LTE下行用户特定参考信号

1. 简介

LTE下行用户特定参考信号（UE-specific Reference Signal），又称解调参考信号（DeModulation Reference Signal，DMRS）。所谓“用户特定”，是指用户特定参考信号只在用于特定用户PDSCH（Physical Downlink Shared CHannel）传输的RB上传输，且只对该用户有效 [1][2]。

用户特定参考信号用于对应RB的信道估计或者说相干解调，且只用于TM 7/8/9，即基于非码本的预编码场景 [2]。具体如下 [2]：

• Rel-8中，用户特定参考信号只能用于单层传输（TM 7），即不支持空分复用，每个用户至多只有一个用户特定参考信号，并在天线端口（Antenna Port）$p=5$上传输。
• Rel-9中，用户特定参考信号支持至多2层传输（TM 8），对应同时传输至多2个参考信号，每层各1个，并在天线端口 p ∈ { 7 , 8 } p \in \{7,8\} p∈{ 7,8}上传输。
• Rel-10中，用户特定参考信号支持至多8层传输（TM 9），对应同时传输至多8个参考信号，并在天线端口 p ∈ { 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 } p \in \{7,8,9,10,11,12,13,14\} p∈{ 7,8,9,10,11,12,13,14}上传输。

不同于Rel-8中的用户特定参考信号的结构，为支持多层传输，Rel-9和Rel-10中的用户特定参考信号采用了新的结构。

用户特定参考信号和PDSCH传输使用相同的预编码，因此eNodeB无需通过信令再通知用户所使用的预编码信息。

2. Rel-8中的用户特定参考信号

2.1 用户特定参考信号序列的生成

Rel-8中，用户特定参考信号序列的生成方式如下图1所示 [2] [3]。

图1. Rel-8中LTE下行用户特定参考信号序列的生成 [2]

 
图1上半部分给出了用户特定参考信号序列的表达式，$r_{n_s}(m)$表示用户特定参考信号序列：

• 下标$n_s$表示一个无线帧或系统帧（Frame）内的时隙编号，$m=0,1,\cdots ,12N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{P}\mathrm{D}\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{H}}-1$，$N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{P}\mathrm{D}\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{H}}$表示PDSCH传输所占的RB数。这边的12是因为每个RB pair包含12个用户特定参考信号/符号。
• 和小区特定参考信号（Cell-specific Reference Signal，CRS） [4]一样，用户特定参考信号由2个Gold序列（$c(n)$）组成，其表达式如下 [3]：
  $$\begin{array}{rl}c(n)& =\left(x_1(n+N_c)+x_2(n+N_c)\right)\text{mod}2\\ x_1(n+31)& =\left(x_1(n+3)+x_1(n)\right)\text{mod}2\\ x_2(n+31)& =\left(x_2(n+3)+x_2(n+2)+x_2(n+1)+x_2(n)\right)\text{mod}2\end{array}$$其中$N_c=1600$。有关Gold序列，请参考参考文献 [5] 。

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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。

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图1下半部分给出了用户特定参考信号序列的初始化方式，也即$c(n)$的初始化方式：

• Rel-8中，用户特定参考信号序列的初始化与一个无线/系统帧内的时隙编号$n_s$、物理小区标识（Physical Cell ID，PCI）$N_{\mathrm{I}\mathrm{D}}^{\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}}$以及用户的无线网络临时标识（Radio Network Tempory Identity，RNTI）有关。因此，即使某个用户接收到其他用户的用户特定参考信号，也无法正确解码，即“用户特定” [6]。
• Rel-8中，用户特定参考信号序列会在每个子帧（即TTI）开始时重新初始化 [2] [3]。

2.2 用户特定参考信号序列到RE的映射

相比小区特定参考信号，Rel-8中用户特定参考信号序列到RE的映射规则更加复杂，分为正常循环前缀和拓展循环前缀两种。

2.2.1 正常循环前缀

在正常循环前缀下，用户特定参考信号序列到RE的映射规则如图2所示 [2] [3]，每个参考符号占据1个RE。

图2. Rel-8中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射规则（正常循环前缀） [2]

