다. 하지만 PRB 번들링이 여러 연속된 자원 블록에 적용되는 경우, 시스템이 더 많은 스케줄링 및 번들 세분성의 불일치로 인해 추가적인 스케줄링이 발생하고, 결과적으로 구현이 더 복잡해지게 된다. 따라서 적절한 PRB 번들링 사이즈가 적용되야 한다.

PRB 번들링은 UE는 프리코딩의 단위가 멀티플 RB라고 가정할 수 있으며, 여전히 단일 RB 채널을 수행할 수 있다. 

DM-RS 프리코드는 LTE-A에서 다운링크 전송에 대해 적용되었으며, 최소 자원 할당 단위는 다운링크 프리코딩 단위와 관련된 DM-RS는 하나의 PRB에 대해 최적화 되는 것으로 고려된다. 프리코드된 DM-RS의 주파수 도메인 채널 보간(인터폴레이션)은 UE가 동일 프리코더를 다른 PRB에서 사용되는 것을 측정하지 못하기 때문에 다양한 PRB 사이에서 구현되지 못하고 채널 추정 정확도가 상대적으로 낮아지기 때문이다. 

기본적으로 PRB 번들링은 멀티플 PRB에서 프리코드된 채널의 공동 채널 추정을 수행할 수 있는 유연성을 제공한다. 따라서 eNodeB는 멀티플 PRB에서 동일한 다운링크 프리코더를 수행할 수 있다. 결국 PRB 번들링은 다운링크 프리코딩 단위에 밀접하게 관련하게 된다.

Rel.8에서 자원 블록 그룹 (RBG)와 마찬가지로, eNodeB가 타겟 UE에 대해 동일한 다운링크 프리코더를 할당 할때, PRB의 설정과 같은 프리코딩 자원 블록 그룹 (PRG)을 정의 할 수 있다.

PRG는 연속적인 PRB의 PRG 구성, PRG 파티션 시스템 대역폭과 같은 속성을 가진다.

Reference

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R1-103016 SAMSUNG PRB bundling for Rel-10

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R1-103929 Motorola Orthogonal DM-RS Ports and length-4 OCC Design for Transparent MU-MIMO