LTE MIMO中秩（RI）的意義及作用過程

劉磊

【摘要】 LTE系統(tǒng)中，eNodeB根據(jù)UE上報(bào)的信道質(zhì)量指示 （CQI）和秩指示 （RI）信息進(jìn)行下行資源調(diào)度，分配所需的資源塊和MCS，設(shè)定同時(shí)發(fā)送的碼字?jǐn)?shù)目。3GPP中對(duì)于CQI的上報(bào)方式和取值等信息定義比較明確，對(duì)于RI的描述則相對(duì)較少。分析和研究RI的意義、作用方式以及影響因素等內(nèi)容，對(duì)全面理解LTE性能無疑會(huì)有很大幫助，以下予以詳細(xì)論述。

【關(guān)鍵詞】 LTE系統(tǒng) RI 應(yīng)用 限制條件

一、RI的意義

采用Nt個(gè)發(fā)送天線和Nr個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)中，傳輸信道可以采用矩陣進(jìn)行表示，而RI表示MIMO系統(tǒng)中傳輸信道的秩（Rank），它可以看作收發(fā)設(shè)備間傳輸通路上獨(dú)立的并行信道的數(shù)目。

RI信息可以表示發(fā)射端與接收端之間多條傳輸信道之間的相關(guān)性。如果RI為1，則表示多條傳輸通路完全相關(guān)，所傳送的信號(hào)之間很可能會(huì)互相干擾，使得接收端難以準(zhǔn)確接收。如果RI大于1，則表示有多條獨(dú)立不相關(guān)信道，UE可以接收不同通路上的信號(hào)，并根據(jù)預(yù)編碼規(guī)則獨(dú)立或者聯(lián)合解碼，從而增加傳輸可靠性，提高信道容量。

二、秩的自適應(yīng)性

信道的秩為可以理解為同時(shí)支持的相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路，而MIMO實(shí)際傳送所使用的數(shù)據(jù)流數(shù)則稱為層數(shù)。由于不同MIMO信道下數(shù)據(jù)通路之間的正交性不同，因此實(shí)際應(yīng)用中必須考慮數(shù)據(jù)流之間所產(chǎn)生的干擾。采用多個(gè)天線傳送多個(gè)碼字時(shí)，需要根據(jù)空間信道的秩來確定所能同時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)流數(shù)（即層數(shù)），以降低信息之間的干擾，增加接收準(zhǔn)確性，提升信息傳送容量。

發(fā)射分集模式下，采用單碼字進(jìn)行發(fā)送，秩固定為1，層數(shù)與天線端口數(shù)相等?？臻g復(fù)用模式下，信道的秩與層數(shù)相等，秩數(shù)不能超過收發(fā)側(cè)最大天線端口數(shù)。例如4×2系統(tǒng)中，發(fā)射端天線端口數(shù)為4個(gè)，接收端天線端口數(shù)為2個(gè)，則秩和層數(shù)最大只能為2。

3GPP R8規(guī)范中定義的最大天線端口數(shù)為4，意味著層數(shù)的最大值不超過4，因此2個(gè)碼字可以影射到1、2、3和4個(gè)層上進(jìn)行傳送；R9規(guī)范中定義最大天線端口數(shù)為8，則層數(shù)的最大值不超過8， 因此2個(gè)碼字可以影射到1～8個(gè)層上進(jìn)行傳送。

三、RI在下行調(diào)度中的應(yīng)用

UE對(duì)傳輸信道進(jìn)行測(cè)量，確定傳輸信道的秩，并通過RI信息上報(bào)給eNodeB，用以輔助eNodeB進(jìn)行下行調(diào)度工作。同時(shí)，任何傳輸模式下，UE都要上報(bào)CQI，閉環(huán)空間分集模式下，UE還需要發(fā)送預(yù)編碼矩陣索引（PMI）信息。

