LTE下行物理层传输机制-天线端口Antenna Port和小区特定参考信号CRS

Posted 2020-07-07 阿米尔C

上篇博文《LTE物理传输资源（3）-时频资源》的最后提到了PCFICH等几种下行物理信道，这篇博文本来想写PCFICH信道的，但在准备写PCFICH的时候，发现需要用到天线端口的相关内容，而这些内容目前还没有写。所以本文就先写天线端口和下行参考信号的相关内容。

1.天线端口（Antenna Port）和参考信号（Reference Signal）的关系

天线端口是一个逻辑上的概念，它与物理天线并没有一一对应的关系。在下行链路中，天线端口与下行参考信号（Reference signal）是一一对应的：如果通过多个物理天线来传输同一个参考信号，那么这些物理天线就对应同一个天线端口；而如果有两个不同的参考信号是从同一个物理天线中传输的，那么这个物理天线就对应两个独立的天线端口。

R9协议定义了四种下行参考信号，天线端口与这些参考信号的对应关系如下：

（1）小区特定参考信号（Cell-specific reference signals，CRS），或小区专用参考信号。CRS支持1个、2个、4个三种天线端口配置，对应的端口号分别是：p=0，p={0，1}，p=｛0，1，2，3｝。

（2）MBSFN参考信号（MBSFN reference signals），只在天线端口p=4中传输。这种信号用的不多，本文不涉及。

（3）UE特定参考信号（UE-specific reference signals），或UE专用参考信号，有的英文资料中也把这种信号称作解调参考信号（Demodulation reference signals，DM-RS）。可以在天线端口p=5，p=7，p=8，或p={7，8}中传输。这块内容在后面的博文中再写。

（4）定位参考信号（Positioning reference signals），只在天线端口p=6中传输。这种信号用的不多，本文不涉及。

2.小区特定参考信号的结构示意图

设计小区特定参考信号（Cell-specific reference signals）的目的并不是为了承载用户数据，而是在于提供一种技术手段，可以让终端进行下行信道的估计。终端可以通过对小区特定参考信号的测量，得到下行CQI、PMI、RI等信息。

在每个小区中，可以有1个、2个或4个小区特定参考信号，分别对应1个、2个或4个天线端口。对于一个支持PDSCH传输的小区，它的所有下行子帧（包括特殊子帧）均要传输小区特定参考信号，这些参考信号可以在端口0或端口0、1或端口0、1、2、3中传输。需要说明的是，小区特定参考信号只能在子载波间隔为15KHz的LTE系统中传输（还有一种专门用于MBSFN传输、子载波间隔是7.5KHz的情况还记得吗？请参考博文《LTE物理传输资源（1）-帧结构和OFDM符号》）。

下图是不同天线端口下，下行为Normal CP时小区特定参考信号的一种RE映射位置图。

之所以强调“一种”，是因为这个小区参考信号的RE位置与物理小区ID（还记得怎么获取吗？需要读取PSS和SSS，请参考博文《LTE小区搜索-物理小区ID和同步信号PSS、SSS》）、下行CP类型、频率偏移（k=0,1,2,3,4,5）有关，下面具体分析为什么小区参考信号是这样的位置。

3.小区特定参考信号承载的内容

在描述RE映射位置之前，有必要先介绍一下小区参考信号里映射的内容是什么。小区特定的参考信号实际上承载的是一个序列值（称为r序列），这个序列按照先时域后频域的规则映射到不同的RE中。每个OFDM符号内的参考信号都对应着1个长度为220个点的r序列，这些220个点的序列值均匀的分布在整个带宽中，每个序列点都映射到一个RE中。220个点对应的是110个RB的带宽，实际上有效的序列点个数还要看当前的实际带宽，比如当前带宽是10M，也就是说整个带宽只有50个RB，那么此时这220个序列点中，只有前面的100个序列点有效（一个OFDM符号中，每个RB有2个RE承载参考信号的序列点），此时终端只需要在每个OFDM符号中解析前100个序列点即可（当然，终端也没有办法解析出100以后的序列点）。

