張建國(guó)，黃正彬，周鵬云（.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州3004；.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣西有限公司玉林分公司，廣西玉林537000）

0 引言

5G NR的下行同步與LTE類似，也是通過搜索PSS/SSS、解碼PBCH和PDSCH來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要目的是獲得OFDM符號(hào)的時(shí)間同步、無(wú)線幀同步、頻率同步，同時(shí)還可以獲取PCI、系統(tǒng)消息等信息［1］。

當(dāng)5G NR部署在高頻段時(shí)，基站必須使用massive MIMO天線以增強(qiáng)覆蓋，但是massive MIMO天線的輻射圖是非常窄的波束（Beam），單個(gè)波束難以覆蓋整個(gè)小區(qū)，需要通過波束掃描（Beam Sweeping）的方式覆蓋整個(gè)小區(qū)，即在某一個(gè)時(shí)刻，基站發(fā)射窄的波束覆蓋某個(gè)特定方向，在下一個(gè)時(shí)刻基站小幅改變波束方向，覆蓋另外一個(gè)特定方向，直至掃描整個(gè)小區(qū)。在每個(gè)波束中，都要配置PSS/SSS以及PBCH以便UE實(shí)現(xiàn)下行同步，PSS/SSS以及PBCH簡(jiǎn)稱SS/PBCH塊（SSB——SS/PBCH Block）。

本文接下來(lái)分析SS/PBCH塊的結(jié)構(gòu)和候選SS/PBCH塊的時(shí)間位置、5G NR下行同步過程以及參數(shù)配置，本文的下行同步過程包含了解碼系統(tǒng)消息的過程。

1 SS/PBCH塊的結(jié)構(gòu)

每個(gè)SS/PBCH塊在頻域上由240個(gè)連續(xù)的子載波（20個(gè)RB）組成，子載波在SS/PBCH塊內(nèi)按照升序從0到239進(jìn)行編號(hào)，在時(shí)域上由4個(gè)OFDM符號(hào)組成，OFDM符號(hào)在SS/PBCH塊內(nèi)按照升序從0到3進(jìn)行編號(hào)，SS/PBCH塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

圖1 SS/PBCH塊

與LTE的PSS/SSS以及PBCH在系統(tǒng)帶寬的中心不同，5G NR的SS/PBCH塊在系統(tǒng)帶寬的底部，SS/PBCH塊的子載波0與公共資源塊的子載波0（即Point A）之間相差kSSB個(gè)子載波。當(dāng)5G NR部署在FR1（450～6 000 MHz）時(shí)，SS/PBCH 塊的子載波間隔是15 kHz或 30 kHz，占用的帶寬是 3.6 MHz或 7.2 MHz，kSSB∈{0,1,2,...,23 ，kSSB}的單位是15 kHz；當(dāng)5G NR部署在FR2（24 250～52 600 MHz）時(shí)，SS/PBCH塊的子載波間隔是120 kHz或240 kHz，占用的帶寬是28.8 MHz或57.6 MHz，kSSB∈{0 ,1,2,...,11} ，其單位為60 kHz［3-4］。

PSS在SS/PBCH塊的第1個(gè)OFDM符號(hào)上，占用SS/PBCH塊中間的127個(gè)子載波，兩邊分別有56、57個(gè)子載波不發(fā)射任何信號(hào)，該設(shè)計(jì)使PSS與其他信號(hào)之間有較大的頻率隔離，便于UE把PSS與其他信號(hào)區(qū)分出來(lái)。PSS序列有3種取值，與物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組內(nèi)的物理層標(biāo)識(shí)N(2)ID∈{ }0,1,2有一對(duì)一的映射關(guān)系。

SSS在SS/PBCH塊的第3個(gè)OFDM符號(hào)上，也是占用SS/PBCH塊中間的127個(gè)子載波，兩邊分別有8、9個(gè)子載波不發(fā)射任何信號(hào)，該設(shè)計(jì)既充分利用了第3個(gè)OFDM符號(hào)上的資源，又便于UE把SSS與PBCH區(qū)分出來(lái)。SSS序列有336種取值，與物理層小區(qū)標(biāo)識(shí)組有一對(duì)一的映射關(guān)系［4］。

5G NR共有336×3=1 008個(gè)PCI，PCI根據(jù)式（1）計(jì)算。

PBCH在SS/PBCH塊的第2～4個(gè)OFDM符號(hào)上，其中第2和第4個(gè)OFDM符號(hào)上分別有240個(gè)子載波，第3個(gè)OFDM符號(hào)上有96個(gè)子載波，PBCH共計(jì)有576個(gè)子載波。PBCH上傳輸MIB（Master Information Block）消息，采用QPSK調(diào)制，信道編碼方式采用Polar碼［2］。

PBCH的每個(gè)RB上有3個(gè)解調(diào)參考信號(hào)（DM-RS——Demodulation reference signal），因此DM-RS有4個(gè)頻域偏移，同頻鄰區(qū)設(shè)置不同的頻域偏移有利于降低導(dǎo)頻干擾，頻域偏移由式（2）計(jì)算。

