[4G&5G專題-42]：物理層-無線信道的特征,RSRP、SNR、BLER、MCS、CSI、CQI、SI、PMI

目錄

0. 無線信道的特點

1. 信道功率RSRP

2. 信噪比SNR/SINR

3. 信道誤碼率

4. 塊誤碼率BLER

5 調制與編碼策略MCS

6. 信道狀態資訊CSI

7. 信道質量指示CQI（Channel Quality Indicator ）

8. RI和PMI

9. 信道評估

0. 無線信道的特點

（1）電磁波在無線信道傳輸存在衰減，

（2）電磁波在無線信道傳輸存在同頻率干擾

（3）電磁波在無線信道傳輸存在多徑干擾

（4）無線信道是開放信道，是不可控的，

（5）同是時刻，不同頻率的電磁波，在相同的三維物理空間受到衰減特性是不相同的，

（6）同是時刻，不同頻率的電磁波，在相同的三維物理空間受到干擾特性是不相同的，

1. 信道功率RSRP

RSRP是蜂窩網路中可以代表無線信號強度的關鍵引數以及物理層測量需求之一，參考信號承載的所有RE（Reource Element）上接收到的信號功率的平均值，

利用測量得到的功率與已知的發射功率進行相比，就可以得到鏈路對信號的衰減，

2. 信噪比SNR/SINR

信噪比：為有用信號功率(Power of Signal)與噪聲功率(Power of Noise)的比，因此為信號幅度幅度與噪聲幅度（Amplitude）比的平方，

信噪比越大，說明混在信號里的噪聲越小，信號的占比越大，信號越好，

信噪比越大，說明混在信號里的噪聲越大，信號的占比越小，信號越差，

SINR：信號與干擾加噪聲比 （Signal to Interference plus Noise Ratio）是指接收到的有用信號的強度與接收到的干擾信號（噪聲和干擾）的強度的比值；可以簡單的理解為“信噪比”，

3. 信道誤碼率

由于發送序列是已知的，因此，用接收到信號序列與已知序列進行比較，查看出錯的位元數，就可以得到參考信號的誤碼率，

4. 塊誤碼率BLER

在無線網路中，一個設備（如eNodeB）是按塊（block）向另一個設備（如UE）發送資料的，發送端使用塊中的資料計算出一個CRC，并隨著該塊一起發送到接收端，接收端根據收到的資料計算出一個CRC，并與接收到的CRC進行比較，如果二者相等，接收端就認為成功地收到了正確的資料，并向發送端回復一個“ACK”；如果二者不相等，接收端就認為收到了錯誤的資料，并向發送端回復一個“NACK”，以要求發送端重傳該塊，

如果在某個特定的周期內，發送端沒有收到接收端的回復，則發送端假定之前發送的塊沒有到達接收端，發送端自動重發該塊，(MAC層的HARQ處理)，

BLER（block error rate），即誤塊率，是出錯的塊在所有發送的塊中所占的百分比（只計算初傳的block），

在實際應用中，某一特定百分比（如：LTE中資料信道的BLER要求為10%以下）的BLER并不總是必須的，因為可以重傳出錯的塊并通過特殊的處理（如軟合并等），使得接收端正確解出收到的資料，需要測量和計算BLER時，在發送端就能夠完成，因為可以通過收到的NACK數來計算BLER，

在LTE中，控制信道的目標BLER為1%，資料信道的目標BLER位10%，

當BLER不超過10%時，UE將向基站上報它所能解碼的最高MCS，MCS越高，資料的速率越高，調制階數越高，

LTE在無HARQ重傳情況下誤塊率指標為10%，加入HARQ重傳后誤幀率（FER）大概為1%，再加上RLC層的ARQ后性能提升到10^-5數量級，

例：假設發送了500個block的資料，其中499個block回復ACK，1個block回復NACK，則BLER為1 / 500 = 0.002 * 100% = 0.2%，

從這個例子可以看出，計算BLER時，是不把重傳的block的ACK/NACK計算在內的，即最終的誤碼率，

5 調制與編碼策略MCS

LTE中速率的配置通過MCS（Modulation and Coding Scheme，調制與編碼策略）索引值實作，

MCS將所關注的影響通訊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引數下的物理傳輸速率和調制方式，

6. 信道狀態資訊CSI

是UE反饋給基站的一種無線信道狀態資訊，它包括三個小部分：CQI，RI和PMI，

7. 信道質量指示CQI（Channel Quality Indicator ）

（1）CQI的定義

CQI-Channel Quality Indication，信道質量指示，指示意味著CQI資訊來自于終端的測量，然后匯報給基站，因此，CQI一般指的是下行信道質量，

基站MAC層調度器，會根據UE反饋的CQI資訊，選擇合適的調度演算法和下行資料塊大小，以保證UE在不同的無線環境下獲取最佳的下行性能，

（2）引入CQI的原因

PDSCH支持三種編碼方式：QPSK、16QAM及64QAM，其對應三種星座圖，從而所需要的信道條件也不相同，即：編碼方式越高（QPSK<16QAM<64QAM），信道條件要求就越高，

