去年年底，移動、聯通、電信三大運營商先后獲批5G試驗頻率，并在全國十幾個城市進行了5G應用示范；今年六月，工信部又向三家運營商和中國廣播電視集團，授發了四張5G的商用牌照……種種消息均表明：我國很快就要步入5G的正式商用階段。

　　不同于以往無線通信標準的更迭，2015年9月國際電信聯盟(ITU)確定了5G三大應用場景，分別是增強型移動寬帶(eMBB)，高可靠性低時延(uRLLC)和海量機器互聯(mMTC)。不同應用場景對傳輸速率、功耗、時延、可靠性的要求都不盡相同。

　　為了能夠滿足所有場景的標準，5G定義了新的物理層技術架構和新的網絡架構。在物理層技術方面相對于LTE標準，NR提供了靈活的參數集和幀結構并引入了一些新的概念。比如采用前置導頻信號的設計來減少時延，同步信號集 (SS block set) 的設計通過波束賦型提高小區覆蓋，減少‘always-on’信號的存在從而降低系統功耗等等。

　　在這個專欄里，我們通過對一些物理層概念和技術的學習來了解NR標準的部分物理過程以及設計理念。

　　ITU 定義的5G三種典型應用場景

　　以下是本篇專欄的文章目錄

　　01. 了解小區搜索與同步

　　02. SS Block的組成

　　03. 物理小區號

　　04. PSS 序列及同步

　　05. SSS 序列

　　06. PBCH和PBCH DMRS 信號

　　07. 同步信號塊 (SS Block) 的頻域位置

　　08. 同步信號塊 (SS Block) 時域位置及類型

　　????.

　　了解小區搜索與同步

　　很多年前有一部熱播諜戰片《暗算》，其中《聽風》一部講的是無線電偵聽的故事。A單位一直偵聽B單位的無線電臺。某天B單位采取了無線電靜默，改變了無線電聯系的頻率和時間。A單位無法繼續進行偵聽工作，于是請來了盲人阿炳希望借助阿炳超凡的聽力幫助他們盡快找回電臺。

　　*圖片來源于網絡

　　當時的無線電通信，只要知道了對方使用的頻率和通信時間，就可以攔截對方的電報。因此無線電聯絡經常需要更換頻率和時間以甩掉偵聽。因為不知道對方什么時候發報，劇中阿炳除了吃飯上廁所幾乎所有的時間都在工作。

　　從蜂窩通信的角度來看，無線偵聽類似于蜂窩通信小區搜索和同步的過程。為了與基站取得通信，終端需要在它所支持的頻段內搜索可用小區并獲得該小區的工作頻率并與基站進行時間同步。蜂窩通信復雜度遠大于點對點的無線電通信，有非常多的信令在基站與終端之間交互。首先我們看一下，NR小區搜索和同步的過程。

　　下圖總結了NR中小區搜索設計的主要概念。

　　● 物理信號

　　物理層需要一些確定的已知的信號來進行同步以及信道估計，這種信號就是物理信號。物理信號生成于物理層，不承載任何高層信息。例如同步信號，參考信號。小區搜索和同步過程中會接觸到下圖所示三種物理信號: PSS，SSS和PBCH DMRS。

　　● 物理信道

　　承載某種上層信息和業務的時頻資源的統稱，是無線業務在物理層的實際承載。小區搜索和同步過程中會涉及到物理廣播信道(PBCH)。PBCH承載的是最基本的小區信息以及解碼其他物理信道所需要的參數，下文會對這些參數進行詳細介紹。下圖是MathWorks給出的NR小區搜索與同步過程的框圖。在獲得MIB之前，需要按照下面的順序進行解碼:

　　這個過程后續會進行詳細介紹。

　　NR 初始小區搜索與同步框圖 [1]

　　● 同步信號塊(Synchronization signal block)

