NR MIMO 中CSI 的获取和报告研究

张晓广,余文会

(中国人民解放军31411 部队,辽宁 沈阳 110000)

1 CSI 和干扰的测量

UE 对于CSI 和干扰的测量是NR 系统中一项关键技术,UE 端获得的信道和干扰的测量可以用于CSI 的反馈以及解调等操作。 信道测量的方法相对容易总结,例如,基于获取信道状态(None Zero Power Channel State Information -Reference Signal,NZP CSI-RS)的CSIRS 资源指示(CSI-RS Resource Indicator,CRI)/预编码矩阵指示(Precoding Matrix Indicator PMI)/信道质量指示(Channel Quality Indicator,CQI)计算或基于解调参考信号(Demodulation-Reference Signal,DMRS)的数据/控制解调或基于其他类型的NZP RS 的参考信号接收功率(Reference Signal Received Power,RSRP)/参考信号接收质量(Reference Signal Received Quality,RSRQ)的测量和报告。 干扰测量的情况稍微复杂,不同类型的干扰包括多小区系统的小区间干扰、多波束系统的波束间干涉、多用户传输的用户间干扰、多层传输的层间干扰、动态时分双工(Time Division Duplex,TDD)的交叉链路干扰。 基于不同测量水平的干扰有平均功率的非相干测量、干扰协方差矩阵的相干测量[1]。

1.1 信道测量

UE 端的信道测量主要用于CSI 报告,包括PMI/CRI 和CQI[2]。 对于PMI/CRI 报告,UE 需要在多个预编码或者未编码的CSI-RS 的端口进行测量以确定PMI/CRI。 对于CQI 的报告,UE 需要测量出信道的功率,以此导出CQI。 当多用户多输入多输出(Multi-User Multiple Input Multiple Output, MU-MIMO)应用于下行链路传输时,UE 进行预编码的参考信号(Reference Signal ,RS)端口可以用于更准确地测量信道功率。 当UE 用这种端口测量其专用信道时,该端口上的传输信号将成为其他UE 的多媒体用户界面(Multi-User Interference,MUI)。 如果下一代B 节点(Next Generation Node B,gNB)使用MU 预编码方案向多个UE 发送一组RS,则这些UE 可以在这些RS 上一起联合测量CSI 和MUI。 因此,具有UE 特定预编码的RS 端口更适合用于与干扰测量结合的信道测量。

1.2 小区间干扰和多用户间干扰的测量

子载波间干扰(Inter-Cell Interference,ICI)是单用户和MU 下行链路传输的干扰成分之一。 在先进长期演进(Long-Term Evolution-Advanced,LTE-Advanced)系统中,ICI 是UE 侧测量的主要干扰成分。 当MU-MIMO被用于下行链路传输时,会产生MUI,这些MUI 是由相同TRP 或不同TRP 在空间复用层的传输信号干扰组成的。 尽管在gNB 中通常使用迫零技术一类的方法来减轻不同用户之间的干扰,但由于发射机处的CSI 不完善,MUI 仍然存在[3]。

现在,NR 系统中的MU-MIMO 支持12 个正交DMRS 层,这意味着NR 至少可以支持12 个空间复用层。 MUI 取决于空间复用层的数量。 随着空间多路复用层的增加,UE 面临更复杂的MUI 条件,如果没有适当的信道状态信息发送端(Channel State Information at the Transmitter,CSIT),则gNB 无法进行准确的预测。在当前的LTE 系统及UE CQI 报告中不考虑MUI,UE报告的CQI 实际上是基于单用户传输假设的。 随着大规模MIMO 技术和高阶MU-MIMO 在NR 系统中的应用,MUI 将成为影响UE 接收性能的主要干扰源之一。

在研究LTE- Advanced 中的Rel.14 时,研究者提出了基于BS 估计的MUI 测量。 因为gNB 拥有更多的信息来优化用户调度,所以gNB 更容易预测UE 调度结果,进而估计MUI。 与信道测量类似,估计的MUI 也应该使用MU-MIMO 预编码传送。 因此,信道和MUI都可以用一组具有MU-MIMO 预编码的RS 测量。

2 CSI 报告

下行信道状态信息(Down Link Channel State Information ,DL CSI)测量在UE 侧执行,并且该信息应当被报告给TRP 并用于调度或波束管理。 NR 支持非周期性、半持续性和定期的CSI 报告。 UE CSI 反馈中有多个组件。 对于下行链路波束成形,波束/预编码器应该在频分双工(Frequency Division Duplex,FDD)模式下从UE 向TRP 隐式地或显式地报告,或者在TDD 模式下利用信道互易性来获得。

