RI和MIMO

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摘 要：LTE系统中，eNodeB根据UE上报的信道质量指示 (CQI)和秩指示 (RI)信息进行下行资源调度，分配所需的资源块和MCS，设定同时发送的码字数目。3GPP中对于CQI的上报方式和取值等信息定义比较明确，对于RI的描述则相对较少。分析和研究RI的意义、作用方式以及影响因素等内容，对全面理解LTE性能无疑会有很大帮助，以下予以详细论述。
关键词：LTE系统；RI；应用；限制条件
1、RI的意义
   采用Nt个发送天线和Nr个接收天线的MIMO系统中，传输信道可以采用矩阵进行表示，而RI表示MIMO系统中传输信道的秩(Rank)，它可以看作收发设备间传输通路上独立的并行信道的数目。
   RI信息可以表示发射端与接收端之间多条传输信道之间的相关性。如果RI为1，则表示多条传输通路完全相关，所传送的信号之间很可能会互相干扰，使得接收端难以准确接收。如果RI大于1，则表示有多条独立不相关信道，UE可以接收不同通路上的信号，并根据预编码规则独立或者联合解码，从而增加传输可靠性，提高信道容量。
2、秩的自适应性
   信道的秩为可以理解为同时支持的相对独立的数据通路，而MIMO实际传送所使用的数据流数则称为层数。由于不同MIMO信道下数据通路之间的正交性不同，因此实际应用中必须考虑数据流之间所产生的干扰。采用多个天线传送多个码字时，需要根据空间信道的秩来确定所能同时发送的数据流数(即层数)，以降低信息之间的干扰，增加接收准确性，提升信息传送容量。
   发射分集模式下，采用单码字进行发送，秩固定为1，层数与天线端口数相等。空间复用模式下，信道的秩与层数相等，秩数不能超过收发侧最大天线端口数。例如4×2系统中，发射端天线端口数为4个，接收端天线端口数为2个，则秩和层数最大只能为2。
   3GPP R8规范中定义的最大天线端口数为4，意味着层数的最大值不超过4，因此2个码字可以影射到1、2、3和4个层上进行传送；R9规范中定义最大天线端口数为8，则层数的最大值不超过8， 因此2个码字可以影射到1~8个层上进行传送。
3、RI在下行调度中的应用
   UE对传输信道进行测量，确定传输信道的秩，并通过RI信息上报给eNodeB，用以辅助eNodeB进行下行调度工作。同时，任何传输模式下，UE都要上报CQI，闭环空间分集模式下，UE还需要发送预编码矩阵索引(PMI)信息。
   通常，空间复用模式下，eNodeB根据UE上报的RI数来决定下行码字的数目，从而触发模式内转换过程。以2x2MIMO系统为例，收发天线端口数都是2，则传输信道的最大秩(RI)不超过2。开环空间复用(TM3)模式下，如果UE上报的RI为1，则表示信道相关性强，无法采用双流传输，因此只能使用发射分集方式，采用单码字进行发送。如果UE上报的RI为2，则表示信道相关性弱，可以采用双流传输，可以使用空间复用方式，提高系统容量。
4、RI的限制条件
   UE上报的RI表示信道的秩，但是RI的上报和使用受一些条件的限制。比如，某些条件下，即使信道的相关度低，UE所测到的RI为2，但是UE仍然只能上报1；另外一些条件下，UE上报的RI为2，但是系统也只能使用1。具体分析如下。
1）UE类别为1时，UE上报的RI只能为1。
    2）天线数小于2时，UE上报的RI只能为1。
   如果物理天线损坏，导致可用天线数为1，则意味着发送端只能采用单天线端口发送，此时相当于1x1或者1x2 MIMO模式，因此传输信道的秩只能为1，UE上报的RI也只能为1。
3）码书限制而无法使用RI=2时，则只能使用RI=1。
   对于MIMO传输模式3、4、5和6，系统通过高层参数codebookSubsetRestriction来限定UE所能使用的码书。它通过比特位标定特定传输模式下的预编码码书是否能够使用。具体规定如表1所示，其中比特序列 用来表示比特位所对应的预编码码书能否被使用。




表1 各种TM下码书子集限制比特位中比特的数目N
传输模式        Ac比特数目
        2 天线端        4 天线端
传输模式3        2        4
传输模式4        6        64
传输模式5        4        16
传输模式6        4        16

    以TM3为例，对于2天线端口，Ac =2，codebookSubsetRestriction共有2比特。 对应的码书为表2中层2码书的索引0，a0所对应的预编码为发射分集。
            表2 天线端口{0,1}下的码书索引
码书索引        层数v
        1        2
0                  

1         


2          


3          
-

    对于TM4，2天线端口下Ac =6，codebookSubsetRestriction共有6比特，对应的比特位如表3所示。层数为1时，a0、a1、a2和a3分别对应于码书索引0～3，层数为2时，a4和a5分别对应于码书索引1和2。
              


表3 比特位与2天线端口码书索引的对应关系
码书索引ic        层数 v
　        1        2
0        a0        -
1        a1        a4
2        a2        a5
3        a3        -


    由此可见， TM4模式下采用2天线时，如果限定codebookSubsetRestriction的比特位4和5，则意味着系统限制使用2层所对应的码书索引。这种情况下，UE上报的RI不能为2。
5、总结
   LTE系统中，RI上报和反馈机制是实现MIMO技术的关键手段之一，对下行调度起着非常重要的作用。了解RI的作用机制以及限制因素，有助于理解下行调度过程，也有助于LTE性能分析和优化工作。