　　SS block是NR小區搜索和同步機制中與LTE最大的不同之處。LTE PSS/SSS信號的周期是5ms，一幀內有兩個PSS/SSS信號。PBCH的周期是40ms，每10ms發送一次，40ms內的四次PBCH發送相同的內容。LTE的同步信號以及PBCH在時域和頻域的位置是固定的。下圖是一個LTE幀的資源映射圖，可以看出PSS/SSS的周期是5ms，PBCH的周期是10ms。

　　5G NR遵從‘極簡’的設計規范，通過減少always-on信號的存在降低功耗。NR中引入了SS block的概念，SS block是最小的同步單元。基站可以根據傳輸需求靈活配置SS block的個數及其在時域和頻域的位置。如下圖所示，SS block長度可以不同，在時域和頻域也可以處于不同的位置。

　　SS block 在時域及頻域的靈活配置

　　● 同步信號集(SS burst set)

　　NR標準增強了massive MIMO的支持，因此波束賦型成為了NR標準的基因。NR與LTE在小區搜索和同步過程中另外一個重要的區別是SS block不僅要完成同步的任務還要進行初始的波束掃描和波束的建立。SS burst set的設計就是波束賦型思想的一個體現。SS burst set是時域上一些SS block的集合，一個SS burst set中每個SS block除了承載同樣系統參數之外還有一個唯一的SS block ID。通過波束賦型，不同SS block形成指向不同方向的波束。終端通過測量不同方向波束的接收功率從而確定基站-終端之間初始波束的方向。SS block set相關的概念如下。

　　SS Block的組成

　　SS block 的組成

　　SS Block在時域上由4個OFDM符號組成，頻域上占用20 PRB (240子載波) 。TS 38.211表7.4.3.1-1總結了SS Block的資源分配，如下圖所示。其中PSS，SSS以及PBCH在頻域的位置是固定的，PBCH DMRS在頻域上的位置根據物理小區號Physical-layer cell ID (PCI) 進行偏移，不同物理小區的PBCH DMRS在頻域上偏移1到3個RE，v=NIDcellmod4。

　　SS/PBCH 塊中PSS, SSS, PBCH, 和PBCH DM-RS的資源映射

　　物理小區號

　　不用于LTE 的504個物理小區號，NR定義了1008個PCI。

　　其中

　　PCI是蜂窩系統一個重要的物理參數，在NR標準中PSS/SSS序列的產生，PBCH DMRS信號在頻域的偏移以及其他DMRS的初始化都與PCI有關。

　　????.

　　PSS 序列及同步

　　PSS 位于SS Block第一個符號中間的127個子載波由公式 (2) 生成。dpss(n)=1-2x(m)    (2)，其中

　　m序列可以用下圖所示線性反饋移位寄存器來表示。

　　PSS m 序列生成移位寄存器

　　寄存器初始狀態為：

　　????.

　　SSS 序列

　　SSS位于SS Block第二個符號中間的127個子載波， 由公式(3)中的Gold序列生生成。

　　SSS的生成可以用下圖所示線性反饋移位寄存器來表示。

　　SSS Gold 序列生成移位寄存器

　　兩個m序列的偏移量分別為：

　　寄存器初始狀態為：

　　??6.

　　PBCH和PBCH DMRS信號

　　PBCH承載無線資源控制(radio resource control, RRC)層的系統參數，完成幀同步所需的其它重要參數，以及進一步解碼其他物理信道所需的參數。

　　PBCH-DMRS信號:

　　LTE標準中沒有PBCH DMRS信號，通過cell reference signal (CRS)對PBCH進行信道估計。CRS存在于全部傳輸帶寬上。NR標準中減少了全頻帶 ‘Always-on’ 信號的存在，取消了小區級參考信號并新增了PBCH DMRS來進行PBCH的信道估計。

