一种新的UE 非周期性上报CSI 方案*

潘 涛，汪毅峰

（上海诺基亚贝尔股份有限公司，江苏 南京 210037）

0 引言

在无线通信领域，信道状态信息（Channel State Information，CSI）就是通信链路的信道属性。CSI 描述了信号在每条传输路径上的衰弱因子，即信道增益矩阵H中每个元素的值，如信号散射（scattering）、环境衰弱（fading，multipath fading或者shadowing fading）、距离衰减（power decay of distance）等信息。

CSI 是一个用户设备（User Equipment，UE）上报的集合，包括信道质量指示（Channel Quality Indicator，CQI），预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator，PMI），预编码类型指示（Precoding Type Indicator，PTI），秩指示（Rank Indicator，RI）。其中CQI 是终端向基反馈的无线信道的质量。UE 根据参考信号的信道估计并结合自身的解码能力，即控制误块率（Block Error Rate，BLER）在一定范围内，向eNB 上报CQI，用于下行调度调制与编码策略（Modulation and Coding Scheme，MCS）的选择[1,2]。

CSI 可以使通信系统适应当前的信道条件，在多天线系统中为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两种类型。

UE 中的频率合成一般都采用锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）频率合成器，由于UE PLL 产生的时钟造成泄漏，会造成对特定的子载波或子载波的干扰信号，从而降低UE 解码性能。为了控制解码BLER，UE 只能报告较低的CQI 值，eNB 根据上报的CQI 值选择较低的MCS，从而导致下行信道整体吞吐量下降。

为了解决这个问题，本文提出了一种新的在CSI 消息中增加数据字段的上报方法，并通过仿真比较分析该方法的优点。

1 问题分析

UE 使用CQI 来告诉演进型基站（Envolved NodeB，eNB）的调度器自己看到的下行信道质量信息。如果使用了多进多出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）传输，CQI 会包含所需的MIMO 相关的反馈[3,4]。

CQI 是在使用建议的RI 和预编码矩阵指示（Precoding Matrix Indicator，PMI），且物理下行共享信道（Physical Downlink Shared Channel，PDSCH）传输的BLER 最高为10%的情况下，使用的最高MCS。CQI 的测量需要将信号与干扰噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）以及UE 的接收机的能力考虑在内。在特定条件下，每次取1～15 中的一个CQI 值，在对应的调制方式和码率下，调整信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）值，使其达到可接受的10% BLER，则该SNR 值就对应所选的CQI 值。

eNB 在选择MCS，即选择调制阶数（modulation order）和传输块（Transport Block，TB）大小STB时，会保证对应的码率尽可能地接近CQI 索引（index）指示的码率。如果有多个调制阶数和STB的组合对应的码率同样接近CQI index 指示的码率，那么eNB 会选择STB最小的那个组合。

CSI 上报分为非周期性CSI 上报（Aperiodic CSI Reporting） 和周期性CSI 上报（Periodic CSI Reporting）两种。

简言之，UE 使用物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel，PUSCH）以非周期方式报告CSI，并使用上行物理控制信道（Phsical Uplink Control Channel，PUCCH）或PUSCH 进行周期报告。具体来说，UE 应在没有PUSCH 分配的子帧中在PUCCH 上发送周期性CQI、PMI 或RI 报告，而UE应在具有PUSCH 分配的子帧中在PUSCH 上发送下文定义的周期性CQI、PMI 或RI 报告，其中UE应在PUSCH 上使用相同的基于PUCCH 的周期性CQI、PMI 或RI 报告格式。如果周期性和非周期性CSI 报告将发生在同一子帧中，则UE 应仅在该子帧中发送非周期性CSI 报告，并且UE 应在PUSCH上发送非周期CQI、PMI 和RI 报告。对于非周期CQI 报告，仅当配置的CQI、PMI、RI 反馈类型支持RI 报告时，才会传输RI 报告。

