详解PA、PB、RSPower三者的作用机理及应用

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）。