LTE小区特定参考信号

1. 简介

小区特定参考信号（Cell-specific Reference Signal，CRS），通常也称作公共（Common）参考信号，因为小区特定参考信号可用于一个小区中的所有用户，而且无需对它们进行用户特定的处理 [1] 。其作用包括 [2]：

可被UE用于下行物理信道的信道估计（除PMCH和TM 7/8/9下的PDSCH传输之外）。
可被UE用于获取信道状态信息（Channel State Information，CSI）。
可被UE用于终端测量，从而决定小区选择和切换。

小区特定参考信号支持1、2、4个天线端口（Antenna Port）配置，并在天线端口p=0p=0p=0、p∈{0,1}p \in \{0,1\}p∈{0,1}、p∈{0,1,2,3}p \in \{0,1,2,3\}p∈{0,1,2,3}上传输。

注释：
TM 7使用天线端口5，TM 8使用天线端口7和8，TM 9使用天线端口7~14，并使用用户特定参考信号（DeModulation Reference Signal，DM-RS）进行相干解调或者说信道估计。

小区特定参考信号在每个下行子帧，整个下行传输带宽内的每个RB上都会发送（所以说是公共参考信号）。更具体严谨地 [3]，

对于帧结构类型1而言，小区特定参考信号在所有下行子帧上传输。
对于帧结构类型2而言，小区特定参考信号在所有下行子帧和DwPTS上传输。
对于帧结构类型3而言，小区特定参考信号在非空子帧上传输。
另外，在MBSFN子帧上，小区特定参考信号只能在该子帧的非MBSFN区域（non-MBSFN region）上传输。

小区特定参考信号只支持Δf=15\Delta f=15Δf=15 kHz。

2. 小区特定参考信号序列的生成

小区特定参考信号（参考符号）序列的生成方式如下图1所示 [4]。

图1. 小区特定参考信号序列的生成 [4]

图1上半部分给出了小区特定参考信号序列的表达式，rl,ns(m)r_{l,n_s}(m)rl,ns(m)表示小区特定参考信号序列：

下标lll表示一个时隙（Slot）内的符号（Symbol）编号，nsn_sns表示一个无线帧或者系统帧（Frame）内的时隙编号。因此，rl,ns(m)r_{l,n_s}(m)rl,ns(m)的变化周期为10 ms，即一个无线/系统帧。
rl,ns(m)r_{l,n_s}(m)rl,ns(m)中mmm的取值范围为m=0,1,⋯,2NRBmax,DL−1m=0,1,\cdots,2 N_{\rm RB}^{\rm max,DL}-1m=0,1,⋯,2NRBmax,DL−1。其中，NRBmax,DLN_{\rm RB}^{\rm max,DL}NRBmax,DL等于110，这是因为不管系统带宽为多少，参考信号序列都是按照频域上最大可能的传输带宽110个RB来定义的；乘以2是因为小区特定参考信号在每个可能符号内的每个RB上都占用2个RE（Resource Element），所以需要2个参考符号 [2]。
小区特定参考序列是由2个Gold序列（c(n)c(n)c(n)）生成。有关Gold序列，请参考参考文献 [5]。其中，NcN_cNc为1600。

注释：
实际上，所有LTE下行参考信号序列生成方式基本是一样的，主要区别在于初始化的方式不同。

图1下半部分给出了小区特定参考信号序列的初始化方式，即c(n)c(n)c(n)的初始化方式：

小区特定参考信号序列的初始化和一个无线/系统帧内的时隙编号nsn_sns、一个时隙内的符号编号lll，物理小区标识（Physical Cell ID，PCI）NIDcellN_{\rm ID}^{\rm cell}NIDcell，以及循环前缀的类型NCPN_{\rm CP}NCP有关。

3. 小区特定参考信号序列到RE的映射

小区特定参考信号序列到RE的映射规则如图2所示 [2]，每个参考符号占据1个RE。

图2. 小区特定参考信号序列到RE的映射规则 [2]

注释：
如对LTE空口资源不了解的，可以参考LTE空口资源。

下面，我们主要结合图3来理解一下图2的规则。图3给出了正常循环前缀且PCI mod 6=0的情况下（我们先忽略PCI mod 6=0，下面我们会详细说到），小区特定参考信号序列到RE的映射。

图3. 小区特定参考信号序列到RE的映射（正常循环前缀，PCI mod 6=0） [2]

图3从上往下，依次是配置了1个天线端口（p=0p=0p=0）、2个天线端口（p∈{0,1}p \in \{0,1\}p∈{0,1}）和4个天线端口（p∈{0,1,2,3}p \in \{0,1,2,3\}p∈{0,1,2,3}）的情况。从中可以发现：