周期性CSI 上报和非周期性CSI 上报，均提供了下行信道质量的估计，但二者在上报内容的详细程度和使用上有很大区别。由于非周期性CSI 上报在PUSCH 上传输，而且PUSCH 比PUCCH 能够承载更多的内容，因此非周期性CSI 上报的内容比起PUCCH 上传输的周期性CSI 上报来说更加详细，也就更大。同时非周期性CSI 上报是有需要时才传输的，其开销并不是一个大问题。最后，eNB 请求UE 上报一个非周期性CSI 报告时，很可能需要发送大量的数据，而周期性CSI 上报是不管UE 是否会在不久的将来被调度都会被发送的，因此，非周期性CSI 上报的开销也是可接受的。

从eNB 的角度来看，只有当小区有下行数据需要发送时（此时才会关心下行信道的相关信息），才会要求UE 发送非周期性CSI 上报。UE 上报的CSI 是建议信息，eNB 可以使用CSI 信息或者重新选择自己的传输参数。eNB通过下行控制指示（Downlink Contol Indicator，DCI）将当前传输的真正使用的MCS、层数和预编码矩阵等信息告知UE。

eNB 根据CSI 等信息，通过MCS 索引值实现速率的配置。MCS 将所关注的影响通信速率的因素作为表的列，将MCS 索引作为行，形成一张速率表。所以，每一个MCS 索引其实对应了一组参数下的物理传输速率。

在任何手机射频电路当中，都有一个很重要的组成部分，那就是频率合成器。手机中的频率合成一般都采用锁相环频率合成器，用它来构成接收一、二本振电路及发射本振电路。锁相环起的作用是确保手机压控振荡器的输出频率与基准参考频率始终保持一致。

PLL 的组成模块中可以包含不同数量的模拟电路和数字电路，甚至可以是全数字电路。但不论一个PLL 是由模拟电路或是数字电路组成，它所实现的功能都是模拟的，即产生一个与参考时钟频率相同的时钟信号并使其相位与参考时钟对齐。但就像其他的模拟模块一样，PLL 中的模块也很容易受噪声等模拟因素的影响[5,6]。

在真实的通信场景下，UE PLL 产生的时钟造成的泄露很难避免，通常会导致某个乘数（n*clk,m*clk）经过混频器混频后可能正好落在带通内，即多个干扰信号，形成一个杂散落入基带，造成特定的子载波或子载波的干扰信号，从而降低UE 解码性能，如图1 所示。UE 会报告较低的CQI 值，eNB 根据上报的CQI 值选择较低的MCS，从而导致下行信道整体吞吐量下降。虽然这些泄露的信息对eNB 是未知的，但对于UE 本身是已知的。

图1 UE 接收通道

2 改进方案

为了解决这个问题，本文提出了一种新的方案，在CSI 消息中增加数据字段，以便在UE 侧更准确地上报下行信道特性。

CSI 是UE 上报给eNB 的信道状态信息，由CQI、PMI、PTI 和RI 组成，其占用的时间和频率资源由eNB 控制。由于泄漏信息虽然对于eNB 是未知的，但对于UE 本身是已知的，因此在CSI 报告中添加新数据字段，命名为沉默资源颗粒请求（Mute RE Request，MRR），数据字段与CQI、RI、PTI、PMI 逻辑并行，以便eNB 也知道它，从而更好地进行资源映射。

新增的数据域MRR 只适用于非周期CSI 报告上，因为非周期CSI 报告是在PUSCH 信道上传输的，所以上报的有效载荷只要能更准确地反映UE 解调下行数据的能力，那么是可以接受的。而对于周期性CSI，由于本身资源较少，不利于增加资源且现实应用中也无必要，因此不在本文方案的考虑范围内。

新的数据字段MRR 报告分为3 个部分，用UE特定的无线网络临时标识（Radio Network Temporary Identifier，RNTI）加扰。

（1）第一部分：表示受泄漏影响的下行物理资源快（Physical Resouce Block，PRB）数量，新无线（New Radio，NR）中PRB 最大数量为273，长期演进（Long Term Evolution，LTE）中PRB 最大数量为100，所以可以用9 bit 表示，范围[0～272]。

