详解PA、PB、RSPower三者的作用机理及应用

鉴于常用PA/PB资料介绍不全面,一般都未给出推导及正确的计算方法,普遍存在一定的局限性。本文着重从定义本身出发,然后利用数学方式进行表达呈现,并进一步应用到计算功率利用率η和CRS发射功率等中。

一

回顾OFDM符号构成

OFDM代表正交频分复用,这里说的正交指的是子载波间相互正交。频域上由众多正交的子载波组成,而在时域上每个symbol均由NCP+N构成:

根据不同的子载波间隔Δf,OFDM符号而有不同的CP长度,这些不同CP长度是根据不同时延色散要求而设计的。

循环前缀CP的作用是在接收端避免符号间干扰,以及维持子载波完整性,避免子载波间干扰。

有用信号的时间长度Tu有两种:66.67us和133.33us,后者为MBMS独立组网的应用,现网常规应用66.67us,其采样点数N为2048个,采样周期为1/(2048*15000)s。

对于发送端来说:在Tu时间窗口上进行EPRE标定;对于接收端来说:在Tu时间窗口上进行信号接收和信号测量。

这些OFDM符号,组成了上下行时隙,2个时隙组成子帧,10个子帧构成1个无线帧:

二

下行参考信号分类及位置

有五种类型的下行参考信号被定义:Cell-specific reference signals (CRS)、MBSFN reference signals、UE-specific reference signals、Positioning reference signals (PRS)、CSI reference signals (CSI-RS)。

1)小区专用参考信号CRS

不论常规CP还是扩展CP,单天线口、二天线口的CRS时域上的位置均位于每个下行时隙的第一个符号位上以及倒数第三个符号位上,而四天线口的CRS时域上除了上述位置外,还新增了每个下行时隙的第二个符号位上。

所有天线端口的CRS在RE上的位置相互不干扰:当某个端口的RE位置上在发射CRS信号,其它端口在相同RE位置上则不能发射信号,该RE能量予以空缺(该能量可根据PAPB设置而叠加于本符号其它有能量的RE上),反之亦然。

如果该下行子帧为MBSFN子帧,它承载着PMCH信息:

单天线口、二天线口情况下,该下行子帧自第二个(含)OFDM符号起不再出现CRS,均为A类符号;

四线口情况下,该下行子帧自第三个(含)OFDM符号起不再出现CRS, 均为A类符号;

2)天线端口4的MBSFN参考信号

特征:MBSFN子帧上的MBSFN参考信号在时域上与CRS不重叠。

3)天线端口5的UE专用参考信号-单流波束赋形号

特征:UE专用参考信号在时域或频域上与CRS不重叠,彼此共存。

4)其它下行参考信号

R9版本

•手机定位参考信号---天线口6

•UE专用参考信号---天线口7、8(双流波束赋形) 

R10版本

•UE专用参考信号---天线口7......14,层数最大值υ为 8

•CSI参考信号---天线口15、15...16、15...18、15...22 (CSI 天线口数为1、2、4、8)

下行参考信号非常重要,是下行信道测量、信道模型H函数估算或解调的基础,必须保证其完全独立性。上述不同类型的下行参考信号或在时域上错开或在频域上错开,不会导致相互之间干扰。

三

EPRE、A类符号、B类符号、ρA、ρB、PA、PB的概念

EPRE概念:

RE上有用信号能量:EPRE=TxPower*(1/Δf)。在应用PA/PB/RSPower参数时,涉及三类RE:

没有CRS的符号上的PDSCH RE(即A类符号RE);

有CRS的符号上的PDSCH RE(即B类符号RE); 

CRS的RE。

以上PDSCH RE为泛指,也即非CRS RE。

【其它EPRE阐述:在传输模式TM7/TM8/TM9(不大于2层)的情况下,UE可以假定UE-specific RS EPRE 等同于 PDSCH EPRE(UE专用参考信号所在符号位置),即全部当成A类PDSCH符号,RE 发射功率均相同;在传输模式TM9(大于 2 层)的情况下,UE可以假定UE-specific RS EPRE比PDSCH EPRE大3dB(UE 专用参考信号所在符号位置);下行定位参考信号/CSI-RS EPRE也即它们的RSPower假定为恒值;UE可以假定PMCH EPRE与MBSFN RS EPRE相同,而MBSFN RSPower相对小区CRSPower设置偏移值。】

