黃韜 魏垚 詹文浩

【摘? 要】小區(qū)搜索、小區(qū)同步、系統(tǒng)消息獲取是NR終端與NR網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信前必須經(jīng)歷的關(guān)鍵過(guò)程，NR中引入了許多新的特性，設(shè)計(jì)上十分靈活。根據(jù)3GPP TS38系列協(xié)議技術(shù)規(guī)范，通過(guò)與LTE進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)分析了NR小區(qū)搜索、NR小區(qū)同步和NR系統(tǒng)消息的獲取流程，分享5G標(biāo)準(zhǔn)化的最新成果。

【關(guān)鍵詞】NR小區(qū)搜索;NR小區(qū)同步;NR小區(qū)系統(tǒng)消息獲取

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）04-0031-06

[Abstract]?Cell search， cell synchronization and system message acquisition are the key processes before NR terminals communicate with NR networks. Many new features are introduced into NR that make design flexible. According to the technical specification of 3GPP TS38 series protocol， by comparison of LTE， NR cell search， NR cell synchronization and NR system message acquisition are analyzed. The latest achievements on 5G standardization are shared.

[Key words]NR cell search; NR cell synchronization; NR system message acquisition

1? ?引言

NR作為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，支持eMBB、uRLLC和mMTC三大類(lèi)型業(yè)務(wù)，為了能夠滿(mǎn)足各種不同的業(yè)務(wù)需求，NR在設(shè)計(jì)上十分靈活。小區(qū)搜索與同步、系統(tǒng)消息獲取作為NR終端與NR網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信前必須經(jīng)歷的關(guān)鍵過(guò)程，其設(shè)計(jì)與LTE相比有一些相同之處，但在LTE基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化并引入了許多新的特性。NR中引入了SSB概念，將同步信號(hào)與廣播信道捆綁發(fā)送，加快了UE與小區(qū)進(jìn)行同步和駐留的速度;NR中PCI的數(shù)量提升為L(zhǎng)TE中PCI的兩倍，以應(yīng)對(duì)未來(lái)5G基站設(shè)備小型化后PCI干擾多的問(wèn)題;NR中系統(tǒng)消息的調(diào)度上也較LTE有更多的選擇。文章先分析NR的廣播信道，再以LTE的初始接入為基礎(chǔ)，結(jié)合NR新的特性分析終端在NR小區(qū)開(kāi)機(jī)之后的一系列流程，主要包括NR小區(qū)搜索與同步、NR系統(tǒng)消息獲取兩部分。

2? ?NR同步信號(hào)與廣播信道設(shè)計(jì)

2.1? SSB定義

為輔助小區(qū)搜索，LTE和NR中的下行鏈路都會(huì)傳輸2個(gè)特殊的信號(hào)，PSS（Primary Synchronization Signal，

主同步信號(hào)）和SSS（Secondary Synchronization

Signal，輔同步信號(hào)）。

在LTE系統(tǒng)中，PSS、SSS和MIB消息按各自的周期獨(dú)立傳輸。而在NR系統(tǒng)中，NR的PSS、SSS與PBCH（Physical Broadcast Channel，物理廣播信道）將組成一個(gè)SSB（SS/PBCH Block，同步/廣播塊）捆綁傳輸[1]，可以加快UE開(kāi)機(jī)后與小區(qū)進(jìn)行同步并獲取小區(qū)系統(tǒng)消息的速度。

2.2? SSB頻域位置

在LTE系統(tǒng)中，一個(gè)載波的帶寬最大為20 MHz，其PSS、SSS和PBCH信道占用載波中心頻率的72個(gè)子載波[2]，而載波中心頻率位于100 kHz channel raster的整數(shù)倍上，UE在開(kāi)機(jī)之后以channel raster 100 kHz的間隔搜索，直到檢測(cè)到PSS和SSS，最終完成與LTE小區(qū)的頻率同步、符號(hào)同步和幀同步。

在NR系統(tǒng)中，一個(gè)載波的帶寬最大為100 MHz（低頻）或400 MHz（高頻），遠(yuǎn)大于LTE的最大載波帶寬。UE如果按照LTE中以channel raster 100 kHz的間隔進(jìn)行同步信號(hào)的搜索，UE與小區(qū)同步的時(shí)延將會(huì)很大。所以在NR系統(tǒng)中引入了synchronization raster的概念，SSB在頻域上的位置放置于synchronization raster的整數(shù)上，低頻段時(shí)可能會(huì)有一些偏移，UE將以synchronization raster的間隔進(jìn)行同步信號(hào)的搜索。當(dāng)載波頻段處于0 GHz～3 GHz時(shí)，synchronization raster為1.2 MHz，SSB相對(duì)于synchronization raster的偏移可能為50 kHz、150 kHz和250 kHz;當(dāng)載波頻段處于3 GHz～24.25 GHz時(shí)，synchronization raster為1.44 MHz[3];當(dāng)載波頻段處于24.25 GHz～100 GHz時(shí)，synchronization raster為17.28 MHz[4]。GSCN（Global Synchronization Channel Number，全球同步柵格信道號(hào)）頻點(diǎn)號(hào)對(duì)應(yīng)的synchronization raster由表2給出：

2.3? SSB時(shí)域位置

在LTE系統(tǒng)中，F(xiàn)DD制式下PSS和SSS在子幀0和子幀5發(fā)送，周期為5 ms;TDD制式下PSS在子幀1和子幀6發(fā)送，SSS在子幀0和子幀5發(fā)送，周期為5 ms;FDD制式和TDD制式的MIB周期都為40 ms[5]。

在NR系統(tǒng)中，SSB將以一個(gè)半幀5 ms為單位，進(jìn)行周期發(fā)送，包含SSB的半幀周期可為{5 ms， 10 ms， 20 ms， 40 ms， 80 ms， 160 ms}[6]。一個(gè)半幀中SSB可以重復(fù)多次發(fā)送，最大的重復(fù)次數(shù)為L(zhǎng)次。L的值由NR載波所在的頻段決定，SSB的索引記作0到L-1：

3? ?NR小區(qū)搜索與同步流程

3.1? 獲得小區(qū)PCI

由于NR頻段高于LTE頻段，NR室外宏基站覆蓋室內(nèi)的效果將不如LTE。所以對(duì)于NR室內(nèi)覆蓋，可能會(huì)使用大量室內(nèi)小基站進(jìn)行覆蓋。在NR設(shè)計(jì)時(shí)，基站不同PCI的數(shù)量從LTE中的504個(gè)提升到了1 008個(gè)。PCI集合被進(jìn)一步分為336個(gè)小區(qū)標(biāo)識(shí)群，對(duì)應(yīng)336個(gè)SSS序列。每個(gè)標(biāo)識(shí)群包含3個(gè)小區(qū)標(biāo)識(shí)，對(duì)應(yīng)3個(gè)PSS序列。當(dāng)UE接收到其中一個(gè)SSB時(shí)，首先可以通過(guò)檢測(cè)PSS和SSS序列獲得序列對(duì)應(yīng)PSS和SSS的值，再通過(guò)公式NIDcell=3NID? ?（1）+NID? ? （2）獲得小區(qū)的PCI，其中PSS的值對(duì)應(yīng)NID? ? （2）∈{0，1，2}，SSS的值對(duì)應(yīng)NID? ? （1）∈{0，1，……，335}。

3.2? 獲得小區(qū)同步

UE在獲得小區(qū)PCI之后，就可以獲得PBCH信道的DMRS頻域的偏移v=NIDcellmod4，知道DMRS的頻域位置信息從而完成對(duì)PBCH信道的解調(diào)。MIB消息中攜帶了6 bits的SFN（System Frame Number，系統(tǒng)幀號(hào)）信息，而SFN一共10 bits，UE需要獲得剩下4 bits信息才能夠得到SFN。

在NR中，MIB傳輸塊在到達(dá)物理層之后，在進(jìn)行編碼時(shí)將會(huì)增加額外8 bits與定時(shí)相關(guān)的有效載荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7[8]。其中，有效載荷的低

4 bits，即α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3對(duì)應(yīng)SFN的4個(gè)LSB，與MIB消息中攜帶的SFN的6個(gè)MSB一起組成系統(tǒng)幀號(hào)。

有效載荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7中α-A-+4對(duì)應(yīng)半幀位，指示攜帶SSB的半幀為一個(gè)幀的前半幀或后半幀。

為了獲得與小區(qū)完整的時(shí)間同步，UE還需要知道自己接收到的SSB在一個(gè)半幀中的具體位置。SSB索引信息的獲取方式與一個(gè)半幀中SSB的最大數(shù)量L相關(guān)：

（1）當(dāng)L=64時(shí)，SSB索引為6 bits，有效載荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7中高3 bits，即α-A-+5，α-A-+6，α-A-+7對(duì)應(yīng)SSB索引的3個(gè)MSB，SSB索引剩下的3個(gè)LSB和PBCH中DMRS序列的索引成一一映射關(guān)系。

（2）當(dāng)L=8時(shí)，SSB索引為3 bits，通過(guò)與PBCH中DMRS序列索引之間的映射關(guān)系獲得，此時(shí)α-A-+5對(duì)應(yīng)kSSB的MSB，α-A-+6，α-A-+7保留。

（3）當(dāng)L=4時(shí)，SSB索引為2 bits，通過(guò)與PBCH中DMRS序列索引之間的映射關(guān)系獲得，此時(shí)α-A-+5對(duì)應(yīng)kSSB的MSB，α-A-+6，α-A-+7保留。

在獲得SSB的ID之后，UE將能獲得該SSB距離半幀起始OFDM符號(hào)的距離，SSB的時(shí)域位置信息已在本文第2.3章節(jié)描述。至此，UE已獲得小區(qū)的頻率同步、符號(hào)同步和幀同步，完成與小區(qū)的同步過(guò)程。

3.3? 獲取MIB消息

NR小區(qū)MIB消息的獲取主要在于搜索到相應(yīng)的SSB信息，SSB的時(shí)頻位置信息已在本文第2.3節(jié)中描述。

3.4? 獲取SIB1消息

UE在完成小區(qū)同步并獲得MIB消息之后，還需要獲得一些其他必須的系統(tǒng)消息，以駐留小區(qū)并能夠發(fā)起隨機(jī)接入。在NR系統(tǒng)中，這些其他必須的系統(tǒng)消息在物理層稱(chēng)為RMSI（Remaining Minimum System Information，剩余最小系統(tǒng)消息），同時(shí)在RRC層稱(chēng)為SIB1消息。

UE通過(guò)MIB消息獲得承載SIB1調(diào)度的PDCCH信道信息，在PDCCH上進(jìn)行盲檢獲得SIB1的PDSCH占用的時(shí)頻資源等信息。在NR中，PDCCH信道也稱(chēng)為CORESET（Control Resource Set，控制資源集）。承載SIB1調(diào)度信息的PDCCH信道為CORESET 0，對(duì)應(yīng)的搜索空間為公共搜索空間Type0 CSS（Common Search Space，公共搜索空間）。CORESET 0的時(shí)頻資源和SSB的時(shí)頻資源存在3種復(fù)用方式，如圖3所示。

與LTE中SIB1采用固定的PDCCH和固定的搜索空間不同，NR中通過(guò)MIB消息中8 bits的pdcch-ConfigSIB1參數(shù)指示CORESET 0相關(guān)的配置信息[6]：

（1）pdcch-ConfigSIB1的高4 bits指示CORESET 0占用的RB數(shù)和OFDM符號(hào)數(shù)、SSB和CORESET 0的復(fù)用方式以及CORESET 0的起始RB和SSB的起始RB之間的頻域偏移。

（2）pdcch-ConfigSIB1的低4 bits指示Type0 CSS的相關(guān)參數(shù)配置。

在NR中頻域上可以放置多個(gè)SSB，但只有一個(gè)SSB會(huì)攜帶CORESET 0，這個(gè)SSB也稱(chēng)為Cell-defining SSB（其他SSB只用于終端進(jìn)行測(cè)量，所以不需要攜帶CORESET 0）。Cell-defining SSB所在的資源塊在頻域上的位置由SIB1中的offsetToPointA參數(shù)指示[6]。

在頻域上，SSB所在的位置遵從Synchronization Raster，而小區(qū)載波中心頻率所在的位置遵從Channel Raster。所以SSB子載波0的頻域位置和子載波0的頻域位置可能存在偏移，MIB中使用4 bits的ssb-SubcarrierOffset參數(shù)用來(lái)表示這個(gè)偏移，也稱(chēng)作kSSB。

對(duì)于6 GHz以下頻段，kSSB取值為0～23個(gè)子載波，子載波間隔為15 kHz，但MIB中4 bits的信息只能支持0～15的取值范圍，此時(shí)還需要3.2節(jié)提到的有效載荷中α-A-+5來(lái)輔助，構(gòu)成5 bits的kSSB信息，可支持0～31的取值范圍。對(duì)于6 GHz以上頻段，kSSB取值為0～11個(gè)子載波，子載波間隔為60 kHz。

kSSB除了指示偏移外還有另一個(gè)作用。因小區(qū)中只有一個(gè)SSB攜帶了CORESET 0，UE會(huì)根據(jù)kSSB的值判斷該SSB是否包含CORESET 0，并進(jìn)行不同的行為：

（1）6 GHz以下頻段0≤kSSB≤23或6 GHz以上頻段0≤kSSB≤11時(shí)，則表示當(dāng)前SSB包含CORESET 0。

（2）6 GHz以下頻段kSSB>23或6 GHz以上頻段kSSB>11時(shí)，則表示當(dāng)前SSB不包含CORESET 0。

（3）當(dāng)UE發(fā)現(xiàn)該SSB不攜帶CORESET 0時(shí)，將在最近的GSCN上搜索下一個(gè)SSB，查看是否存在CORESET 0。6 GHz以下頻段24≤kSSB≤30或6 GHz以上頻段12≤kSSB≤14時(shí)，下一個(gè)SSB對(duì)應(yīng)的GSCN頻點(diǎn)為+。其中，為當(dāng)前SSB的GSCN頻點(diǎn)，為下一個(gè)GSCN頻點(diǎn)偏移，的值由kSSB和MIB消息中8 bits的pdcch-ConfigSIB1共同決定。如果UE在第二個(gè)SSB上還是沒(méi)有獲得CORESET 0，則UE停止搜索其他GSCN。

（4）6 GHz以下頻段kSSB=31或6 GHz以上頻段kSSB=15時(shí)，則表示該SSB所在的[-， +]這一段GSCN范圍內(nèi)的所有SSB都不攜帶CORESET 0。其中，和分別對(duì)應(yīng)pdcch-ConfigSIB1的4 bits MSB和4 bits LSB。

（5）UE在一段時(shí)間內(nèi)（由UE決定）沒(méi)有搜索到包含CORESET 0的SSB時(shí)，則UE在小區(qū)搜索中忽略與SSB位置相關(guān)的GSCN信息。

3.5? 獲取其他SIB消息

在NR系統(tǒng)中，其他SIB消息也稱(chēng)為OSI（Other SI，其他系統(tǒng)消息）。NR定義了從SIB2至SIB9一共8種其他SIB消息。MIB消息、SIB1消息和其他SIB消息的作用由表5給出[9]。

與LTE中其他SIB消息只能通過(guò)SIB1獲取不同，NR中其他SIB消息的獲取方式有兩種。第一種方式和LTE中一致，其他SIB消息為小區(qū)廣播的，調(diào)度信息由SIB1指示。第二種方式則是通過(guò)專(zhuān)用的方式提供的，可以由網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)也能通過(guò)UE觸發(fā)，主要是為了給RRC_IDLE態(tài)和RRC_INACTIVE態(tài)的UE使用。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文介紹NR中廣播信道的結(jié)構(gòu)，以LTE的初始接入為基礎(chǔ)，對(duì)比分析NR小區(qū)搜索流程，包括獲得小區(qū)PCI和獲得小區(qū)同步，再結(jié)合NR新特性分析NR小區(qū)系統(tǒng)消息的獲取流程，包括MIB消息、SIB1消息和其他SIB消息的獲取。由于NR設(shè)計(jì)的十分靈活，從SSB的發(fā)送方式到系統(tǒng)消息的參數(shù)配置都存在多種情況，在實(shí)際部署中，需要根據(jù)實(shí)際環(huán)境和需要從中選擇一套合理的參數(shù)配置。

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