　　PBCH-DMRS信號在PBCH信道的解碼過程中有兩個作用：

　　PBCH生成序列&頻域映射：

　　PBCH DMRS 頻域映射

　　c(n)可以用下圖所示線性反饋移位寄存器來表示。

　　c(n)Gold 序列生成移位寄存器

　　初始化：

　　同步信息：

　　PBCH 信道:

　　不同于物理信號，PBCH需要承載高層傳下來的系統參數。為了保證傳輸可靠性，物理信道都會經過加擾，CRC校驗，信道編碼，速率匹配等過程。這幾個步驟是所有NR物理信道在發射之前都要進行的處理步驟，與小區搜索過程沒有關系，這里不做介紹。

　　MIB與SIB1

　　PBCH的載荷(payload)承載RRC層的master information block(MIB)信息。MIB定義了小區最基本的系統信息以及解碼PDSCH SystemInformtioType 1 (SIB1)所需要的參數。除了MIB之外，PBCH承載了8 bits額外的payload。各參數的長度以及物理意義如下面的導圖所示。其中和subCarrierSpacingCommon和pdcch-configSIB1定義了SIB1的子載波間隔以及SIB1所在control resource set (CORESET)的搜索空間。

　　SIB1包含了除MIB外終端在接入網絡之前所或需要獲取的信息。SIB1通過普通的PDSCH傳輸，周期為160ms。TS 38.213 13章中預定義了一些表格用來描述SIB1所在CORESET的位置的位置以及SIB1與SS block的復用方式。MIB中的pdcch-configSIB1，subCarrierSpacingCommon以及k_ssb用來對這些表格進行索引。我們會在后續的文章中對SIB1的內容和解調進行講解。

　　PBCH中承載的系統信息及同步參數.

　　同步信號塊(SS Block)的頻域位置

　　● SS Block的中心頻率

　　LTE標準中，PSS/SSS位于載波中心。LTE終端搜索到PSS/SSS就獲取了載波的中心頻率。因此當終端進行小區搜索的時候，需要在所有可能的載波中心位置進行PSS/SSS的匹配 。LTE的信道柵格(channel raster)是100kHz， 終端需要在支持的所有頻段以100kHz在為步長進行PSS/SSS同步。LTE單載波支持的最大帶寬是20MHz，而NR最大可以支持400MHz的單載波，沿用LTE的搜索方式會導致較長的同步時間以及較大的功耗。

　　為了縮短小區搜索的時間，NR定義了同步柵格(Synchronization raster)來指示SS Block在頻率上可能出現的位置 。TS 38.104表5.4.3.1-1給出了SS Block中心頻點(第十個PRB的起始頻點nPRB=10, RE=0)的位置SSREF以及global synchronization channel number(GSCN)范圍。

　　NR 不同頻率范圍GSCN的位置及取值范圍 – TS 38.104

　　在0-3GHz頻率范圍內，同步柵格的步長是1200kHz; 在3GHz – 24.25GHz頻率范圍內，同步柵格的步長是1.44MHz; 在24.25GHz-100G頻率范圍內，同步柵格的步長是17. 82MHz。同步柵格的步長明顯大于LTE 100kHz的信道柵格。終端設備只需要在其所支持的頻段內SSREF的位置進行PSS/SSS搜索。

　　TS 38.104表5.4.3.3-1和表5.4.3.3-2分別給出了NR FR1和FR2各頻段內SSREF的GCSN值。下表節選其中n77、n78、n79三個典型頻段。

　　NR band n77/n78/n79的同步柵格 – TS 38.104

　　以band 78為例GSCN的范圍是[7711–<1>–8051] ，341個頻點，而該頻段信道柵格的個數遠遠大于這個數值下表。

　　NR band n78的信道柵格 – TS 38.104

　　我們來看一個例子：一個終端設備運行在3400MHz – 3500MHz頻段，根據38.104表5.4.3.1-1可以計算出SS Block可能存在位置的GSCN 為7777到7846。當該設備進行小區搜索的時候，只需要在GSCN 7777到7846相應的SSREF位置進行PSS/SSS同步。NR定義的n78的信道柵格是15kHz和30kHz，因此稀疏的同步柵格大大降低了NR終端進行小區搜索的時間。

