一種新的UE 非周期性上報CSI 方案*

潘 濤，汪毅峰

（上海諾基亞貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210037）

0 引言

在無線通信領域，信道狀態信息（Channel State Information，CSI）就是通信鏈路的信道屬性。CSI 描述了信號在每條傳輸路徑上的衰弱因子，即信道增益矩陣H中每個元素的值，如信號散射（scattering）、環境衰弱（fading，multipath fading或者shadowing fading）、距離衰減（power decay of distance）等信息。

CSI 是一個用戶設備（User Equipment，UE）上報的集合，包括信道質量指示（Channel Quality Indicator，CQI），預編碼矩陣指示（Precoding Matrix Indicator，PMI），預編碼類型指示（Precoding Type Indicator，PTI），秩指示（Rank Indicator，RI）。其中CQI 是終端向基反饋的無線信道的質量。UE 根據參考信號的信道估計并結合自身的解碼能力，即控制誤塊率（Block Error Rate，BLER）在一定范圍內，向eNB 上報CQI，用于下行調度調制與編碼策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）的選擇[1,2]。

CSI 可以使通信系統適應當前的信道條件，在多天線系統中為高可靠性高速率的通信提供了保障。CSI 有周期性和非周期性兩種類型。

UE 中的頻率合成一般都采用鎖相環（Phase-Locked Loop，PLL）頻率合成器，由于UE PLL 產生的時鐘造成泄漏，會造成對特定的子載波或子載波的干擾信號，從而降低UE 解碼性能。為了控制解碼BLER，UE 只能報告較低的CQI 值，eNB 根據上報的CQI 值選擇較低的MCS，從而導致下行信道整體吞吐量下降。

為了解決這個問題，本文提出了一種新的在CSI 消息中增加數據字段的上報方法，并通過仿真比較分析該方法的優點。

1 問題分析

UE 使用CQI 來告訴演進型基站（Envolved NodeB，eNB）的調度器自己看到的下行信道質量信息。如果使用了多進多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）傳輸，CQI 會包含所需的MIMO 相關的反饋[3,4]。

CQI 是在使用建議的RI 和預編碼矩陣指示（Precoding Matrix Indicator，PMI），且物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）傳輸的BLER 最高為10%的情況下，使用的最高MCS。CQI 的測量需要將信號與干擾噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）以及UE 的接收機的能力考慮在內。在特定條件下，每次取1～15 中的一個CQI 值，在對應的調制方式和碼率下，調整信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）值，使其達到可接受的10% BLER，則該SNR 值就對應所選的CQI 值。

eNB 在選擇MCS，即選擇調制階數（modulation order）和傳輸塊（Transport Block，TB）大小STB時，會保證對應的碼率盡可能地接近CQI 索引（index）指示的碼率。如果有多個調制階數和STB的組合對應的碼率同樣接近CQI index 指示的碼率，那么eNB 會選擇STB最小的那個組合。

CSI 上報分為非周期性CSI 上報（Aperiodic CSI Reporting） 和周期性CSI 上報（Periodic CSI Reporting）兩種。

簡言之，UE 使用物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）以非周期方式報告CSI，并使用上行物理控制信道（Phsical Uplink Control Channel，PUCCH）或PUSCH 進行周期報告。具體來說，UE 應在沒有PUSCH 分配的子幀中在PUCCH 上發送周期性CQI、PMI 或RI 報告，而UE應在具有PUSCH 分配的子幀中在PUSCH 上發送下文定義的周期性CQI、PMI 或RI 報告，其中UE應在PUSCH 上使用相同的基于PUCCH 的周期性CQI、PMI 或RI 報告格式。如果周期性和非周期性CSI 報告將發生在同一子幀中，則UE 應僅在該子幀中發送非周期性CSI 報告，并且UE 應在PUSCH上發送非周期CQI、PMI 和RI 報告。對于非周期CQI 報告，僅當配置的CQI、PMI、RI 反饋類型支持RI 報告時，才會傳輸RI 報告。

