5GNR上行资源分配、MIMO方案及功率控制解析

# 5G NR 上行资源分配、MIMO 方案及功率控制解析 ## 1. 上行资源分配 在 5G NR 系统中，上行资源分配主要有 Type 0 和 Type 1 两种类型。当 UE 被 DCI 格式 0_0 调度时，采用上行资源分配 Type 1。资源块（RB）的索引确定与调度 DCI 中是否配置带宽部分指示字段有关： - 若未配置带宽部分指示字段，上行 Type 0 和 Type 1 资源分配的 RB 索引在 UE 的活动带宽部分内确定。 - 若配置了带宽部分指示字段，RB 索引在 DCI 中带宽部分指示字段值所指示的 UE 带宽部分内确定。 检测到 PDCCH 后，UE 先确定上行带宽部分，再在该带宽部分内进行资源分配，其中 RB 编号从确定的上行带宽部分中的最低 RB 开始。 ## 2. 上行 MIMO 方案 ### 2.1 概述 NR 支持 PUSCH 传输的多天线预编码，最多可达四层。但启用基于上行 DFT 的变换预编码时，仅支持单层（秩 1）传输。UE 可配置为基于码本或非基于码本的模式进行 PUSCH 传输，这两种模式的选择取决于 UE 基于下行测量对上行信道条件的估计程度。 ### 2.2 天线端口相位相干性 NR 规范允许 UE 具有不同的天线端口间相位相干能力，包括完全相干、部分相干和不相干： - **完全相干**：设备可控制用于上行传输的任意天线端口之间的相对相位。 - **部分相干**：设备能够实现成对相干，即控制天线端口对之间的相对相位，但不能保证一定能实现相干。 - **不相干**：无法保证设备天线端口对之间的相位相干。 ### 2.3 基于码本的传输 - **原理**：网络选择传输秩和相应的预编码矩阵，并通过上行调度授权通知设备。UE 将预编码矩阵应用于调度的 PUSCH 传输，并将指示的层数映射到天线端口。 - **SRS 的作用**：为选择合适的秩和预编码矩阵，gNB 需要估计设备天线端口与相应网络接收天线之间的信道。为此，配置为基于码本的 PUSCH 传输的 UE 通常会配置至少一个多端口 SRS 的传输。网络根据对配置的 SRS 的测量来估计信道并确定合适的秩和预编码矩阵。 - **码本选择限制**：选择预编码矩阵时，网络需考虑设备的天线端口相位相干能力。若 UE 不支持天线端口相位相干，秩 1 传输时仅能使用前两个预编码矩阵，这相当于选择第一个或第二个天线端口进行传输，无需天线端口之间的相位相干。选择其余预编码向量则意味着不同天线端口信号的线性组合，需要天线端口之间的相位相干。 - **多 SRS 传输**：与 LTE 上行不同，NR 设备可配置为从多个天线端口传输多个 SRS。在多 SRS 传输中，网络反馈包含 SRI，用于标识配置的 SRS 之一。UE 应使用调度授权中标识的预编码器，并将预编码器的输出映射到 SRI 中指示的 SRS 对应的天线端口。 ### 2.4 非基于码本的传输 - **原理**：基于设备测量和向网络的预编码器指示。UE 根据对配置的 CSI - RS 资源进行的下行测量，选择合适的上行多层预编码器。非基于码本的预编码依赖于信道互易性，假设设备可基于下行测量获得准确的上行信道知识。 - **网络调整**：UE 的预编码器选择通常基于下行测量，从网络角度来看可能并非最佳。因此，NR 非基于码本的预编码包括一个额外步骤，网络可通过移除所选预编码器中的一些波束或等效地移除一些列来修改设备选择的预编码器。 ### 2.5 传输模式配置 - 当 pusch - Config 中的 RRC 参数 txConfig 设置为“codebook”时，UE 配置为基于码本的传输。 - 当 txConfig 设置为“nonCodebook”时，UE 配置为非基于码本的传输。 - 若未提供 txConfig 参数，PUSCH 传输将基于单天线端口，由 DCI 格式 0_0 触发。 ### 2.6 码本子集限制 码本子集限制概念源于 LTE，有助于避免对不需要的（空间）方向进行 CSI 报告。NR 中，对于 RI 限制，由于可能的 RI 值数量较少，可指定位图与每个 RI 值一一对应。而对于 PMI 限制，尤其是天线端口数量较多时，可能的 PMI 值数量非常大，因此引入了 DFT 波束限制，若至少一个波束被相应的 DFT 波束限制位图限制，则认为 PMI 受限。 #### 2.6.1 Type - I 单面板码本 gNB 天线端口少于 16 时，所有秩的 PMIs 的波束形成向量由 2D DFT 波束表示，记为 $b_i$，它是两个 1D DFT 向量的 Kronecker 积： $b_i = u_n \otimes q_l$ 其中： $u_n = \frac{1}{\sqrt{N_1}} [1, e^{-2\pi j \frac{1}{N_1}O_1 n}, \cdots, e^{-2\pi j \frac{(N_1 - 1)}{N_1}O_1 n}]^T$ $q_l = \frac{1}{\sqrt{N_2}} [1, e^{-2\pi j \frac{1}{N_2}O_2 l}, \cdots, e^{-2\pi j \frac{(N_2 - 1)}{N_2}O_2 l}]^T$ 为限制特定方向的传输，可指定大小为 $N_1N_2O_1O_2$ 的位图，其中每个比特 $a_i$ 对应 DFT 波束 $b_i$。若 PMI 的至少一层由 $b_i$ 组成，则该 PMI 被视为受限，UE 不能报告。 #### 2.6.2 多面板码本 多面板码本通过每个面板的基于 DFT 的波束形成以及极化和面板的同相来构建，所有面板和极化应用相同的 DFT 波束。例如，对于秩 1 的多面板码本和双面板天线，预编码器 $p$ 可计算如下： $p = \begin{bmatrix} b & 0 & 0 & 0 \\ 0 & b & 0 & 0 \\ 0 & 0 & b & 0 \\ 0 & 0 & 0 & b \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ c_1 \\ c_2 \\ c_3 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} b \\ c_1b \\ c_2b \\ c_3b \end{bmatrix}$ 其中，$c_1$、$c_2$、$c_3$ 系数根据多面板码本的模式 2 独立报告。这种 PMI 结构中的传输方向由向量 $b$ 表示的 DFT 波束和同相系数 $c_2$ 以及 $c_3/c_2$ 确定。因此，多面板码本 PMI 限制的码本子集限制需考虑 DFT 波束和同相系数的所有可能组合，此时位图的大小为 $N_1N_2O_1O_24(N_g - 1)$。 ### 2.7 Type - II CSI Type - II CSI 旨在增强 MU - MIMO 传输的性能。其空间信道反馈的准确性允许通过使用先进的预编码方案（如 MMSE 预编码）来改善干扰抑制。准确的信道知识可提高小区内干扰的抑制能力。Type - II 码本中的波束形成向量表示为 2、3 或 4 个 DFT 波束的线性组合： $w_{rl} = \sum_{i = 0}^{L - 1} p_{rli}^{(WB)} p_{rli}^{(SB)} c_{rli} v_{ki}$ 其中，$p_{rli}^{(WB)}$ 表示宽带波束幅度缩放因子，$p_{rli}^{(SB)}$ 是子带波束幅度缩放因子，$c_{rli}$ 是波束 $i$、极化 $r$ 和层 $l$ 的波束组合系数（相位）。 ### 2.8 非基于码本的上行传输 - **调度方式**：PUSCH 传输可由 DCI 格式 0_0、DCI 格式 0_1 或半静态配置进行调度。 - **预编码器和传输秩确定**：当配置多个 SRS 资源时，UE 可根据 DCI 中的 SRI 或 RRC 参数 srs - ResourceIndicator 给出的 SRI 确定其 PUSCH 预编码器和传输秩。 - **SRS 配置**：UE 必须使用一个或多个 SRS 资源进行 SRS 传输。在 SRS 资源集中，可配置给 UE 用于在同一符号上同时传输的最大 SRS 资源数量以及最大 SRS 资源数量取决于 UE 能力。仅能为每个 SRS 资源配置一个 SRS 端口，且仅能将一个 SRS 资源集配置为高层参数 usage 为“nonCodebook”。非基于码本的上行传输可配置的最大 SRS 资源数量为 4。 ## 3. 链路自适应和功率控制 ### 3.1 功率控制概述 功率控制是一种机制，通过服务基站的指令，在 gNB 或 UE 处调整下行或上行控制或业务信道的发射功率，以在对下行/上行传输的可靠性和吞吐量影响最小的情况下，减少用户和基站之间的用户间/小区间干扰。因此，功率控制可视为一种用于蜂窝系统中干扰缓解的链路自适应机制。 增加通信链路上的发射功率有一定优势，如提高接收器的 SNR，降低 BER，允许更高的数据速率，提高频谱效率，以及增强对衰落信道中信号衰减的抵抗能力。但也存在一些缺点，包括增加发射设备的功率消耗，缩短 UE 电池寿命，以及增加对同一或相邻频段中其他用户的干扰。 ### 3.2 NR 上行功率控制机制 NR 提供上行功率控制机制，以补偿路径损耗、阴影衰落、快速衰落和实现损耗的影响。上行功率控制进一步用于减轻小区间和小区内干扰，从而提高整体吞吐量并降低 UE 的有效功率消耗。上行功率控制包括开环和闭环功率控制： - **开环功率控制**：在不频繁与服务 gNB 交互的情况下补偿信道变化和实现损耗。UE 可根据 gNB 发送的传输参数、上行信道质量、下行 CSI 或从下行传输中获得的干扰知识来确定发射功率。开环功率控制在与基站建立连接之前为设备提供粗略的初始发射功率设置。 - **闭环功率控制**：通过服务 gNB 的周期性功率控制命令补偿信道变化。基站使用上行数据和/或控制信道传输测量上行 CSI 和干扰水平，并向设备发送功率控制命令。UE 收到 gNB 的功率控制命令后，调整其上行发射功率。闭环功率控制在数据和控制信道传输期间处于活动状态。 ### 3.3 功率控制算法 #### 3.3.1 PUSCH 功率控制 对于在服务小区 $m$ 的载波 $l$ 的活动上行 BWP $k$ 上进行的 PUSCH 传输，参数集配置索引为 $j$，PUSCH 功率控制调整状态索引为 $u$，UE 首先计算发射功率 $P_{klm}^{PUSCH}(i, j, q_d, u)$ 的线性值 $\hat{P}_{klm}^{PUSCH}(i, j, q_d, u)$。若 PUSCH 传输由 DCI 格式 0_1 调度，且 PUSCH - Config 中的 txConfig 设置为“codebook”，UE 将线性值按具有非零 PUSCH 发射功率的天线端口数量与 UE 在一个 SRS 资源中支持的最大 SRS 端口数量的比例进行缩放。UE 将功率平均分配到具有非零功率的 PUSCH 发射天线端口上