【CRSPower概念:CRS参考信号所在RE上的平均发射功率,UE可以假定下行CRS的EPRE在所有子帧上是恒定的,直到收到不同的CRS功率信息(SIB2)。

接收端RSRP概念:在考虑的测量频率带宽内,携带CRS的RE功率贡献总和的线性平均值, Reference Signal Received Power (RSRP),The power per resource element is determined from the energy received during the useful part of the symbol, excluding the CP。】

A类符号、B类符号概念(TypeA、TypeB): 

没有CRS的OFDM符号即A类符号; 

有CRS的OFDM符号即B类符号。

A类符号、B类符号在具体子帧上的规定,分成非MBSFN子帧和MBSFN子帧两种情况:

常规应用为第一种情况,即下行子帧为非MBSFN子帧:

单天线口、二天线口---B类符号为每个下行时隙的第一个符号和倒数第三个符号,其余均为A类符号。

四天线口---B类符号为每个下行时隙的第一个符号、 第二个符号和倒数第三个符号,其余均为A类符号。

由于现网下行子帧为非MBSFN子帧,且CRS端口为单天线口或二天线口,故后续讨论相关计算时,皆以此为模型。

A类符号RE、B类符号RE、CRS RE(假定 PCImod6=0)的示意图如下:

ρA、ρB的概念

ρA表示没有CRS的OFDM符号PDSCH RE(即A类符号RE)

与CRS RE的能量比值,即两者发射功率比值,为线性值,可换算成相应对数值dB。

ρB表示有CRS的OFDM符号PDSCH RE(即B类符号RE)与CRS RE的能量比值,即两者发射功率比值。

以上A/B类符号PDSCH RE为泛指,也即非CRS RE。

PA、PB的概念

PA为UE专用参数(UE specific parameter),在RRC连接态时由基站发送给UE,这类消息为RRC连接建立或RRC连接重配置消息。ρA引用PA参数,并在特定情况下需要-3dB功率偏移:

1)当四天线口发射分集情况下,ρA = δpower-offset + PA + 3[dB](某个天线口上发射信号的子载波只有带宽的一半,根据 A/B 符号关联,两者功率均翻倍);

2)其它情况下,ρA = δpower-offset + PA [dB]。

δpower-offset为下行功率偏移值,该参数针对传输模式 TM5(MU-MIMO)生效,与信道模型估算有关,在PDCCH格式1D中下发,这时δpower-offset = -3 dB, 而其它传输模式下δpower-offset = 0 dB。由于MU-MIMO采用单层映射,ρA = PA – 3 [dB],意味着在接收端物理上降低了A类符号RE功率,根据A/B符号关联,逻辑上也会降低了A/B类符号RE功率。

PA参数值共有8个,常规应用下,ρA与PA的对应表如下:

PB为小区级别的专用参数(cell-specific parameter),在系统消息SIB2中广播,只有当UE处于RRC连接态时才有意义。PB参数值范围为0~3,共4个,为索引号,每个索引号对应着ρB/ρA的比值系数,由于ρB与ρA的公共分母均为CRS EPRE,且都是在有用信号时间内进行计算的,因此也就代表了B类符号RE与A类符号RE的功率比值。

3GPP协议中PA、PB参数信元如下:

四

PB所代表比值的由来及推导

特征:时域上A类符号和B类符号都在满功率情况下,PB索引序号代表了CRS RE功率的增强倍数:

PB=0代表不增加CRS功率,与A类符号RE等值,这时计算ρB/ρA;

PB=1代表CRS功率相对A类符号RE增加了1倍,这时计算ρB/ρA; 

PB=2代表CRS功率相对A类符号RE增加了2倍,这时计算ρB/ρA; 

PB=3代表CRS功率相对A类符号RE增加了3倍,这时计算ρB/ρA。

由于CRS在频域上按照6个子载波进行循环重复的,因此下图的计算模型是按照6个子载波来进行的:

据此单天线口、二四天线口下,PB各有四个比值:

综上所述,PB有4个值,PA有8个值,这样总共可构成4x8个组合,每个组合也即二元组(PB,PA),横行为PB、竖列为PA:

说明:这32个组合并不是每个厂家都支持的,但至少可以支持7个或8个。

五

功率利用率η的计算

关于RSpower、PA、PB三者之间的关系描述如下图:

根据定义,再次强调:

RSPower仅与PA发生直接关系,不与PB发生直接关系;

PB(线性值)表示B类符号与A类符号发生关系。

总之只要两个表达式就可以阐述上述关系,下面利用这些定义来计算各类RE功率。由于CRS在频域上是按照6个子载波进行重复循环的,因此计算时可按6个子载波为模型,分不同天线口阐述。

1)单天线口(按6个子载波为模型):