　　● SS Block的子載波間隔

　　在固定的頻率下，SS block的時間長度隨著子載波間隔的增加而減少，終端接收到的SS block的功率也隨之減少。從而導致PSS誤檢率以及殘留頻率誤差的增加。SS block子載波間隔的選擇需要考慮到同步搜索的時間，同步檢測復雜度以及準確度。NR中定義了四種SS block子載波間隔。FR1支持15kHz和30kHz的子載波間隔，FR2支持120kHz和240kHz的子載波間隔，如下圖。

　　● SS Block與載波中心頻點的位置關系

　　NR中SS Block可以位于傳輸載波的任何位置，甚至可以不與物理資源塊(resource block)對齊。NR終端在接收更多的系統信息(SIB1)之前，需要知道SS Block與common resource block(CRB)中心的偏移，即完成RB對齊。這一偏移量k_ssb在PBCH的MIB(4比特)和部分payload(3比特)表示，前文中介紹PBCH的導圖中有詳細的解釋。載波中心的位置可以由SS block的中心頻點，k_ssb，以及SIB1中FrequencyInfoDL-SIB共同確定。

　　在Keysight N7631C  Signal Studio Pro for 5G NR軟件中打開SS/PBCH block設置界面，其中

　　RB offset: SS block與CRB 0# SC 0#(Point A)的RB偏移

　　- FR1: 以15 kHz為單位計算

　　- FR2: 以60 kHz為單位來計算, i.e. SCS =120 kHz, 偏移一個RB, 則RB offset=2

　　k_ssb: SS block與common resource grid邊界的偏移量

　　- FR1: k_ssb以15 kHz為單位計算

　　- FR2: k_ssb以實際子載波間隔為單位計算, RB offset和k_ssb的物理意義如下圖所示

　　TS 38.211規定了不同子載波間隔下k_ssb的取值范圍如下表。

　　k_ssb取值范圍與表示

　　下面通過三個例子我們來具體看一下相關參數的意義及設置。信號的基本信息如下。

　　頻段：FR1

　　子載波間隔：30 kHz

　　帶寬：100MHz (273RB)

　　例一

　　SS Block的中心與載波中心重合, 此時SS Block與CRB邊界重合, k_ssb=0

　　RB offset=(273÷2-20÷2)×(30÷15)=253, 具體意義參考下方示意圖

　　例二

　　SS block RB Offset=253, k_ssb=12, SSB的中心位于載波中心上方180(15*12)kHz處

　　MIB中k_ssb對應的4bits為1100

　　例三

　　SS Block底部與point A重合, k_ssb=0, RB offset(by 15kHz)=0, SSB的中心位于載波中心下方45.54MHz處。

　　下圖給出了A,B,C上述三個例子中SS Block與載波中心位置關系的示意圖。

　　有兩點需要注意

　　在Initial search時，終端通過解碼PBCH獲取了k_ssb ，并不知道載波中心頻點。因此上面的例子僅用來說明SS Block與載波中心的位置關系與RB offset及k_ssb的關系。

　　SIB1信息元素 ServingCellConfigCommonSIB 中參數 absoluteFrequencyPointA 和 absoluteFrequencySSB 會載波point A以及SS block中心的AFRCN值。

　　SS block的中心頻點位于nPRB=10，RE=0，即第10個RB的第一個子載波中心。

　　.