信道質量越差，就越信道編碼的冗余資訊越多，糾錯要越強、使用更低階調制、資料發送的速率越低，

信道質量越好，就越信道編碼的冗余資訊越少，糾錯要越弱、使用更高階調制、資料發送的速率越低，

由于下行調度是由基站決定的，而基站作為發射端，并不知道信道質量的好壞，就比如一個人在講話時，聽不聽得清楚是有聽眾感知的，因此信道質量的好壞也是由UE來衡量的，

基站決定要采用何種編碼方式，就需要UE來反饋這個信道質量的好壞，LTE協議將信道質量的好壞量化成了0~15的序列（4個bit來承載），并定義為CQI，

（3）CQI的選取標準

CQI 值由UE測量并上報，

LTE規范中沒有明確定義CQI的測量方式，只定義了CQI的選取準則，即保證PDSCH的解碼錯誤率（即BLER）小于10%所使用的CQI值，

也就是說，UE 需要根據測量結果（比如信噪比SINR）評估下行鏈路特性，并采用內部演算法確定此SINR 條件下所能獲取的BLER值，并根據BLER<10%的限制，上報對應的CQI值，

在相同的SINR情況下，不同的調制方式，其誤碼率是不一樣的 ，調制的階數越高，誤碼率越高，

（4）CQI取值及其對應的編碼方式

其中，調制方式決定了調制階數，它表示每1個符號中所傳送的位元數，

QPSK對應的調制階數為2，16QAM為4，64QAM 為6，

碼率為傳輸塊中資訊位元數與物理信道總位元數之間的比值，即：

碼率= 傳輸塊中資訊位元數/物理信道總位元數= 資訊位元數/（物理信道總符號數*調制階數）= 效率/調制階數

由此可見，CQI 的不同取值決定了下行調制方式以及傳輸塊大小之間的差異，

CQI 值越大，所采用的調制編碼方式越高，效率越大，所對應的傳輸塊也約大，因此所提供的下行峰值吞吐量越高，

（5）CQI影響因素

UE 根據所測量的SINR 值來確定可用CQI 并上報到eNodeB，因此CQI 值主要與下行參考信號的SINR 有關，

除此之外，CQI 還與UE 接識訓的靈敏度、MIMO 傳輸模式和無線鏈路特性有關，具體表現為：

• 相同信道質量條件下，UE接識訓的靈敏度越高，所測得的SINR值越高，因此所上報的CQI值也越大，
• MIMO模式、重傳次數和天線數目都會影響BLE性能，由于CQI對應于10% BLER 所需的SINR值，因此，相同SINR條件下，3次重傳比0次重傳的CQI值更高，TM3/4比TM2的CQI更高，4天線比2天線所對應的CQI更高，

（6）CQI對性能的影響

根據上述分析可知，CQI在下行調度中起著非常關鍵的作用！！！

UE根據SINR值估算CQI 并采用周期性或者非周期性方式進行上報，eNodeB則根據不同的CQI模式來提取出相應的寬帶或者子帶CQI資訊，獲悉UE在特定頻帶上的干擾情況，實作頻率選擇性或者非選擇性調度，

重要的是，eNodeB 根據CQI和PRB資訊來獲取MCS和TBS資訊，從而直接影響到下行吞吐量，

CQI 與單用戶下行吞吐量之間的關系舉例說明如下，

假設UE 上報的CQI 為最大值15，其所對應的調制方式為64QAM，碼率為0.926，則20MHz （對應100 個PRB）下，TD-LTE 系統物理層峰值最大速率計算如下：

①PRB 中RE數：（14符號/子幀）x（100個PRBx 12 RE/符號）=16800RE/子幀

②假定每個子幀中為3個PDCCH符號，則去除CFI所占用的RE數，得到：16800 RE/子幀-（3個PDCCH符號x（100個PRBx 12RE/ 符號））=13200RE/子幀

③物理層位元數與調制方式相關，64QAM所對應的調制階數為6，故：6 x 13200 = 79200 位元/子幀

④根據碼率計算傳輸塊大小：傳輸塊中資訊位元數= 物理信道總位元數x 碼率=79200 x 0.926= 73340
　　

這意味著CQI=15時，20MHz帶寬下所能承載的最大TBS為73340，假定上下行時隙配比是1:3，即一個5ms的TD-LTE半幀里有3個下行時隙，且根據規范要求，特殊子幀5 的DwPTS 中不能傳送下行資料，則MIMO 模式下（2個碼字同時傳送），下行峰值速率為：73340（TBS）x 2（流數）x 3（下行時隙數）x 200（1s 內半幀數）= 88008000 bit = 88Mbps.

