NR MIMO 中CSI 的獲取和報告研究

張曉廣,余文會

(中國人民解放軍31411 部隊,遼寧 沈陽 110000)

1 CSI 和干擾的測量

UE 對于CSI 和干擾的測量是NR 系統(tǒng)中一項關鍵技術,UE 端獲得的信道和干擾的測量可以用于CSI 的反饋以及解調等操作。 信道測量的方法相對容易總結,例如,基于獲取信道狀態(tài)(None Zero Power Channel State Information -Reference Signal,NZP CSI-RS)的CSIRS 資源指示(CSI-RS Resource Indicator,CRI)/預編碼矩陣指示(Precoding Matrix Indicator PMI)/信道質量指示(Channel Quality Indicator,CQI)計算或基于解調參考信號(Demodulation-Reference Signal,DMRS)的數(shù)據/控制解調或基于其他類型的NZP RS 的參考信號接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)/參考信號接收質量(Reference Signal Received Quality,RSRQ)的測量和報告。 干擾測量的情況稍微復雜,不同類型的干擾包括多小區(qū)系統(tǒng)的小區(qū)間干擾、多波束系統(tǒng)的波束間干涉、多用戶傳輸?shù)挠脩糸g干擾、多層傳輸?shù)膶娱g干擾、動態(tài)時分雙工(Time Division Duplex,TDD)的交叉鏈路干擾。 基于不同測量水平的干擾有平均功率的非相干測量、干擾協(xié)方差矩陣的相干測量[1]。

1.1 信道測量

UE 端的信道測量主要用于CSI 報告,包括PMI/CRI 和CQI[2]。 對于PMI/CRI 報告,UE 需要在多個預編碼或者未編碼的CSI-RS 的端口進行測量以確定PMI/CRI。 對于CQI 的報告,UE 需要測量出信道的功率,以此導出CQI。 當多用戶多輸入多輸出(Multi-User Multiple Input Multiple Output, MU-MIMO)應用于下行鏈路傳輸時,UE 進行預編碼的參考信號(Reference Signal ,RS)端口可以用于更準確地測量信道功率。 當UE 用這種端口測量其專用信道時,該端口上的傳輸信號將成為其他UE 的多媒體用戶界面(Multi-User Interference,MUI)。 如果下一代B 節(jié)點(Next Generation Node B,gNB)使用MU 預編碼方案向多個UE 發(fā)送一組RS,則這些UE 可以在這些RS 上一起聯(lián)合測量CSI 和MUI。 因此,具有UE 特定預編碼的RS 端口更適合用于與干擾測量結合的信道測量。

1.2 小區(qū)間干擾和多用戶間干擾的測量

子載波間干擾(Inter-Cell Interference,ICI)是單用戶和MU 下行鏈路傳輸?shù)母蓴_成分之一。 在先進長期演進(Long-Term Evolution-Advanced,LTE-Advanced)系統(tǒng)中,ICI 是UE 側測量的主要干擾成分。 當MU-MIMO被用于下行鏈路傳輸時,會產生MUI,這些MUI 是由相同TRP 或不同TRP 在空間復用層的傳輸信號干擾組成的。 盡管在gNB 中通常使用迫零技術一類的方法來減輕不同用戶之間的干擾,但由于發(fā)射機處的CSI 不完善,MUI 仍然存在[3]。

現(xiàn)在,NR 系統(tǒng)中的MU-MIMO 支持12 個正交DMRS 層,這意味著NR 至少可以支持12 個空間復用層。 MUI 取決于空間復用層的數(shù)量。 隨著空間多路復用層的增加,UE 面臨更復雜的MUI 條件,如果沒有適當?shù)男诺罓顟B(tài)信息發(fā)送端(Channel State Information at the Transmitter,CSIT),則gNB 無法進行準確的預測。在當前的LTE 系統(tǒng)及UE CQI 報告中不考慮MUI,UE報告的CQI 實際上是基于單用戶傳輸假設的。 隨著大規(guī)模MIMO 技術和高階MU-MIMO 在NR 系統(tǒng)中的應用,MUI 將成為影響UE 接收性能的主要干擾源之一。

在研究LTE- Advanced 中的Rel.14 時,研究者提出了基于BS 估計的MUI 測量。 因為gNB 擁有更多的信息來優(yōu)化用戶調度,所以gNB 更容易預測UE 調度結果,進而估計MUI。 與信道測量類似,估計的MUI 也應該使用MU-MIMO 預編碼傳送。 因此,信道和MUI都可以用一組具有MU-MIMO 預編碼的RS 測量。

2 CSI 報告

下行信道狀態(tài)信息(Down Link Channel State Information ,DL CSI)測量在UE 側執(zhí)行,并且該信息應當被報告給TRP 并用于調度或波束管理。 NR 支持非周期性、半持續(xù)性和定期的CSI 報告。 UE CSI 反饋中有多個組件。 對于下行鏈路波束成形,波束/預編碼器應該在頻分雙工(Frequency Division Duplex,FDD)模式下從UE 向TRP 隱式地或顯式地報告,或者在TDD 模式下利用信道互易性來獲得。

CSI 支持兩種類型的空間信息反饋報告,分為I 型反饋和Ⅱ型反饋。 類型I 反饋是具有正?？臻g分辨率的基于碼本的PMI 反饋。 PMI 碼本包括至少兩個階段,即W = W1W2,其中W1碼本包括波束組/矢量。 類型I 反饋報告資源選擇指示符、秩指示符、預編碼矩陣指示符和信道質量。 類型Ⅱ反饋是I 類的增強版本,并且是具有較高空間分辨率的顯式反饋和/或基于碼本的反饋。 類型Ⅱ的反饋可以基于線性組合碼本,量化/壓縮協(xié)方差矩陣反饋或混合CSI 反饋的預編碼器反饋。 對于類型Ⅰ和Ⅱ,支持每個子帶的CSI 反饋以及部分頻帶和/或寬帶反饋。 對于I 型和Ⅱ型,還包括與波束相關的反饋。

基于一組CSI-RS 端口進行測量的所有CSI 都應該支持類型Ⅰ和類型Ⅱ CSI 反饋的目標場景。 預編碼矩陣或信道矩陣的量化版本以及信道質量信息通過類型Ⅰ和類型Ⅱ CSI 被反饋給gNB。 從DL RS 的角度來看,需要發(fā)送大量的CSI-RS 來支持全部的CSI-RS 端口,這可能會導致較大的DL 開銷。 從接收機的角度考慮,這也可能導致非常高的UE 處理復雜度和極大的反饋開銷。

解決這個問題的一個方法是引入混合CSI 機制?；旌螦 類(基于非預編碼的CSI-RS)CSI 和B 類(基于波束形成的基于CSI-RS)CSI,其中非預編碼的CSI-RS能夠以長周期性發(fā)送,并且將波束形成的CSI-RS 以短周期性發(fā)送。

另一方面, 速率限制子集(Codebook Subset Restriction ,CSR)是從LTE 中引入的,它限制了CSI 報告的方向。 LTE CSR 的功能包括RI 限制和PMI 限制,這使得控制來自UE 的PMI 具有足夠的靈活性。 NR中CSI 的內容與LTE 基本相似,NR 同樣支持RI 和PMI 等CSI 組件。 為了使NR 系統(tǒng)同樣能夠利用CSR,其需要支持RI 和PMI 限制。

3 基于信道互易的CSI 獲取

基于信道的互易性,gNB 可以利用上行鏈路的探測參考信號(Sounding Reference Signal,SRS),從上行鏈路信道估計中獲取下行鏈路信道的信道狀態(tài)信息,并以此輔助下行鏈路的相關調度。 為了實現(xiàn)下行鏈路信道相關調度,通信網絡需要知道信道信息和干擾信息。 信道信息可以通過適當?shù)幕ヒ仔孕蕪纳闲墟溌沸诺拦烙嬛蝎@得,干擾信息可以通過UE 在UL 信道中明確地報告或者經由UL 參考信號隱含地傳送。

3.1 全信道互易的CSI 獲取

3.1.1 干擾反饋

對于顯示的干擾反饋,UE 可能需要向gNB 報告干擾協(xié)方差矩陣或干擾協(xié)方差矩陣的對角元素。 當相鄰的小區(qū)使用子帶調度和預編碼時,整個系統(tǒng)帶寬上的干擾協(xié)方差矩陣是極不相同的,這時需要每個子帶向gNB 報告干擾協(xié)方差矩陣或其對角元素。 根據其協(xié)方差矩陣的維度和秩對其進行矢量量化或標量量化達到壓縮子帶干擾協(xié)方差矩陣的目的。 這里就需要考慮量化分辨率與DL 性能優(yōu)勢之間存在折中,較低量化分辨率的干擾協(xié)方差反饋可能不會改善DL 的性能,高量化分辨率的干擾協(xié)方差反饋可能導致反饋開銷的增加[5-7]。

對于隱式的干擾反饋,將干擾信息嵌入UL SRS。UE 使用干擾預白化矩陣作為SRS 預編碼矩陣。 因此gNB 可以直接從UL 探測獲得白化的DL 信道,而不需要任何顯式的干擾反饋。 白化的SRS 可以提供與顯式干擾協(xié)方差矩陣反饋幾乎相同的性能。

3.1.2 無PMI 的CSI 報告

對于全信道互易,gNB 可以基于UL 信道估計導出DL 預編碼矩陣。 但是,由于gNB 不知道UE 接收機處理能力,純粹地基于信道信息和干擾信息,gNB 不能可靠地確定用于每個PDSCH 指派的調制與編碼方案(Modulation Coding Scheme,MCS)。 因此,UE 仍然需要根據一些CSI-RS 向gNB 上報CQI 和RI。

如果配置了用于CQI/RI 測量的多個CSI-RS 端口,那么UE 需要假設一個將數(shù)據層映射到CSI-RS 端口的預編碼矩陣,CQI/RI 取決于假定的預編碼。 當gNB 從UE 接收到CQI/RI 報告時,gNB 需要知道用于導出CQI/RI 的預編碼假設。 如果gNB 使用與用于CQI/RI 計算的預編碼矩陣不同的預編碼矩陣,則gNB將會基于預編碼假設的知識進一步覆蓋所報告的CQI/RI。 為了保證UE 端與gNB 端的預編碼矩陣一致,可以采取以下2 種方法。

(1)碼本子集限制。

gNB 可以限制UE 假定用于CQI/RI 計算的PMI。由于受限的PMI 是由gNB 配置的,所以gNB 知道為CQI/RI 測量假設的預編碼矩陣。 gNB 可以通過量化從UL 信道估計導出的預編碼矩陣來進一步得出PMI。因此,可以控制由于預編碼造成的CQI 不匹配。 但是,這種方式存在一些缺點。 首先,碼本子集限制需要在子帶基礎上進行配置。 其次,由于小區(qū)間干擾、MU 配對、業(yè)務狀態(tài)等的快速變化,預編碼矩陣可能在時隙之間發(fā)生變化。

(2)假設一個簡單的預編碼矩陣。

例如單位陣,這個單位陣可以與預調用的CSI-RS聯(lián)合使用。 當信道是互易的時候,gNB 可以根據UL 探測預調用一組UE。 預調度包括MU 配對和MU 預編碼。 gNB 可以使用其自己的預編碼矩陣來為每個UE發(fā)送由非周期性波束形成的CSI-RS。 UE 可以通過在波束形成的CSI-RS 端口上應用單位矩陣來導出CQI。由于單位矩陣用于CQI 計算,所以CQI 與在預調度階段期間獲得的預編碼矩陣等效地導出。 這意味著在CSI-RS 端口和數(shù)據層之間有一對一的映射。 因此,gNB 知道與CQI 相關的精確的預編碼矩陣。 利用這樣的方案,UE 可以在沒有任何預編碼失配的情況下向gNB 報告CQI,同時也不需要發(fā)送任何子帶預編碼假設的信號。

3.2 部分信道互易的CSI 獲取

在現(xiàn)實世界中,一些UE 可能具有不對稱的發(fā)送(Transmit,TX)/ 接收(Reception,RX)鏈,即UE 可能具有NRX個接收天線,但是只有NTX個發(fā)射天線,其中NTX＜NRX。 例如,UE 可以具有4 個RX 鏈,但是只有2 個TX鏈。 在UL 中,UE 只能從4 個天線中的2 個天線發(fā)送2 端口SRS。 在DL 中,如果gNB 配備的天線不少于4個,則UE 可以支持秩為4 的傳輸矩陣的傳輸。 然而,在基于互易的DL 傳輸?shù)那闆r下,gNB 依靠UL 信道估計來確定DL 預編碼矩陣。 由于UE 端TX 鏈的數(shù)量有限,gNB 只能觀測到具有2 個接收天線接收到的部分DL 信道。 由于互惠性導致缺乏完整的信道信息阻止了gNB 向UE 發(fā)送2 個以上的天線層的信號。 下面介紹幾個CSI 采集方案來處理UE 側的TX/RX 不對稱性。

3.2.1 非PMI 反饋

這個方案中,只有部分DL 信道可以由gNB 通過UL 探測獲取。 gNB 無法準確地獲得秩高于NTX的DL預編碼矩陣。 盡管gNB 可以為其導出偽預編碼矩陣,但與具有對稱TX/RX 的系統(tǒng)相比,性能的下降很明顯。

3.2.2 部分CSI 反饋

這個方案里,整個DL 信道在gNB 處可以由兩個半信道“重構”:gNB 與通過UL 探測獲得地連接到TX 鏈的UE 天線之間的前半信道以及UE 報告的gNB 與僅接收的UE 天線之間的后半信道。 為了進行DL 信道估計,gNB 需要發(fā)送CSI-RS,并且UE 需要執(zhí)行DL 信道估計和CSI 計算/量化。 額外的UL 資源需要被用來傳達部分CSI 反饋。 值得注意的是,本方案中每個信道的CSI 質量可能不同。

3.2.3 具有包括CQI,RI 和PMI 的非預編碼/波束形成的CSI-RS 的CSI 反饋

無論信道是不是互惠的,方案3 都適用。 類似于方案2,gNB 發(fā)送CSI-RS 以輔助DL 信道估計,同時UE報告CSI。 與方案2 相比,本方案中整個DL 信道被考慮用于CSI 反饋。 所以,CSI 可以反映完整的DL 信道狀態(tài)。

3.2.4 SRS 切換

方案4 為獲得具有非對稱TX/RX 的UE 的全部UL 信道提供了簡單的解決方案。 UE 可以被配置為通過引入一個或多個射頻(Radio Frequency ,RF)開關以時分復用(Time-Division Multiplexing ,TDM)方式從不同的天線進行探測。 TX 切換SRS 傳輸對于具有不對稱TX/RX 鏈的UE 可能是有用的,但是與此特征相關的影響仍有待研究。

4 結語

本文主要討論了現(xiàn)階段NR 系統(tǒng)中CSI 的獲取與反饋所面臨的問題并提出可行的解決方案。 通信鏈路中的干擾是多形態(tài)的,UE 端CSI 的獲取有助于對抗信號傳輸中的干擾和衰減。 NR 系統(tǒng)在更高的頻段工作,通信中的波束成形與反饋更是基于及時的CSI 作出適當?shù)恼{整,達到最佳的鏈路自適應狀態(tài)。 目前NR 的標準仍在繼續(xù)討論中,更優(yōu)的CSI 的獲取和反饋的方式也將最終確定。