通常，空間復(fù)用模式下，eNodeB根據(jù)UE上報(bào)的RI數(shù)來決定下行碼字的數(shù)目，從而觸發(fā)模式內(nèi)轉(zhuǎn)換過程。以2x2MIMO系統(tǒng)為例，收發(fā)天線端口數(shù)都是2，則傳輸信道的最大秩（RI）不超過2。開環(huán)空間復(fù)用（TM3）模式下，如果UE上報(bào)的RI為1，則表示信道相關(guān)性強(qiáng)，無法采用雙流傳輸，因此只能使用發(fā)射分集方式，采用單碼字進(jìn)行發(fā)送。如果UE上報(bào)的RI為2，則表示信道相關(guān)性弱，可以采用雙流傳輸，可以使用空間復(fù)用方式，提高系統(tǒng)容量。

四、RI的限制條件

UE上報(bào)的RI表示信道的秩，但是RI的上報(bào)和使用受一些條件的限制。比如，某些條件下，即使信道的相關(guān)度低，UE所測(cè)到的RI為2，但是UE仍然只能上報(bào)1；另外一些條件下，UE上報(bào)的RI為2，但是系統(tǒng)也只能使用1。具體分析如下。

1）UE類別為1時(shí)，UE上報(bào)的RI只能為1。

根據(jù)3GPP規(guī)定，UE類別1所支持的最大層數(shù)為1，也就是UE上報(bào)的RI只能為1，因此eNodeB也只能發(fā)送一個(gè)碼字，這意味著類別1終端只能使用發(fā)射分集，無法使用空間復(fù)用。

2）天線數(shù)小于2時(shí)，UE上報(bào)的RI只能為1。

如果物理天線損壞，導(dǎo)致可用天線數(shù)為1，則意味著發(fā)送端只能采用單天線端口發(fā)送，此時(shí)相當(dāng)于1x1或者1x2 MIMO模式，因此傳輸信道的秩只能為1，UE上報(bào)的RI也只能為1。

3）碼書限制而無法使用RI=2時(shí)，則只能使用RI=1。

對(duì)于MIMO傳輸模式3、4、5和6，系統(tǒng)通過高層參數(shù)codebookSubsetRestriction來限定UE所能使用的碼書。它通過比特位標(biāo)定特定傳輸模式下的預(yù)編碼碼書是否能夠使用。具體規(guī)定如表1所示，其中比特序列用來表示比特位所對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼碼書能否被使用。

以TM3為例，對(duì)于2天線端口，=2，codebook SubsetRestriction共有2比特。對(duì)應(yīng)的碼書為表2中層2碼書的索引0，所對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼為發(fā)射分集。

表1 各種TM下碼書子集限制比特位中比特的數(shù)目N

傳輸模式 Ac比特?cái)?shù)目

2 天線端口 4 天線端口

傳輸模式 3 2 4

傳輸模式4 6 64

傳輸模式5 4 16

傳輸模式6 4 16

表2 天線端口{0，1}下的碼書索引

碼書索引 層數(shù)

1 2

0

1

2

3 -

對(duì)于TM4，2天線端口下=6，codebook SubsetRestriction共有6比特，對(duì)應(yīng)的比特位如表3所示。層數(shù)為1時(shí)，a0、a1、a2和a3分別對(duì)應(yīng)于碼書索引0～3，層數(shù)為2時(shí)，a4和a5分別對(duì)應(yīng)于碼書索引1和2。

表3 比特位與2天線端口碼書索引的對(duì)應(yīng)關(guān)系

碼書索引ic 層數(shù)

1 2

0 a0 -

1 a1 a4

2 a2 a5

3 a3 -

由此可見， TM4模式下采用2天線時(shí)，如果限定code bookSubsetRestriction的比特位4和5，則意味著系統(tǒng)限制使用2層所對(duì)應(yīng)的碼書索引。這種情況下，UE上報(bào)的RI不能為2。

五、總結(jié)

LTE系統(tǒng)中，RI上報(bào)和反饋機(jī)制是實(shí)現(xiàn)MIMO技術(shù)的關(guān)鍵手段之一，對(duì)下行調(diào)度起著非常重要的作用。了解RI的作用機(jī)制以及限制因素，有助于理解下行調(diào)度過程，也有助于LTE性能分析和優(yōu)化工作。