上面的例子中，如果采用其他CQI 值，則對應的碼率和調制方式有所不同，因此每個TTI 中所能傳送的傳輸塊的大小也會有所區別，從而導致下行吞吐量產生差異，因此，CQI 在下行調度中起著非常關鍵的作用，

UE 和eNodeB 調度演算法中CQI 評估和測量機制對系統性能有著直接影響，

舉例來講，如果UE 上報的CQI 較低，但是系統卻錯誤地發送了較大的TBS，則可能導致UE解碼失敗并發送ACK資訊，從而產生重傳，影響到系統的資源利用率，

反之，如果實際無線環境較差，但是UE上報的CQI值較高，則網路根據CQI選擇較大的TBS，而這也同樣可能導致UE 解碼失敗，導致系統資源利用率降低，

速度對于CQI報告準確性的影響也較大，速度越高，CQI偏差越大，因此應當減小發送周期，增加發送頻率，以保證CQI資訊的準確性，

8. RI和PMI

（1）RI

RI是UE建議基站，在下行傳輸中使用的傳輸階數（rank 秩），即建議下行傳輸使用的層數（layer），

只有在空分復用下，UE才需要發送RI以指示可用的傳輸層（transmission layer）數目；而其它情況下，RI總是等于1，

因此只有在TM 3/4，以及配置了PMI/RI上報的TM 8/9情況下，UE才需要上報RI，

RI是UE向基站反應自身支持MIMO層數的能力，

（2）PMI

PMI是UE建議基站在下行傳輸中使用的預編碼矩陣（precoder matrix），該預編碼矩陣是在假設使用“上報的RI指示的層數”的基礎上進行選擇的，

9. 信道評估

（1）什么信道評估

所謂信道估計，就是從接收資料中將假定的某個信道模型的模型引數估計出來的程序，

如果信道是線性的話，那么信道估計就是對系統沖激回應進行估計，

需強調的是信道估計是信道對輸入信號影響的一種數學表示，而“好”的信道估計則是使得某種估計誤差最小化的估計演算法，

（2）信道評估的背景及意義

無線通信系統的性能很大程度上受到無線信道的影響，如陰影衰落和頻率選擇性衰落等等，使得發射機和接識訓之間的傳播路徑非常復雜，

無線信道并不像有線信道固定并可預見，而是具有很大的隨機性，這就對接識訓的設計提出了很大的挑戰，

在OFDM系統的相干檢測中需要對信道進行估計，信道估計的精度將直接影響整個系統的性能，

為了能在接收端準確的恢復發射端的發送信號，人們采用各種措施來抵抗多徑效應對傳輸信號的影響，信道估計技術的實作需要知道無線信道的資訊，如信道的階數、多普勒頻移和多徑時延或者信道的沖激回應等引數，因此，信道引數估計是實作無線通信系統的一項關鍵技術，能否獲得詳細的信道資訊，從而在接收端正確地解調出發射信號，是衡量一個無線通信系統性能的重要指標，因此，對于信道引數估計演算法的研究是一項有重要意義的作業，

（3）分類

信道估計演算法從輸入資料的型別來分，可以劃分為時域和頻域兩大類方法，

• 頻域方法主要針對多載波系統；
• 時域方法適用于所有單載波和多載波系統，其借助于參考信號或發送資料的統計特性，估計衰落信道中各多徑分量的衰落系數，

從信道估計演算法先驗資訊的角度，則可分為以下三類：

• 基于參考信號的信道估計

該類演算法按一定估計準則確定待估引數，或者按某些準則進行逐步跟蹤和調整待估引數的估計值，

其特點是需要借助參考信號，即導頻或訓練序列，

基于訓練序列和導頻序列的估計統稱為基于參考信號的估計演算法，

基于訓練序列的信道估計演算法適用于突發傳輸方式的系統，

通過發送已知的訓練序列，在接收端進行初始的信道估計，當發送有用的資訊資料時，利用初始的信道估計結果進行一個判決更新，完成實時的信道估計，

基于導頻符號的信道估計適用于連續傳輸的系統，通過在發送的有用資料中插入已知的導頻符號，可以得到導頻位置的信道估計結果；

接著利用導頻位置的信道估計結果，通過內插得到有用資料位置的信道估計結果，完成信道估計，

步驟如下：

a) 假設服務小區發送了參考信號x，而UE收到的是y，服務小區和UE之間的傳輸信道為乘性信道，那么經過信道的沖擊回應，y=H*x；這樣就可以把信道模型H預估出來；

b) 得到H后，服務小區發送其他的信號a，UE收到信號為b，那么b=H*a；通過H帶入，UE就可以知道a的具體值；

上述獲取a的程序就是解調的程序，

• 盲估計

利用調制信號本身固有的、與具體承載資訊位元無關的一些特征，或是采用判決反饋的方法來進行信道估計的方法，

• 半盲估計

結合盲估計與基于訓練序列估計這兩種方法優點的信道估計方法，

一般來講，通過設計訓練序列或在資料中周期性地插入導頻符號來進行估計的方法比較常用，

而盲估計和半盲信道估計演算法無需或者需要較短的訓練序列，頻譜效率高，因此獲得了廣泛的研究，

但是一般盲估計和半盲估計方法的計算復雜度較高，且可能出現相位模糊（基于子空間的方法）、誤差傳播（如判決反饋類方法）、收斂慢或陷入區域極小等問題，需要較長的觀察資料，這在一定程度上限制了它們的實用性，