周期性CSI 上報和非周期性CSI 上報，均提供了下行信道質量的估計，但二者在上報內容的詳細程度和使用上有很大區別。由于非周期性CSI 上報在PUSCH 上傳輸，而且PUSCH 比PUCCH 能夠承載更多的內容，因此非周期性CSI 上報的內容比起PUCCH 上傳輸的周期性CSI 上報來說更加詳細，也就更大。同時非周期性CSI 上報是有需要時才傳輸的，其開銷并不是一個大問題。最后，eNB 請求UE 上報一個非周期性CSI 報告時，很可能需要發送大量的數據，而周期性CSI 上報是不管UE 是否會在不久的將來被調度都會被發送的，因此，非周期性CSI 上報的開銷也是可接受的。

從eNB 的角度來看，只有當小區有下行數據需要發送時（此時才會關心下行信道的相關信息），才會要求UE 發送非周期性CSI 上報。UE 上報的CSI 是建議信息，eNB 可以使用CSI 信息或者重新選擇自己的傳輸參數。eNB通過下行控制指示（Downlink Contol Indicator，DCI）將當前傳輸的真正使用的MCS、層數和預編碼矩陣等信息告知UE。

eNB 根據CSI 等信息，通過MCS 索引值實現速率的配置。MCS 將所關注的影響通信速率的因素作為表的列，將MCS 索引作為行，形成一張速率表。所以，每一個MCS 索引其實對應了一組參數下的物理傳輸速率。

在任何手機射頻電路當中，都有一個很重要的組成部分，那就是頻率合成器。手機中的頻率合成一般都采用鎖相環頻率合成器，用它來構成接收一、二本振電路及發射本振電路。鎖相環起的作用是確保手機壓控振蕩器的輸出頻率與基準參考頻率始終保持一致。

PLL 的組成模塊中可以包含不同數量的模擬電路和數字電路，甚至可以是全數字電路。但不論一個PLL 是由模擬電路或是數字電路組成，它所實現的功能都是模擬的，即產生一個與參考時鐘頻率相同的時鐘信號并使其相位與參考時鐘對齊。但就像其他的模擬模塊一樣，PLL 中的模塊也很容易受噪聲等模擬因素的影響[5,6]。

在真實的通信場景下，UE PLL 產生的時鐘造成的泄露很難避免，通常會導致某個乘數（n*clk,m*clk）經過混頻器混頻后可能正好落在帶通內，即多個干擾信號，形成一個雜散落入基帶，造成特定的子載波或子載波的干擾信號，從而降低UE 解碼性能，如圖1 所示。UE 會報告較低的CQI 值，eNB 根據上報的CQI 值選擇較低的MCS，從而導致下行信道整體吞吐量下降。雖然這些泄露的信息對eNB 是未知的，但對于UE 本身是已知的。

圖1 UE 接收通道

2 改進方案

為了解決這個問題，本文提出了一種新的方案，在CSI 消息中增加數據字段，以便在UE 側更準確地上報下行信道特性。

CSI 是UE 上報給eNB 的信道狀態信息，由CQI、PMI、PTI 和RI 組成，其占用的時間和頻率資源由eNB 控制。由于泄漏信息雖然對于eNB 是未知的，但對于UE 本身是已知的，因此在CSI 報告中添加新數據字段，命名為沉默資源顆粒請求（Mute RE Request，MRR），數據字段與CQI、RI、PTI、PMI 邏輯并行，以便eNB 也知道它，從而更好地進行資源映射。

新增的數據域MRR 只適用于非周期CSI 報告上，因為非周期CSI 報告是在PUSCH 信道上傳輸的，所以上報的有效載荷只要能更準確地反映UE 解調下行數據的能力，那么是可以接受的。而對于周期性CSI，由于本身資源較少，不利于增加資源且現實應用中也無必要，因此不在本文方案的考慮范圍內。

新的數據字段MRR 報告分為3 個部分，用UE特定的無線網絡臨時標識（Radio Network Temporary Identifier，RNTI）加擾。

（1）第一部分：表示受泄漏影響的下行物理資源快（Physical Resouce Block，PRB）數量，新無線（New Radio，NR）中PRB 最大數量為273，長期演進（Long Term Evolution，LTE）中PRB 最大數量為100，所以可以用9 bit 表示，范圍[0～272]。