（2）第二部分：根据第一部分的索引个数，使用轮次上报，每次非周期上报的机会中，影响的PRB 只上报一个，同样需要9 bit 表示这个信息。

（3）第三部分：不考虑子载波间隔，每个PRB 都有12 个子载波，所以这部分需要12 bit 的信息来表征具体受影响的子载波。

根据以上三部分内容，举例如下：

例如，MRR 30 bits info 解码为：

0000 0010 0000 0100 0001 0000 1000 00

其中从左向右：

1～9 位0000 0010 0 表示总共有4 个PRB 受到了影响。

10～17 位000 0100 00 表示小区带宽从低到高的#16 PRB 受到影响。

18～30 位01 0000 1000 00 表示 PRB #16 的从低到高的 #11 和 #6 子载波受到影响。

另外，所有受影响的子载波报告信息都通过4个非周期性报告机会完成。

本方法中添加MMR 数据字段，UE 选择报告全小区带宽PRB 数量受影响的子载波而不是部分带宽（Bandwidth Part，BWP）对应的子载波，原因有：

（1）不需要根据检测到的DCI 动态更新MMR字段信息和结构，虽然这需要几个额外的比特，但降低了系统的复杂度。

（2）eNB 记录不同UE 上报的信息，下行（DL）调度器可以利用这些信息对不同的UE 进行频率选择调度。

CSI 报告新方法实施流程如图2 所示。

图2 CSI 报告新方法实施流程

具体的步骤说明如下：

第1 步：新的SIB2 消息通知小区内的所有UE，eNB 支持新的CQI 上报方式，增加的字段“New CQI reporting support”可以放在pusch-ConfigBasic数据字段中。

第2 步：UE 准备接入，在MSG3 消息中增加1个比特，表示UE 支持/不支持新的CQI 上报方式。

第3 步：在Attach complete Msg 之后，eNB 正在通过RRC Reconfiguration 消息中的CQI-Report Aperiodic 数据字段指定Aperiodic CSI 报告模式。

第4 步：eNB 通过DCI 格式0/4 触发UE 进行非周期性CSI 实时报告。

第5 步：如果UE 支持新方法上报，则UE 上报新的CQI 信息。

对于载波聚合，Scell 同样也需要上报新的CQI信息。

假定PRB 的数量NPRB为100，5 个子载波受到干扰污染，BLER 的值为0，1 天线下行PDSCH 情况下：

UE 正常上报CQI=6，根据业内算法平均水平得出MCS 索引IMCS=12，查表1[7]（部分摘自3GPP 36.212标准中的表7.1.7.1-1），得ITBS=11，再根据表2[7]（部分摘自3GPP TS 36.212 中的表格7.1.7.2.1-1），查出对应的STB=19 848。

表1 MCS 索引IMCS 和TBS 索引ITBS 的对应关系

表2 传输块大小

在使用新方法增加MMR 字段后，根据业内UE厂商平均解码水平，预估UE 上报CQI=7，根据业内算法平均水平得出IMCS=14，查表1，得ITBS=13，再根据表2 查出对应的STB=25 456。再减去无法承载数据的5 个RE 的STB（QPSK 模式下，承载数据信息为2 bit，编码率约为0.9，计算出无法承载数据的bit 为5*2*0.9=9），最终估算使用新方法后STB=25 456-9=25 447。

用同样的方法，相同条件下，估算2 天线在使用新方法前STB=45 352，使用新方法后STB=51 006，估算4 天线在使用新方法前STB=90 816，使用新方法后STB=101 804。

仿真结果如图3，结果近似于估算结果。

图3 使用MMR 前后1 天线、2 天线、4 天线TB size 对比

3 结语

为了解决UE PLL 产生的时钟泄漏，导致UE上报较低CQI，从而降低了系统下行信道吞吐量的问题，本文提出了一种新的UE 非周期性上报CSI方案。该方案通过增加上报字段信息，如受泄漏影响的PRB 个数、受影响的PRB 号、受影响的子载波号，来更精确地向eNodeB 上报CQI 信息，使得eNodeB 更好地进行资源映射，从而降低UE PLL 泄漏引起的干扰影响，提升了系统下行信道的吞吐量。