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注释：
如对LTE空口资源不了解的，可以参考LTE空口资源。

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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情况下，用户特定参考信号序列到RE的映射。

图3. Rel-8中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射（正常循环前缀） [3]

• 时域上：
  $$l=\{\begin{array}{r}3l^{\prime }=0\\ 6l^{\prime }=1\\ 2l^{\prime }=2\\ 5l^{\prime }=3\end{array}$$ $$l^{\prime }=\{\begin{array}{r}0,1\text{if}{n}_s\text{mod}2=0\\ 2,3\text{if}{n}_s\text{mod}2=1\end{array}$$
  • 偶数时隙内，即 $n_s\text{mod}2=0$，用户特定参考信号位于该时隙内的第4个和第7个符号（Symbol）上。
  • 奇数时隙内，即 $n_s\text{mod}2=1$，用户特定参考信号位于该时隙内的第3个和第6个符号（Symbol）上。
• 频域上：
  $$k=(k^{\prime })\text{mod}{N}_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}+N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}.n_{\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{B}}$$ k ′ = { 4 m ′ + v s h i f t    if  l ∈ { 2 , 3 } 4 m ′ + ( 2 + v s h i f t )  mod  4    if  l ∈ { 5 , 6 } k' = \left\{ \begin{aligned} & 4 m'+v_{\rm shift}~~&\text{if}~l \in \{2,3\} \\ & 4 m' + (2+v_{\rm shift})~\text{mod}~4~~&\text{if}~l \in \{5,6\} \\ \end{aligned} \right. k′={ ​4m′+vshift​  4m′+(2+vshift​) mod 4  ​if l∈{ 2,3}if l∈{ 5,6}​ 其中$N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}$表示一个RB上的子载波个数，$n_{\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{B}}$为频域上RB的编号。
  • 同一符号内的用户特定参考信号之间间隔4个子载波或者说RE，所以每个符号内每个RB上有3个。
  • 偶数时隙内的第4个符号上的用户特定参考信号/符号和奇数时隙内的第3个符号上的用户特定参考信号/符号在频域上的位置相同。
  • 偶数时隙内的第7个符号上的用户特定参考信号/符号和奇数时隙内的第6个符号上的用户特定参考信号/符号在频域上的位置相同。
  • 偶数时隙内的第4个符号上的用户特定参考信号/符号和第7个符号上的用户特定参考信号/符号在频域上间隔2个子载波或者说RE。
  • 奇数时隙内的第3个符号上的用户特定参考信号/符号和第6个符号上的用户特定参考信号/符号在频域上间隔2个子载波或者说RE。
  • 另外，和小区特定参考信号类似，不同PCI小区发送的用户特定参考信号会有一个特定的频率偏移（Frequency Shift），即$v_{\mathrm{s}\mathrm{h}\mathrm{i}\mathrm{f}\mathrm{t}}=N_{\mathrm{I}\mathrm{D}}^{\mathrm{c}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{l}}\text{mod}3$。同样地，用户特定参考信号也存在“模三干扰”的问题 [4] [7]。
• 另外需要注意的是，用户特定参考信号和小区特定参考信号使用不同的天线端口进行传输，而且两者在时频网格上使用不同的RE，因此彼此不会相互干扰 ；而同一小区的不同用户之间使用不同的RB传输用户特定参考信号，因此彼此之间也不会相互干扰。

2.2.1 扩展循环前缀

在扩展循环前缀下，用户特定参考信号序列到RE的映射规则如图4所示 [3]，每个参考符号占据1个RE。

图4. Rel-8中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射规则（扩展循环前缀） [3]

可以参照正常循环前缀下的规则并结合下面图5来理解上述图4中的规则，在此不多做赘述。

图5. Rel-8中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射（扩展循环前缀） [3]