上述图例和式子中B类符号RE功率以(ρB/ρA)·A来表示,CRS功率以(1/ρA)·A来表示。

2)二天线口(按6个子载波为模型):

上述图例和式子中B类符号RE功率以(ρB/ρA)·A来表示,CRS功率以(1/ρA)·A来表示。

将上述功率计算应用到每个二元组(PB,PA)中: 

某个二元组(PB,PA)的A类符号总功率为6A

某个二元组(PB,PA)的B类符号及参考信号总功率=B类符号总功率(行)+参考信号CRS功率(列)

结果列表如下:

小结:

不论单天线口还是二天线口情况,在选定的某个二元组(PB,PA),计算出来的B类符号及参考信号总功率是相同的。

原因在于构成二元组的某个PB索引号---单天线口的B类符号总功率5(ρB/ρA)A与二天线口的B类符号总功率4(ρB/ρA)A是相等的,按照PB索引号递增往下排列依次为5A、4A、3A、2A,也就是每一行B类符号RE衰减的总功率是一样的,按照PB索引号递增往下排列依次为0、1A、2A、3A。而构成二元组的某个PA所对应的CRS功率也只有一个。

绿色区域代表A/B类符号均为满功率发射,这时功率利用率必然为100%。

白色区域代表A类符号满功率发射,而B类符号及参考信号总功率没有达到满功率发射,这时计算的就是B类符号位置上的功率利用率η:

灰色区域代表A类符号没有满功率发射(因B类符号功率受限而对A类符号功率进行衰减),而B类符号及参考信号总功率是满功率发射的,这时计算的就是A类符号位置上的功率利用率η:

计算结果如下:

二元组(PB,PA)的灰色区域---实质为A类符号RE功率衰减而导致,解释如下:

假设A类符号RE的发射功率为A,其总功率为6A。根据PAPB的相互关系,灰色区域的B类符号及参考信号总功率计算结果已经超过满功率情况下的6A,必然导致射频设备不能正常功能。

对于某些设备厂家来说灰色区域的二元组(PB,PA)是禁区而不能设置的,而有些厂家则可通过衰减A类符号RE的发射功率来重构A/B类符号RE功率以及CRS功率,这样的话可以使B 类符号及参考信号总功率达到满功率6A。

由于PB所代表的实际上是ρB/ρA比值关系,那么B类符号RE总功率也将同步于A类符号总功率同比例衰减,即对5A/4A/3A/2A作同比例衰减,由于B类符号及参考信号总功率依然为满功率6A, 那么CRS功率将相应增大,当然PA值也越小(即-PA值越大)。

【针对A类符号功率衰减的计算方法

以单天线口,PB=0/PA=-3为例:

假设A类符号RE的发射功率在满功率A的基础上衰减了x,那么对于B类符号来说满功率表达式为5(A-x)+(A+5x)=6A,加号前一项为B类符号总功率,加号后一项为参考信号功率,而参考信号功率与A类符号RE功率的关系则是等式2(A-x)=A+5x,求得x=A/7,也就是说A类符号RE实际发射功率为6A/7,图示如下:

同理,以二天线口,PB=0/PA=-3为例:

假设A类符号RE的发射功率在满功率A的基础上衰减了x,那么对于B类符号来说满功率表达式为4*5/4(A-x)+(A+4*5/4x)=6A,加号前一项为B类符号总功率,加号后一项为参考信号功率,而参考信号功率与A类符号RE功率的关系则是等式2(A-x)=A+5x,求得x=A/7,也就是说A类符号RE实际发射功率为6A/7, 图示如下:

涉及A类符号功率衰减的PAPB二元组设置并不是所有设备厂家都支持】

六

最大CRS功率计算

1)A类符号RE功率不衰减情况(绿色及白色区域)

2)A类符号RE功率衰减情况(灰色区域)

波束赋形增益BFGain的计算,对构成波束赋形的四个通道天线阵子的幅度系数(权重)的平方和取对数:

【关于CRS 功率计算公式的正解,有些文档在计算CRS功率时采用以下公式:

这是一个不完整的公式,只能计算功率利用率为100%情况下的CRS功率,仅4种情况, 如下图绿色二元组(PB,PA):

然而二元组(PB,PA)总共有32个,而且上述公式不是原始定义(参考信号功率RSPower仅与PA发生直接关系),建议尽量不要采用该公式。

另外有的厂家在计算或设置CRS功率时,仅考虑单个通道的CRS功率,没有考虑波束赋形增益的应用,但最终在系统消息SIB2发送时会考虑该增益,较隐蔽需注意】

七

下行RNTP的传递

在小区间干扰协调ICIC中,是通过协调控制相邻基站同频小区之间上下行PRB发射功率来实现的。

基站间的信息传递承载于负荷信息load information消息中,该消息通过X2接口在两个基站之间传递。

该消息主要内容包含:上行OI、上行HII、下行RNTP、下行ABS(空闲子帧)等,如下图:

1)上行干扰过载指示OI:

发送方基站在每个上行 PRB 上测量到的干扰,分为高、中、低三种,实质上代表了邻小区对本小区的干扰情况,这些信息被接收方基 站(邻小区)用于设置上行调度策略。

2)上行高干扰指示HII:

代表发送方基站已经在用的那些上行PRB的干扰敏感度,分为高干扰敏感性、低干扰敏感性,实质上通报本小区对邻小区的潜在上行干扰情况。接收方基站尽量避免调度边缘用户在这些上行高干扰敏感性的PRB上。

3)相对窄带发射功率RNTP:

这是一个发送方基站的主动行为,实质上通报本小区对邻小区的潜在下行干扰情况。相对窄带意味着是在一个PRB带宽上,即180KHz带宽,而非整个小区下行频点DL-EARFCN带宽。

该消息指示本小区在今后一段时间内的承诺:

有哪些下行PRB的发射功率不大于RNTP门限(即承诺概念);

又有哪些下行PRB的发射功率会超过RNTP门限(即无承诺概念), 这些PRB位置是依据位图来排列的。

发送方基站在X2接口传递这些基于PRB的RNTP信息时,必须随同提供门限和A/B类符号范围:包含RNTP门限、天线口信息、PB、PDCCH符号数等。

接收方基站邻小区应用以上信息来评估本身小区下行相关PRB位置上潜在干扰,而后设置有针对性的下行调度策略,以避免或减少下行同频干扰。

关于计算RNTP的公式如下:

上述公式EPRE都是在有用信号1/Δf时间内基于A类符号来计算的。

实质上RNTP等式的分子部分代表了今后一段时间被调度的PRB将采用的A类符号RE发射功率(根据下行调度PDSCH可能采用的功率分配方式,可引申出中心用户和边缘用户的两种情况,各自PA值是不一样的),分母代表了本小区最大的A类符号RE发射功率。

八

PA/PB/CRS的典型应用

1)改善弱覆盖

有损权值八通道天线的波束赋形前方相对集中,应用场景定位于前方点状集中覆盖;

无损权值八通道天线的波束赋形前方相对较宽,应用场景定位于前方大视角面状覆盖。

对波束赋形天线的权重、相位角具有一定隐秘性,不太会引起重视,但是对现网影响很大,不正确的应用会造成覆盖效果,比如产生弱覆盖或重叠覆盖,深度达到5dB。

2)提升MR弱覆盖或抑制过覆盖

除了修改通道功率外,可调整PA/PB参数,下图为经过逐步调整后的MR覆盖率曲线:

结合现网kpi指标的要求,在实际工作中,必须考虑A/B类符号两者的功率均衡性问题,尽量均衡,也即ρB/ρA 比值均衡,比如该比值在5/4~3/4之间,因此建议二元组(PB,PA)应用在下图的粉红色方框区域内:

特别说明:

有的厂家不支持灰色区域的二元组设置;

有的厂家只支持相应PA列档中功率利用率η最高的二元组(蓝色的为可指定设置,否则也是利用率最高的二元组);

有的厂家不支持PA=1dB/2dB这两档设置(它们所对应ρA线性值为无理数)。 

3)改善低速率

均衡A/B类符号功率,降低CRS功率。

附录:额外信息

1)关于TM7/TM8/TM9(不大于2层)的PDSCH EPRE与UE-specific RS EPRE的比值(UE专用参考信号所在符号位置),UE可以假定为0,也即UE-specific RS EPRE的功率等同于A类PDSCH符号。

2)关于TM9(大于2层)的PDSCH EPRE与UE-specific RS EPRE的比值(UE 专用参考信号所在符号位置),UE假定为-3dB,也即UE-specific RS EPRE的功率增强。

3)在系统中,RSPower的值作为一个基准,其它物理信道/信号、甚至是逻辑信道都可以设置一定的偏置,该偏置值可为正数、零、负数,这些信道/信号有PBCH/PMCH/PCFICH/PHICH/PDCCH、PCCH、PSS、SSS、SIB等。

下行定位参考信号/CSI-RS EPRE也即它们的RSPower假定为恒值。

PMCH EPRE与MBSFN RS EPRE的比值为0,也即两者发射功率相同。

本文作者： 周国有（zhouguoyou2120）

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