　　同步信號塊 (SS Block) 時域位置及類型

　　● SS Block的周期

　　NR標準規定SS Block的周期可以為5 ms, 10 ms, 20 ms, 40ms, 80 ms和160 ms, 默認值為20 ms。相比LTE固定的5 ms的PSS/SSS周期，NR標準中較長的SS Block周期可以使處于連接狀態的設備進行快速小區搜索，較長的SS Block周期結合稀疏的synchronization raster可以大大提高網絡的能耗效率。SS block的周期信息由SIB1信息元素ServingCellConfigCommonSIB中參數ssb-periodicityServingCell 定義。

　　● SS Burst Set和初始波束掃描

　　5G中引入了超大規模天線陣列，毫米波頻段天線個數可能高達256。波束賦型在5G的應用不僅限LTE TM8傳輸模式通過多流傳輸來提高系統的速率，更重要的是通過波束賦型是信號能量更加集中增強覆蓋，減少用戶間及小區間干擾。如前文所述波束賦型的思想體現在很多NR的設計中。SS burst set和初始波束掃描就是其中之一。

　　初始波束掃描的目的是在基站和終端中間建立一個合適的波束方向對，進行隨后的接入及數據傳輸。SS block可以采用時分的方式在不同時間經由不同的波束發送，如下圖所示。

　　SS burst set 與初始波束建立

　　在同一組波束中發射的SS block稱為一個SS burst set并具有下述特征。

　　SS burst set中所有SS block位于同一個half-frame內(5ms)

　　SS burst set中所有SS block都在同一個天線端口傳輸

　　SS burst set中不同SS block具有不同SS block time index

　　SS burst set中最大的SS block個數Lmax由頻率決定

　　高頻段的Lmax值高于低頻段主要處于下面兩個考慮：

　　- 頻率越高電磁波波束越窄， 為了獲得達到良好的空間覆蓋和分辨率，需要更多數目的波束。

　　- 在FR1頻段SS block SCS=15/30 kHz，一個SS block所占用的時間較SCS=120kHz或者240kHz的時候要長很多，較大的Lmax值會增加系統開銷。因此低頻段采用了較小的Lmax。

　　波束掃描過程中終端選擇信號強度最大的SS block波束作為初始波束方向，進行隨后的PRACH接入。如下圖，UE 1從波束3接收到的信號強度最大，而UE2從波束7接收到的信號強度最大。終端會在與所選擇的SS block index相關的時間發送PRACH接入信息?；就ㄟ^解析收到的PRACH信息，可以判斷終端所處方向并建立初始Beam pair。在接入完成后的數據傳輸過程中，基站和終端通過導頻信號CSI- RS對波束進行管理和切換。

　　初始波束建立

　　● SS Block類型以及時域位置映射

　　TS 38.213定義了SS block的類型，每一種類型定義了不同的子載波間隔以及SS block在時域的位置，如下圖。

　　SS block 時域位置映射

　　通信中，發射的SS block個數可以小于相應頻段的Lmax。

　　實際使用 SS block 個數由 SIB1 信息元素 ServingCellConfigCommonSIB 中參數ssb-PositionsInBurst定義。下面通過三個例子來了解下SS block的時域位置。

　　Case A

　　Lmax=8, SS block位置: 0:3, 信號帶寬=100 MHz, 子載波間隔=15 kHz, SS Block周期=5ms。

　　Lmax=8只有SS block 0-3位置上存在同步信號塊, 分別位于每5ms內的 {2,3,4,5}, {8,9,10,11}, {16,17,18,19}, {22,23,24,25}符號。如下圖。

　　Case B

　　Lmax=8, SS block 位置: 7, 信號帶寬=50 MHz, 子載波間隔=30 kHz, SS Block周期=5ms。

　　Case C

　　Lmax=64, SS block 位置: 0-63, 信號帶寬=50 MHz, 子載波間隔=120 kHz, SS周期=10 ms 。

　　.小結

　　本文介紹了NR中初始小區搜索和同步過程中涉及到的物理信道物理信號以及NR新引入的同步信號塊和同步信號集的概念。初始小區搜索完成終端與基站的頻率及時間同步并獲取物理小區號以及MIB信息。