3. Rel-9/Rel-10中的用户特定参考信号

3.1 用户特定参考信号序列的生成

Rel-9/Rel-10中，用户特定参考信号序列的生成方式如下面公式所示 [3]：

从上式可以看出，Rel-9/Rel-10中用户特定参考信号序列的生成方式与Rel-8中用户特定参考信号序列的生成方式基本一致。

• $N_{\mathrm{R}\mathrm{B}}^{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x},\mathrm{D}\mathrm{L}}$表示下行最大传输带宽，其值为110，可参考小区特定参考信号相关内容 [4]。
• 12和16分别表示在正常循环前缀和扩展循环前缀下，每个RB pair包含12/16个参考符号。

但是，Rel-9/Rel-10中用户特定参考信号序列的初始化方式与Rel-8中用户特定参考信号序列的初始化方式不同，如下面公式所示 [3]：

• Rel-9/Rel-10中，用户特定参考信号序列的初始化与无线网络临时标识（RNTI）无关，而与加扰ID（Scrambling Identity）$n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$ 有关，这是为了使正交码分复用的多个用户特定参考信号能被用于MU-MIMO [2]。
• Rel-9/Rel-10中，用户特定参考信号序列会在每个子帧（即TTI）开始时重新初始化 [3]。

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注释：
$n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$的值一般为0，除非特别指定。对于天线端口7和8而言，其$n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$可以通过DCI（Downlink Control Information）format 2B和DCI format 2C指定（也就是说其他天线端口的$n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$只能为0）。

DCI format 2B中有一个1比特的“Scrambling identity”字段用于指定天线端口7和8的加扰ID $n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$，如下表1 [3]所示。

表1. DCI format 2B中Scrambling identity字段到加扰ID的映射（仅对天线端口7和8） [3]

DCI format 2C中有一个3比特的“Antenna port(s), scrambling identity and number of layers”字段用于指定天线端口7和8的加扰ID $n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$，如下表2 [8]所示。

表2. DCI format 2C中Antenna port(s), scrambling identity and number of layers字段 [8]

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3.2 用户特定参考信号序列到RE的映射

3.2.1 正常循环前缀

Rel-9/Rel-10中，正常循环前缀下，用户特定参考信号序列到RE的映射规则如下所示。

图6. Rel-9/Rel-10中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射规则（正常循环前缀） [3]

其中，${\bar{w}}_p(i)$序列由下表3 [3] 给出：

表3. $\bar{w}_{p}(i)$序列（正常循环前缀） [3]

 

下面，我们将主要结合下图7和图8来理解上图6中的规则。图7（8）中从上到下依次为正常循环前缀下，天线端口7和8（9和10）上，用户特定参考信号在特殊子帧配置1，2，6，7，特殊子帧配置3，4，8和正常子帧情况下到RE的映射。有关特殊子帧配置，请参考LTE空口资源，在此不再赘述。

图7. Rel-9/Rel-10中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射（正常循环前缀，天线端口7和8） [3]

图8. Rel-9/Rel-10中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射（正常循环前缀，天线端口9和10） [3]