时域上：
l={0,NsymbDL−3,if p∈{0,1}1,if p∈{2,3}l = \left\{ \begin{aligned} &0,N_{\rm symb}^{\rm DL}-3,~&\text{if}~p \in \{0,1\} \\ &1,~&\text{if}~p \in \{2,3\} \end{aligned} \right. l={0,NsymbDL−3, 1, if p∈{0,1}if p∈{2,3}
- 对于天线端口0和1而言，小区特定参考信号位于每个时隙的第一个和倒数第三个符号上（即l=0,NsymbDL−3l=0,N_{\rm symb}^{\rm DL}-3l=0,NsymbDL−3，if p∈{0,1}p \in \{0,1\}p∈{0,1}）。
- 对于天线端口2和3而言，小区特定参考信号位于每个时隙的第二个符号上（即l=1l=1l=1，if p∈{2,3}p \in \{2,3\}p∈{2,3}）。
- 因此，相比天线端口0和1，天线端口2和3上的参考信号密度减半，即天线端口0和1上，每个RB上有4个参考信号，而天线端口2和3上，每个RB上只有2个参考信号。这是出于降低参考信号开销的考虑。
频域上：
k=6m+(v+vshift)mod 6k = 6m+(v+v_{\rm shift})~\text{mod}~6k=6m+(v+vshift) mod 6
- 同一符号内的小区特定参考信号之间间隔6个子载波或者说RE，所以一个符号内每个RB上有2个小区特定参考信号/符号。
- 对于天线端口0和1而言，在每个时隙上，第一个符号和倒数第三个符号上的参考信号之间间隔3个子载波或者说RE；而在相同符号上，天线端口1上的参考信号和天线端口0上的参考信号间隔3个子载波或者说RE。即，
  v={0,if p=0and l=03,if p=0and l≠03,if p=1and l=00,if p=1and l≠0v = \left\{ \begin{aligned} & 0,~&\text{if}~p=0~\text{and}~l=0 \\ & 3,~&\text{if}~p=0~\text{and}~l \neq 0 \\ & 3,~&\text{if}~p=1~\text{and}~l=0 \\ & 0,~&\text{if}~p=1~\text{and}~l \neq 0 \\ \end{aligned} \right. v=⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎧0, 3, 3, 0, if p=0 and l=0if p=0 and l=0if p=1 and l=0if p=1 and l=0
- 对于天线端口2和3而言，在每个子帧上或者说RB对内，相邻两个时隙上的参考信号间隔3个子载波或者说RE；而在相同时隙上，天线端口2上的参考信号和天线端口3上的参考信号间隔3个子载波。即，
  v={3(nsmod 2),if p=23+3(nsmod 2),if p=3v = \left\{ \begin{aligned} & 3(n_s~\text{mod}~2),~&\text{if}~p=2\\ & 3+3(n_s~\text{mod}~2),~&\text{if}~p=3 \\ \end{aligned} \right. v={3(ns mod 2), 3+3(ns mod 2), if p=2if p=3
- 另外，不同PCI小区的小区特定参考信号会有一个特定的频率偏移（Frequency Shift），即vshift=NIDcellmod 6v_{\rm shift}=N_{\rm ID}^{\rm cell}~\text{mod}~6vshift=NIDcell mod 6。我们以单个天线端口/小区特定参考信号为例，图4给出了不同频率偏移下的小区特定参考信号。

图4. 不同频率偏移的参考信号 [6]

另外需要注意的是，在同一天线端口上，被小区特定参考信号占据的RE都不能用于其他传输；在不同天线端口上，如果某个天线端口上的某个RE被小区特定参考信号占据，那么其他天线端口上相同时频位置的RE也不能用于其他传输。这主要是为了避免不同天线端口上小区特定参考信号之间的干扰，提升空分复用的多天线传输性能 [2]。

注释：
为了有效提高参考信号的接收SIR，参考信号占据的RE拥有比其他RE更高的发射功率，这称之为“参考信号功率提升”（一般至多有6 dB的功率提升）。

虽然同一小区不同天线端口上的小区特定参考信号之间因为时频资源正交，彼此之间不存在干扰。但是，不同小区的小区特定参考信号之间可以使用同一时频资源。如果相邻小区的参考信号和本小区参考信号使用相同的RE，那么由于相邻小区的参考信号功率提升，本小区的参考信号功率提升的增益就会被抵消。所以，不同小区的参考信号在频域上会有个vshiftv_{\rm shift}vshift的频率偏移。

对于1个天线端口配置而言，通过频率偏移，可以避免至多6个相邻小区的小区特定参考信号之间的视频资源冲突或者说干扰。该种情况下的干扰称为“模六干扰” [7]。对于2、4个天线端口配置而言，通过频率偏移，可以避免至多3个相邻小区的小区特定参考信号之间的时频资源冲突或者说干扰。该种情况下的干扰称为“模三干扰” [7] [8]。

所以在布网阶段，需要仔细规划PCI。

图5. 小区特定参考信号序列到RE的映射（扩展循环前缀，PCI mod 6=0） [9]

图5给出了扩展循环前缀且PCI mod 6=0的情况下，小区特定参考信号序列到RE的映射。

注释：
UE通过小区搜索过程，可以得到小区的PCI、10 ms timing（也就知道子帧0所在的位置，进而也就知道了每个时隙编号所在的位置）、循环前缀配置（也就知道了使用的是正常的循环前缀还是扩展的循环前缀，以及每个符号编号所在的位置）。由于小区特定的参考信号及其时频位置与PCI是一一对应的，因此在小区搜索过程之后，UE也就知道了该小区的小区特定的参考信号序列及其时频位置。

UE通过接收MIB（Master Information Block）又可以知道小区特定的天线端口数（1，2或4），从而知道了小区使用多少个小区特定的参考信号，也即小区特定的参考信号会在哪几个天线端口上传输 [2]。

声明

本文内容主要基于Rel-10。

Reference

[1]: LTE - The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice, 2nd Edition [2]:《深入理解LTE-A》第二版 [3]: http://www.sharetechnote.com/html/FrameStructure_DL.html#RS [4]: http://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_Reference_Signal_Downlink.html [5]: https://blog.csdn.net/Graduate2015/article/details/113133919 [6]: 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband [7]: https://www.bilibili.com/video/BV1Cz4y1f7Rm [8]: https://blog.csdn.net/shamogebitianye/article/details/102847514 [9]: 3GPP 36.211