CSI 支持两种类型的空间信息反馈报告,分为I 型反馈和Ⅱ型反馈。 类型I 反馈是具有正常空间分辨率的基于码本的PMI 反馈。 PMI 码本包括至少两个阶段,即W = W1W2,其中W1码本包括波束组/矢量。 类型I 反馈报告资源选择指示符、秩指示符、预编码矩阵指示符和信道质量。 类型Ⅱ反馈是I 类的增强版本,并且是具有较高空间分辨率的显式反馈和/或基于码本的反馈。 类型Ⅱ的反馈可以基于线性组合码本,量化/压缩协方差矩阵反馈或混合CSI 反馈的预编码器反馈。 对于类型Ⅰ和Ⅱ,支持每个子带的CSI 反馈以及部分频带和/或宽带反馈。 对于I 型和Ⅱ型,还包括与波束相关的反馈。

基于一组CSI-RS 端口进行测量的所有CSI 都应该支持类型Ⅰ和类型Ⅱ CSI 反馈的目标场景。 预编码矩阵或信道矩阵的量化版本以及信道质量信息通过类型Ⅰ和类型Ⅱ CSI 被反馈给gNB。 从DL RS 的角度来看,需要发送大量的CSI-RS 来支持全部的CSI-RS 端口,这可能会导致较大的DL 开销。 从接收机的角度考虑,这也可能导致非常高的UE 处理复杂度和极大的反馈开销。

解决这个问题的一个方法是引入混合CSI 机制。混合A 类(基于非预编码的CSI-RS)CSI 和B 类(基于波束形成的基于CSI-RS)CSI,其中非预编码的CSI-RS能够以长周期性发送,并且将波束形成的CSI-RS 以短周期性发送。

另一方面, 速率限制子集(Codebook Subset Restriction ,CSR)是从LTE 中引入的,它限制了CSI 报告的方向。 LTE CSR 的功能包括RI 限制和PMI 限制,这使得控制来自UE 的PMI 具有足够的灵活性。 NR中CSI 的内容与LTE 基本相似,NR 同样支持RI 和PMI 等CSI 组件。 为了使NR 系统同样能够利用CSR,其需要支持RI 和PMI 限制。

3 基于信道互易的CSI 获取

基于信道的互易性,gNB 可以利用上行链路的探测参考信号(Sounding Reference Signal,SRS),从上行链路信道估计中获取下行链路信道的信道状态信息,并以此辅助下行链路的相关调度。 为了实现下行链路信道相关调度,通信网络需要知道信道信息和干扰信息。 信道信息可以通过适当的互易性校准从上行链路信道估计中获得,干扰信息可以通过UE 在UL 信道中明确地报告或者经由UL 参考信号隐含地传送。

3.1 全信道互易的CSI 获取

3.1.1 干扰反馈

对于显示的干扰反馈,UE 可能需要向gNB 报告干扰协方差矩阵或干扰协方差矩阵的对角元素。 当相邻的小区使用子带调度和预编码时,整个系统带宽上的干扰协方差矩阵是极不相同的,这时需要每个子带向gNB 报告干扰协方差矩阵或其对角元素。 根据其协方差矩阵的维度和秩对其进行矢量量化或标量量化达到压缩子带干扰协方差矩阵的目的。 这里就需要考虑量化分辨率与DL 性能优势之间存在折中,较低量化分辨率的干扰协方差反馈可能不会改善DL 的性能,高量化分辨率的干扰协方差反馈可能导致反馈开销的增加[5-7]。

对于隐式的干扰反馈,将干扰信息嵌入UL SRS。UE 使用干扰预白化矩阵作为SRS 预编码矩阵。 因此gNB 可以直接从UL 探测获得白化的DL 信道,而不需要任何显式的干扰反馈。 白化的SRS 可以提供与显式干扰协方差矩阵反馈几乎相同的性能。

3.1.2 无PMI 的CSI 报告

对于全信道互易,gNB 可以基于UL 信道估计导出DL 预编码矩阵。 但是,由于gNB 不知道UE 接收机处理能力,纯粹地基于信道信息和干扰信息,gNB 不能可靠地确定用于每个PDSCH 指派的调制与编码方案(Modulation Coding Scheme,MCS)。 因此,UE 仍然需要根据一些CSI-RS 向gNB 上报CQI 和RI。

如果配置了用于CQI/RI 测量的多个CSI-RS 端口,那么UE 需要假设一个将数据层映射到CSI-RS 端口的预编码矩阵,CQI/RI 取决于假定的预编码。 当gNB 从UE 接收到CQI/RI 报告时,gNB 需要知道用于导出CQI/RI 的预编码假设。 如果gNB 使用与用于CQI/RI 计算的预编码矩阵不同的预编码矩阵,则gNB将会基于预编码假设的知识进一步覆盖所报告的CQI/RI。 为了保证UE 端与gNB 端的预编码矩阵一致,可以采取以下2 种方法。

(1)码本子集限制。

gNB 可以限制UE 假定用于CQI/RI 计算的PMI。由于受限的PMI 是由gNB 配置的,所以gNB 知道为CQI/RI 测量假设的预编码矩阵。 gNB 可以通过量化从UL 信道估计导出的预编码矩阵来进一步得出PMI。因此,可以控制由于预编码造成的CQI 不匹配。 但是,这种方式存在一些缺点。 首先,码本子集限制需要在子带基础上进行配置。 其次,由于小区间干扰、MU 配对、业务状态等的快速变化,预编码矩阵可能在时隙之间发生变化。

(2)假设一个简单的预编码矩阵。

例如单位阵,这个单位阵可以与预调用的CSI-RS联合使用。 当信道是互易的时候,gNB 可以根据UL 探测预调用一组UE。 预调度包括MU 配对和MU 预编码。 gNB 可以使用其自己的预编码矩阵来为每个UE发送由非周期性波束形成的CSI-RS。 UE 可以通过在波束形成的CSI-RS 端口上应用单位矩阵来导出CQI。由于单位矩阵用于CQI 计算,所以CQI 与在预调度阶段期间获得的预编码矩阵等效地导出。 这意味着在CSI-RS 端口和数据层之间有一对一的映射。 因此,gNB 知道与CQI 相关的精确的预编码矩阵。 利用这样的方案,UE 可以在没有任何预编码失配的情况下向gNB 报告CQI,同时也不需要发送任何子带预编码假设的信号。

3.2 部分信道互易的CSI 获取

在现实世界中,一些UE 可能具有不对称的发送(Transmit,TX)/ 接收(Reception,RX)链,即UE 可能具有NRX个接收天线,但是只有NTX个发射天线,其中NTX＜NRX。 例如,UE 可以具有4 个RX 链,但是只有2 个TX链。 在UL 中,UE 只能从4 个天线中的2 个天线发送2 端口SRS。 在DL 中,如果gNB 配备的天线不少于4个,则UE 可以支持秩为4 的传输矩阵的传输。 然而,在基于互易的DL 传输的情况下,gNB 依靠UL 信道估计来确定DL 预编码矩阵。 由于UE 端TX 链的数量有限,gNB 只能观测到具有2 个接收天线接收到的部分DL 信道。 由于互惠性导致缺乏完整的信道信息阻止了gNB 向UE 发送2 个以上的天线层的信号。 下面介绍几个CSI 采集方案来处理UE 侧的TX/RX 不对称性。

3.2.1 非PMI 反馈

这个方案中,只有部分DL 信道可以由gNB 通过UL 探测获取。 gNB 无法准确地获得秩高于NTX的DL预编码矩阵。 尽管gNB 可以为其导出伪预编码矩阵,但与具有对称TX/RX 的系统相比,性能的下降很明显。

3.2.2 部分CSI 反馈

这个方案里,整个DL 信道在gNB 处可以由两个半信道“重构”:gNB 与通过UL 探测获得地连接到TX 链的UE 天线之间的前半信道以及UE 报告的gNB 与仅接收的UE 天线之间的后半信道。 为了进行DL 信道估计,gNB 需要发送CSI-RS,并且UE 需要执行DL 信道估计和CSI 计算/量化。 额外的UL 资源需要被用来传达部分CSI 反馈。 值得注意的是,本方案中每个信道的CSI 质量可能不同。

3.2.3 具有包括CQI,RI 和PMI 的非预编码/波束形成的CSI-RS 的CSI 反馈

无论信道是不是互惠的,方案3 都适用。 类似于方案2,gNB 发送CSI-RS 以辅助DL 信道估计,同时UE报告CSI。 与方案2 相比,本方案中整个DL 信道被考虑用于CSI 反馈。 所以,CSI 可以反映完整的DL 信道状态。

3.2.4 SRS 切换

方案4 为获得具有非对称TX/RX 的UE 的全部UL 信道提供了简单的解决方案。 UE 可以被配置为通过引入一个或多个射频(Radio Frequency ,RF)开关以时分复用(Time-Division Multiplexing ,TDM)方式从不同的天线进行探测。 TX 切换SRS 传输对于具有不对称TX/RX 链的UE 可能是有用的,但是与此特征相关的影响仍有待研究。

4 结语

本文主要讨论了现阶段NR 系统中CSI 的获取与反馈所面临的问题并提出可行的解决方案。 通信链路中的干扰是多形态的,UE 端CSI 的获取有助于对抗信号传输中的干扰和衰减。 NR 系统在更高的频段工作,通信中的波束成形与反馈更是基于及时的CSI 作出适当的调整,达到最佳的链路自适应状态。 目前NR 的标准仍在继续讨论中,更优的CSI 的获取和反馈的方式也将最终确定。