（2）第二部分：根據第一部分的索引個數，使用輪次上報，每次非周期上報的機會中，影響的PRB 只上報一個，同樣需要9 bit 表示這個信息。

（3）第三部分：不考慮子載波間隔，每個PRB 都有12 個子載波，所以這部分需要12 bit 的信息來表征具體受影響的子載波。

根據以上三部分內容，舉例如下：

例如，MRR 30 bits info 解碼為：

0000 0010 0000 0100 0001 0000 1000 00

其中從左向右：

1～9 位0000 0010 0 表示總共有4 個PRB 受到了影響。

10～17 位000 0100 00 表示小區帶寬從低到高的#16 PRB 受到影響。

18～30 位01 0000 1000 00 表示 PRB #16 的從低到高的 #11 和 #6 子載波受到影響。

另外，所有受影響的子載波報告信息都通過4個非周期性報告機會完成。

本方法中添加MMR 數據字段，UE 選擇報告全小區帶寬PRB 數量受影響的子載波而不是部分帶寬（Bandwidth Part，BWP）對應的子載波，原因有：

（1）不需要根據檢測到的DCI 動態更新MMR字段信息和結構，雖然這需要幾個額外的比特，但降低了系統的復雜度。

（2）eNB 記錄不同UE 上報的信息，下行（DL）調度器可以利用這些信息對不同的UE 進行頻率選擇調度。

CSI 報告新方法實施流程如圖2 所示。

圖2 CSI 報告新方法實施流程

具體的步驟說明如下：

第1 步：新的SIB2 消息通知小區內的所有UE，eNB 支持新的CQI 上報方式，增加的字段“New CQI reporting support”可以放在pusch-ConfigBasic數據字段中。

第2 步：UE 準備接入，在MSG3 消息中增加1個比特，表示UE 支持/不支持新的CQI 上報方式。

第3 步：在Attach complete Msg 之后，eNB 正在通過RRC Reconfiguration 消息中的CQI-Report Aperiodic 數據字段指定Aperiodic CSI 報告模式。

第4 步：eNB 通過DCI 格式0/4 觸發UE 進行非周期性CSI 實時報告。

第5 步：如果UE 支持新方法上報，則UE 上報新的CQI 信息。

對于載波聚合，Scell 同樣也需要上報新的CQI信息。

假定PRB 的數量NPRB為100，5 個子載波受到干擾污染，BLER 的值為0，1 天線下行PDSCH 情況下：

UE 正常上報CQI=6，根據業內算法平均水平得出MCS 索引IMCS=12，查表1[7]（部分摘自3GPP 36.212標準中的表7.1.7.1-1），得ITBS=11，再根據表2[7]（部分摘自3GPP TS 36.212 中的表格7.1.7.2.1-1），查出對應的STB=19 848。

表1 MCS 索引IMCS 和TBS 索引ITBS 的對應關系

表2 傳輸塊大小

在使用新方法增加MMR 字段后，根據業內UE廠商平均解碼水平，預估UE 上報CQI=7，根據業內算法平均水平得出IMCS=14，查表1，得ITBS=13，再根據表2 查出對應的STB=25 456。再減去無法承載數據的5 個RE 的STB（QPSK 模式下，承載數據信息為2 bit，編碼率約為0.9，計算出無法承載數據的bit 為5*2*0.9=9），最終估算使用新方法后STB=25 456-9=25 447。

用同樣的方法，相同條件下，估算2 天線在使用新方法前STB=45 352，使用新方法后STB=51 006，估算4 天線在使用新方法前STB=90 816，使用新方法后STB=101 804。

仿真結果如圖3，結果近似于估算結果。

圖3 使用MMR 前后1 天線、2 天線、4 天線TB size 對比

3 結語

為了解決UE PLL 產生的時鐘泄漏，導致UE上報較低CQI，從而降低了系統下行信道吞吐量的問題，本文提出了一種新的UE 非周期性上報CSI方案。該方案通過增加上報字段信息，如受泄漏影響的PRB 個數、受影響的PRB 號、受影響的子載波號，來更精確地向eNodeB 上報CQI 信息，使得eNodeB 更好地進行資源映射，從而降低UE PLL 泄漏引起的干擾影響，提升了系統下行信道的吞吐量。