用于PBCH的DM-RS序列（rm）由式（3）定義。

DM-RS的擾碼序列發(fā)生器在每個(gè)SS/PBCH塊都要根據(jù)NcellID、nhf和iSSB被初始化，初始化種子由式（4）定義。

其中，iˉSSB=iSSB+4nhf。nhf是 PBCH 所在的半幀編號(hào)，iSSB是SS/PBCH塊指示的編號(hào)。對(duì)于Lmax=4，iSSB是SS/PBCH塊指示的2 bit位，如果PBCH在某個(gè)無(wú)線幀的第1個(gè)半幀，則nhf=0，如果PBCH在某個(gè)無(wú)線幀的第2個(gè)半幀，則nhf=1；對(duì)于Lmax=8或Lmax=64，iSSB是SS/PBCH塊指示的3個(gè)最低bit位，nhf=0。Lmax是半幀（5 ms）內(nèi)SS/PBCH塊的最大數(shù)量［4］。

2 候選SS/PBCH塊的時(shí)間位置

與LTE的SSS/PSS以及PBCH的固定周期不同，5G NR的SS/PBCH塊的周期是可變的，可以配置為5、10、20、40、80和160 ms［5］，在每個(gè)周期內(nèi)，SS/PBCH塊只在某個(gè)半幀（5 ms）上傳輸。根據(jù)SS/PBCH塊的子載波間隔的不同，候選SS/PBCH塊的時(shí)間位置有A、B、C、D、E 5種Case，每種Case的結(jié)構(gòu)如下［6］。

Case A：SS/PBCH塊的子載波間隔是15 kHz，候選的SS/PBCH塊的第1個(gè)OFDM符號(hào)位置指示是{2，8}+14×n，對(duì)于載波頻率小于或者等于3 GHz，n=0，1，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0，1上傳輸，共有4個(gè)候選位置（Lmax=4）；對(duì)于載波頻率大于3 GHz且小于或等于6 GHz，n=0，1，2，3，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0，1，2，3上傳輸，共有8個(gè)候選位置（Lmax=8）。Case A如圖2所示。

圖2 Case A

Case B：SS/PBCH的子載波間隔是30 kHz，候選的SS/PBCH塊的第1個(gè)OFDM符號(hào)位置指示是{4，8，16，20}+28×n，對(duì)于載波頻率小于或者等于3 GHz，n=0，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0上傳輸，共有4個(gè)候選位置（Lmax=4）；對(duì)于載波頻率大于3 GHz且小于或等于 6 GHz，n=0，1，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0，1上傳輸，共有8個(gè)候選位置（Lmax=8）。Case B如圖3所示。

圖3 Case B

Case C：SS/PBCH的子載波間隔是30 kHz，候選的SS/PBCH塊的第1個(gè)OFDM符號(hào)位置指示是{2，8}+14×n，對(duì)于載波頻率小于或者等于 3 GHz，n=0，1，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0上傳輸，共有4個(gè)候選位置（Lmax=4）；對(duì)于載波頻率大于3 GHz且小于或等于6 GHz，n=0，1，2，3，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0，1上傳輸，共有8個(gè)候選位置（Lmax=8）。Case C如圖4所示。

Case D：SS/PBCH的子載波間隔是120 kHz，候選的SS/PBCH塊的第1個(gè)OFDM符號(hào)位置指示是{4，8，16，20}+28×n，對(duì)于載波頻率大于6 GHz，n=0，1，2，3，5，6，7，8，10，11，12，13，15，16，17，18，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0，1，2，3，4上傳輸，共有64個(gè)候選位置（Lmax=64）。

Case E：SS/PBCH的子載波間隔是240 kHz，候選的SS/PBCH塊的第1個(gè)OFDM符號(hào)位置指示是{8，12，16，20，32，36，40，44}+56×n，對(duì)于載波頻率大于6 GHz，n=0，1，2，3，5，6，7，8，SS/PBCH塊在某個(gè)半幀的子幀0，1，2上傳輸，共有64個(gè)候選位置（Lmax=64）。 候選SS/PBCH塊的時(shí)間位置見表1。

圖4 Case C

表1 候選SS/PBCH塊的時(shí)間位置

3 5G NR下行同步過程

5G NR的下行同步過程如圖5所示，主要包括以下幾個(gè)步驟［5-6］。

圖5 5G NR下行同步過程

a）搜索PSS：UE搜索到PSS后可以確定OFDM符號(hào)的起始位置，實(shí)現(xiàn)OFDM符號(hào)的時(shí)間同步和SS/PBCH塊的同步，通過盲解碼的方式確定N(2)ID。

b）搜索SSS：UE根據(jù)PSS的位置，可以確定SSS的位置，通過盲解碼的方式確定N(1)ID，根據(jù)式（1），UE可以計(jì)算出NcellID。