一个RE承载着一个小区特定参考信号的序列点，这些序列点组成了一个完整的序列r，这个序列r可以由下面的公式计算得到：

为方便理解，有必要对上面的公式做些说明：

（1）N_max_DLRB固定等于110，因此m的范围是[0,219]，所以小区特定参考信号序列r包括220个点，即每个OFDM符号可以生成220个参考信号点。

（2）每个r序列对应2个C序列，这两个C序列分别对应r序列的实部和虚部。比如r(0)对应C(0)和C(1)这两个序列，r(219)对应C(438)和C(439)这两个序列，所以220个点的r序列对应了440个点的C序列，每个RE都承载了一个实部和一个虚部。

（3）C序列由序列x1和序列x2组成。因为mod2的存在，每个C、x1和x2序列的点都是0或1，即每个C、x1、x2序列的点均对应一个bit值（0或1）。所以，每个OFDM符号中，220个点的小区特定参考信号序列r由440个C序列点组成，对应的bit个数是440bits。换句话说，每个OFDM符号的小区特定参考信号，包括了440个bits的x1序列点和440个bits的x2序列点。

（4）对于x1序列，bit31由bit3和bit0推出；对于x2序列，bit31由bit3、bit2、bit1和bit0推出，示意如下（两个序列的其他bit值可以由公式递归推出）。

经过上面的分析，已经得到了小区特定参考信号序列r，下面再分析怎么将这些序列点映射到不同的RE中。

4.小区特定参考信号的映射

不是所有的RE都可以承载小区特定参考信号的序列r，符合条件的RE的坐标（k,l）需要满足下面这个公式。

其中：

（1）k表示子载波的偏移位置，范围是0-5。不同的载波偏移位置不同，如下图所示。

（2）l表示每个时隙中OFDM符号的偏移值。该值与天线端口号p、下行CP类型有关，见下表。所以说，前文给出的小区参考信号结构示意图只是其中的一个情况。

（3）相同的天线端口，在同个OFDM符号内，间隔6个子载波。天线端口0和1在每个时隙的第1和倒数第三个OFDM符号（L=0，L=4或L=3），天线端口2和3在每个时隙的第2个OFDM符号（L=1）。四个天线端口、下行Normal CP、频率偏移等于0（即N_cell_ID=0）时的示意图结构如下。

进一步分析上面的映射公式，可以推导出下面几个知识点：

（1）终端对小区特定参考信号的解析过程，发生在PSS和SSS的同步之后。公式中的N_cell_ID是当前小区的物理小区ID，终端只有在完成PSS和SSS的同步之后，才能获取到N_cell_ID以及子帧号和下行CP类型（原因参考博文《LTE小区搜索-物理小区ID和同步信号PSS、SSS》）。

（2）相邻小区的物理小区ID要保证模6值不同。从公式中可以看到，频域偏移k值与（N_cell_ID mod 6）有关。如果小区A和小区B是邻区，且N_cell_ID(A)=1，N_cell_ID(B)=7，那么会导致两个小区相同的天线端口p对应的小区特定参考信号的位置相同，从而相互间形成了干扰。

通过上述分析，就可以确定整个带宽中每个时隙的小区参考信号的位置了。下面是TDD制式、1.4MHz带宽、下行NormalCP、四天线端口时，整个带宽里的小区特定参考信号分布示意图（红色色块标注的RE位置）。

5.小区特定参考信号对应的天线端口数从哪获取

从前文描述可以知道，天线端口个数不同，会影响小区特定参考信号的位置，因此终端需要明确的知道当前LTE系统的天线端口个数。根据36212协议表5.3.1.1-1，eNB在传输PBCH的时候，会根据当前天线端口数来选择不同的CRC掩码，因此，终端可以通过解码PBCH，获取当前小区特定参考信号对应的天线端口数目。关于PBCH的相关内容，后续博文再写。

参考文献：

（1）3GPP TS 36.211 V9.1.0 (2010-03) Physical Channels and Modulation

（2）《4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband》

（3）http://dhagle.in/LTE

（4）http://www.sharetechnote.com/

（5）3GPP TS 36.212 V9.4.0 (2011-09) Multiplexing and channel coding