下面我们以正常子帧为例，来看一下用户特定参考信号序列是如何映射到RE上的（用户特定参考信号序列到RE的映射真是太复杂了，伤不起。。。）。

• 时域上：
  $$l=\{\begin{array}{rlrl}& l^{\prime }\text{mod}2+2,& \text{if}& \text{in a special subframe with configuration 3, 4, or 8}\\ & l^{\prime }\text{mod}2+2+3\lfloor l^{\prime }/2\rfloor ,& \text{if}& \text{in a special subframe with configuration 1, 2, 6, or 7}\\ & l^{\prime }\text{mod}2+5,& \text{if}& \text{not in a special subframe}\end{array}$$ $$l^{\prime }=\{\begin{array}{rlrl}& 0,1,2,3& \text{if}& n_s\text{mod}2=0\text{and in a special subframe with configuration1, 2, 6 or 7}\\ & 0,1& \text{if}& n_s\text{mod}2=0\text{and not in a special subframe with configuration1, 2, 6 or 7}\\ & 2,3& \text{if}& n_s\text{mod}2=1\text{and not in a special subframe with configuration1, 2, 6 or 7}\end{array}$$
  由上式可以看出，对于正常子帧而言，用户特定参考信号位于每个时隙内位于第6和第7个符号上。具体计算过程如下：对于偶数时隙（即$n_s\text{mod}2=0$），$l^{\prime }=0,1$，因此$l=5,6$（$l=l^{\prime }\text{mod}2+5$）；同理，对于奇数时隙（即$n_s\text{mod}2=1$），$l=5,6$。
• 频域上：
  $$k=5m^{\prime }+N_{\mathrm{s}\mathrm{c}}^{\mathrm{R}\mathrm{B}}{n}_{\mathrm{P}\mathrm{R}\mathrm{B}}+k^{\prime }$$ k ′ = { 1    p ∈ { 7 , 8 , 11 , 13 } 0    p ∈ { 9 , 10 , 12 , 14 } k' = \left\{ \begin{aligned} 1~~ &p \in \{7,8,11,13\}\\ 0~~ &p \in \{9,10,12,14\}\\ \end{aligned} \right. k′={ 1  0  ​p∈{ 7,8,11,13}p∈{ 9,10,12,14}​ $$m^{\prime }=0,1,2$$
  • 天线端口7，8，11，13上的参考信号在频域上位置相同，在每个RB内的第2，7，12个子载波上，彼此间隔5个子载波（$5m^{\prime }$决定的）。
  • 天线端口9，10，12，14上的参考信号在频域上位置相同，在每个RB内的第1，6，11个子载波上，彼此间隔5个子载波（$5m^{\prime }$决定的）。
  • 天线端口7，8，11，13上的参考信号和天线端口9，10，12，14上的参考信号在频域上间隔1个子载波（$k^{\prime }=0$，$k^{\prime }=1$）。
• 另外需要注意的是，不同于小区特定参考信号，在小区特定参考信号中，如果某个天线端口上某个RE被用于参考信号，则在另一个天线端口上，该RE不能被使用。而UE特定参考信号则不同，天线端口7，8，11，13之间和天线端口9，10，12，14之间分别使用相同的RE来传输参考信号，并通过正交覆盖码（Orthogonal Cover Code，OCC）进行区分（即${\bar{w}}_p(i)$），从而抑制了不同天线端口上传输的UE特定参考信号之间的干扰，如下图9和10所示。
  

图9. 1或2个参考信号情况下的用户特定参考信号的结构，以正交覆盖码予以区分 [9]

 

图10. 2个以上参考信号情况下的用户特定参考信号的结构，以正交覆盖码予以区分 [9]

除了OCC，还可以将一个伪随机序列应用到参考信号上，对于同一个用户的2个参考信号来说，这个序列是相同的（该伪随机序列与$n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$相关），因此不影响正交性。但是如果使用MU-MIMO，不同用户可以使用不同的伪随机序列（分配不同的$n_{\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{I}\mathrm{D}}$），以区分不同用户在同一RB上的传输 [2]。

3.3.3 扩展循环前缀

在扩展循环前缀下，用户特定参考信号序列到RE的映射规则如图11所示 [3]，每个参考符号占据1个RE。

图11. Rel-9/Rel-10中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射规则（扩展循环前缀） [3]  

其中，${\bar{w}}_p(i)$序列由下表4 [3] 给出：

表4. $\bar{w}_{p}(i)$序列（扩展循环前缀） [3]

可以参照正常循环前缀下的规则并结合下面图12来理解上述图11中的规则，在此不多做赘述。

图12. Rel-9/Rel-10中LTE下行用户特定参考信号序列到RE的映射（扩展循环前缀） [3]  

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]: 3GPP TS 36.211

[4]: https://blog.csdn.net/Graduate2015/article/details/113403765

[5]: https://blog.csdn.net/Graduate2015/article/details/113133919

[6]: https://blog.csdn.net/weixin_41967965/article/details/82944541

[7]: https://blog.csdn.net/shamogebitianye/article/details/102847514

[8]: 3GPP TS 36.212

[9]: 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband