LTE: 小区特定参考信号功率与RRU发射功率的计算

本文介绍基本的概念和计算过程

一、时域与频域的主要单位
    LTE中，时域资源主要包括系统帧、子帧、slot、symbol。一个系统帧为10ms, 一个子帧1ms, 一个slot 0.5ms. 一个系统帧由10个子帧组成，一个子帧由两个slot组成，一个slot由多个符号（symbol）组成，每个符号（用 表示）由循环前缀（Cyclic Prefix，简称CP）和可用的符号时间组成。对于普通子帧，常规循环前缀，一个时隙包括7个OFDM符号，扩展循环前缀，一个时隙包括6个OFDM符号, 不同的OFDM用于携带不同的数据。
    LTE中频域资源包括整个系统带宽、RB、子载波等。频域上的系统带宽即小区使用带宽比如2OM, 10M.  LTE中，频域上的基本单位为一个子载波（subcarrier），上行和下行的子载波间距均为15 kHz。每个RB包含12个子载波，也就是180KHz。20M带宽下，预留边缘部分作为频率间隔，协议规定20M带宽包含100RB，在物理层是可以超过100RB的。

二、RB、RE、TTI
    在系统应用中常提到的RB有时也指一个Resource Block。它同时包含了时间上和频率上的概念。指的是时间维度上为一个slot（0.5ms），频率维度上为12个子载波(180kHz)宽度的资源块。
    RE是LTE中的最小物理资源。一个RE可存放一个调制符号（modulation symbol），该调制符号可使用QPSK（对应一个RE存放2比特数据）、16QAM（对应一个RE存放4比特数据）或64QAM（对应一个RE存放6比特数据）调制等。调制符号（modulation symbol，有时也简称为符号symbol）强调的是放在一个RE上的数据，而前一节介绍的符号（symbol）强调的是时域上的概念，而非数据。
    一个RB（Resource Block）在时域上包含6或7个连续的符号，在频域上包含12个连续的子载波。因此一个RB包含的 RE个数，对应时域上的1个slot和频域上12个连续的子载波（180 kHz）。可以看出，对于正常的循环前缀，每个RB包含7 * 12 = 84个RE；对于扩展的循环前缀，每个RB包含6 * 12 = 72个RE。
虽然RB是基于一个slot（0.5 ms）定义的，但LTE中调度的基本时间单位是一个子帧（1 ms，对应2个slot），称为一个TTI。一个TTI内的调度（调度PDSCH和PUSCH资源）的最小单位实际上由同一子帧上时间上相连的2个RB（每个slot对应一个RB）组成，并被称为RB pair。

三、antenna port、layer
    天线端口（antenna port）是逻辑上的概念，一个天线端口可以是一个物理发射天线，也可以是多个物理发射天线的合并。在这两种情况下， UE的接收机（receiver）都不会去分解来自同一个天线端口的信号，因为从终端的角度来看，不管信道是由单个物理发射天线形成的，还是由多个物理发射天线合并而成的，这个天线端口对应的参考信号（Reference Signal）就定义了这个天线端口，终端都可以根据这个参考信号得到这个天线端口的信道估计。每个天线端口对应一个时频资源网格（time/frequency resource grid），有其独自的参考信号。一个天线端口就是一个信道，终端需要根据这个天线端口对应的参考信号进行信道估计和数据解调。
    在小区TxRxMode中的选项4T4R表示4个接收通道4个发射通道，此通道即为物理通道。在CrsPortNum中的2PORT表示两个参考信号端口数，此端口即为天线逻辑端口。CrsPortMap，为小区参考信号天线端口映射，当物理端口和逻辑有了区分和隔离后，就有了端口映射关系。比如4T2P，4个物理端口2个逻辑端口，默认映射关系0011，则逻辑端口0上的数据映射到物理端口0和1上，而逻辑端口1上的数据映射到物理端口2和3上。
    对基本数据块进行加扰和调整后的数据会映射到一个或多个传输层（transmission layer，通常也称为layer），不同传输层的数据映射到不同的端口上。每层对应一条有效的数据流。传输层的个数，即层数被称为“传输阶”或“传输秩（rank）”。传输秩是可以动态变化的。层数必须小于或等于发射天线端口个数和接收天线端口个数二者的最小值，即“层数 ≤ min(发射天线端口数，接收天线端口数)”。
当同一个小区能实现多layer传输时，也就意味着在同一个时频资源上实现了传多份数据的可能，也就在频分复用和时分复用外实现了空分复用。在4T2P情况下，拥有2个逻辑端口，当符合一定条件时，则可以实现2layer传输，若此时两层传输传输的同一份数据，则叫做传输分集；若传输的是不同数据，则叫做空分复用。当2层传输，且都传输的是不同数据，则称之为RANK2。

四、小区特定的参考信号
    下行参考信号是预先定义好的，并占用时频资源网格中的某些特定RE。LTE中定义了多种下行参考信息，每种参考信号有各自不同的应用场景，包括小区特定的参考信号、MBSFN参考信号、UE特定的参考信号、定位参考信号、CSI参考信号。
    小区特定的参考信号对小区内的所有UE都有效，其作用包括：（1）可被UE用于除PMCH和TM 7/8/9（对应基于非码本的预编码）下的PDSCH传输之外的其它任何下行物理信道的信道估计；（2）可被UE用来获取CSI；（3）基于小区特定的参考信号的终端测量可用作决定小区选择和切换的基础。
    小区可以使用1个、2个或4个小区特定的参考信号，分别对应使用1个、2个或4个天线端口。小区特定的参考信号只在天线端口0~3中的一个或几个中传输。小区特定的参考信号在每个下行子帧，整个下行带宽内的每个RB上都会发送，此处在TDD 12.0版本有相关优化，意图在无数据调度的RB上不发送参考信号，从而达到降低其他RB的干扰的目的。MBSFN参考信号在天线端口4上传输，还有其他的下行参考信号在5、6..14、15等端口上传输。此处的端口讲述的是参考信号在RB pairs上的一种摆放方式, 其最终都需要映射到小区中存在的逻辑端口上。目前逻辑端口数最大为8。

五、小区特定参考信号功率与RRU发射功率的计算
1. 小区特定参考信号功率的设置。
    可以配置一个小区的参考信号功率，也可以配置一个天线的参考信号功率。此处设置的功率为单位时间内在任一RE频率带宽上发射的参考信号能量。也就是单位时间内一个子载波的发射能量。

2.  RRU发射功率的计算
    设功率设置值为a(0.1dBm)，参考信号功率为p’。
    则有0.1a=10lg p’, p’=100.01a，此处P’表示单个RE上的发射功率。
    一个20M小区，其RE数目为100*12，假设所有有RE上都发射的是参考信号，则RRU端口上可以检测到的发射功率p应该为：
    P=1200*p’=1200*100.01a
    1个、2个或4个天线端口的小区特定参考信号的映射关系如下图所示，其中绿色为参考信号RE，白色为普通数据RE，空格为不发送数据。功率的单位时间为1s,也就是1个TTI，就是下图中一个大方块的长度，对普通子帧，其包含了14个符合。大方块的高度方面为12个子载波。也就是一个RB pairs包含了12*14=168个RE。为了使参考信号能被有效接收，参考信号的功率通常大于普通信号的功率。总的功率等于一个符号长度内所有RE功率的求和。

                            

 图示：小区参考信号端口1,2,4的排序      

                                                              
      在一个符号的时间长度内，有的12个RE包含了参考信号RE，有的不包含，有的还包含了不发送信号的空格。定义TypeA RE，TypeB RE 如下：
    TypeA RE：REs without RS signals on the same symbol
     TypeB RE:  REs with RS singals on the same symbol
    对One antenna port，其功率的计算有两种情况：2 RS + 10 TypeB RE；12 TypeA RE。
    对Two/Four antenna port: 其功率的计算也有两种情况：2 RS + 8 TypeB RE；12 TypeA RE。
    定义EA(mW)，EB(mW)，ERS(mW)。EA(mW): The RE power of TypeA RE；EB(mW): The RE power of TypeB RE；ERS(mW): The RE power of RS signals。ERS跟MML设置值dbm的换算关系如下：ERS(mW) = 10^(RS(dBm)/10)。
    ERS和EA/EB的大小关系来源于port以及PA/PB的设置，端口设置前面已经描述。PB，该参数表示PDSCH上EPRE（Energy Per Resource Element）的功率因子比率指示，它和天线端口共同决定了功率因子比率的值。该参数设置的越小，有导频的符号上的数据功率越小；该参数设置的越大，有导频的符号上的数据功率越大。
    ρa(mW) = EA/ERS；ρb(mW) = EB/ERS。
    一般情况下有ρa(dBm) = PA + 10log(2) (Transmit diversity)或者ρa(dBm) = PA  (Other situations)。ERS一定，PA变大，则EA变大，小区所有用户功率将提高。在传输分集时，PA功率相对非传输分集提高两倍。由PA可以得出ρa, 进而得到EA。
    ERS(mW) = 10^(RS(dBm)/10);
    EA(mW)= 10^((RS(dBm)+ρa(dBm))/10);
    EB(mW)= 10^((RS(dBm)+ρb(dBm))/10)。
    ρb(dBm) 与 ρa (dBm)的关系如下表， 由ρa和PB，进而可以得出ρb，最后算出EB。

 
    计算举例：20M、PB=2、PA= -3dB、2PORT、普通小区PDSCHCFG=122（0.1dBm）。无传输分集。
ERS=10(122*0.1/10)=16.6;
ρa (dBm)=PA=-3,  ρb(dBm)=0.75*ρa (dBm)=-9/4;
EA=ρa(mw)*ERS=10(ρa(dBm)/10)*ERS=10(-3/10)*ERS=0.5*ERS=8.3;
EB=ρb(mW) *ERS=10(ρb(dBm)/10)*ERS=10(-9/40)*ERS=0.6*ERS=9.96.
    在2PORT下，2OM小区。对于没有参考信号的部分，每一个符号的时间刻度内包含了100个RB，每个RB内12个RE, 每个RE的功率为EA:
    发射功率为1200EA=1200*10^((RS(dBm)+ρa(dBm))/10)=9960Mw=9.6W。
    对于有参考信号的部分，每一个符号的时间刻度内包含了100个RB，每个RB内8个功率为EB的RE, 两个功率为ERS的RE:
    发射功率为800EB+200ERS=800*10^((RS(dBm)+ρb(dBm))/10)+200ERS=11288Mw=11.2W。
    在一个TTI内的平均功率应该是由4列带参考信号和10列不带参考信号RE平均而成。整体而言，我们设定了参考信号RE的功率，又设定了PA和PB以及PORT数，从而决定传输业务数据的RE的TypeA RE和TypeB RE的功率，再根据每一个RB pairs当中不同RE的排列最终得出总的功率。由于系统的复杂性，比如PA的可变化，以及PA、PB同EA、EB的非线性关系，实际情况比本例子中的计算要更加复杂。

 

3. SIB2中RSP的计算
    Sib2(RSP)：SIB2消息中下发的RSRP值，是每逻辑天线(port)的小区参考信号的功率。计算原则为当逻辑端口数小于物理小区端口数时，比如物理端口4，逻辑端口2。则SIB2中的值为配置功率换算为功率后的2倍。因为两个天线同时发送的数据在终端侧被叠加。
    Sib2(RSP) = 0.1dBm * ReferenceSignalPwr + 10*log10(AntNum / CrsPortNum)。其中AntNum为物理天线个数，CrsPortNum为CRS端口数。