c）接收DM-RS：UE獲得NcellID后，根據(jù)式（2）可以確定PBCH的DM-RS在SS/PBCH塊上的頻域位置，通過盲解碼的方式，UE可以確定iSSB的全部或者部分信息。對(duì)于Lmax=4，本步驟完成后，可以得到完整的iSSB（2 bit）信息和半幀信息，實(shí)現(xiàn)了半幀同步，同時(shí)確定了無(wú)線幀的起始位置，但是不能確定系統(tǒng)幀號(hào)（SFN）；對(duì)于Lmax=8，本步驟完成后，可以得到完整的iSSB（3 bit）信息，實(shí)現(xiàn)了半幀同步，但是不能確定是無(wú)線幀的第1個(gè)半幀還是第2個(gè)半幀，也不能確定系統(tǒng)幀號(hào)；對(duì)于Lmax=64，可以得到iSSB的3個(gè)最低bit位，半幀同步、無(wú)線幀的起始位置和系統(tǒng)幀號(hào)都不能確定。

d）解碼PBCH：UE利用DM-RS進(jìn)行信道估計(jì)，解碼PBCH，獲得MIB，MIB包括系統(tǒng)幀號(hào)、半幀信息、iSSB的3個(gè)最高bit位（對(duì)于Lmax=64）、SSB子載波偏移kSSB。本步驟完成后，對(duì)于Lmax=4，獲得了完整的系統(tǒng)幀號(hào)，實(shí)現(xiàn)了幀同步；對(duì)于Lmax=8，獲得了半幀信息和完整的系統(tǒng)幀號(hào)，實(shí)現(xiàn)了幀同步；對(duì)于Lmax=64，獲得了完整的iSSB、半幀信息和完整的系統(tǒng)幀號(hào)，實(shí)現(xiàn)了半幀同步以及幀同步。根據(jù)kSSB，UE可以確定公共資源塊的子載波0即Point A的位置，實(shí)現(xiàn)了頻率同步。另外，MIB中還包括用于SIB1（System Information Block Type1）以及Msg2、Msg4傳輸?shù)淖虞d波間隔（6 GHz以下使用15 kHz或 30 kHz、6 GHz以上使用 60 kHz或 120 kHz）、DM-RS Type A的位置、pdcch-ConfigSIB1（決定CORESET的RB數(shù)、OFDM符號(hào)數(shù)）、小區(qū)禁止指示、同頻小區(qū)選擇允許標(biāo)志等信息，這些信息用于SIB1的接收。如果小區(qū)禁止指示是“是”，則UE不能駐留在該小區(qū)，否則，UE可以駐留在該小區(qū)［5，7］。

e）解碼SIB1：UE通過監(jiān)測(cè)Type0-PDCCH公共搜索空間來(lái)解碼PDSCH，獲得SIB1，SIB1包括SSB的號(hào)碼、SS/PBCH塊的周期、SS/PBCH塊的發(fā)射功率、上行公共配置、PDCCH和PUCCH的配置、TDD上下行配置以及其他SI（System Information）的調(diào)度等信息。

f）解碼其他SI：其他SI既可以周期性廣播，也可以根據(jù)UE的請(qǐng)求進(jìn)行廣播，如果根據(jù)UE的請(qǐng)求進(jìn)行廣播，則觸發(fā)隨機(jī)接入流程。

4 參數(shù)配置建議

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，5G NR的同步過程需要關(guān)注以下幾個(gè)參數(shù)配置。

4.1 SS/PBCH塊的數(shù)量

半幀內(nèi)的SS/PBCH塊的最大數(shù)量Lmax與頻段有關(guān)，實(shí)際配置的SS/PBCH塊的數(shù)量與波束的寬度有關(guān)，而波束的寬度與載波頻率和Massive MIMO天線的增益有關(guān)，對(duì)于定向天線，頻率越高、增益越大，則波束越窄，配置的SS/PBCH塊的數(shù)量就越多。

宏基站需要通過較大的天線增益、較窄的波束實(shí)現(xiàn)較大的覆蓋范圍，波束數(shù)量較多，因此需要配置的SS/PBCH塊數(shù)量也較多，而微基站由于覆蓋范圍較小、波束較寬、波束數(shù)量較少，配置的SS/PBCH塊的數(shù)量可以較少，甚至只需要配置1個(gè)SS/PBCH塊即可。波束數(shù)量較多的優(yōu)點(diǎn)是通過波束掃描可以獲得較大的覆蓋增益，缺點(diǎn)是增加了基站實(shí)施復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷；波束數(shù)量較少的優(yōu)點(diǎn)是減少了基站實(shí)施復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷，缺點(diǎn)是覆蓋增益減少［8］。

對(duì)于配置了載波聚合的小區(qū)，SS/PBCH塊的數(shù)量還與小區(qū)的類型有關(guān)，由于UE是在主服務(wù)小區(qū)上進(jìn)行小區(qū)搜索和隨機(jī)接入，為了減少系統(tǒng)開銷，輔小區(qū)可以不配置SS/PBCH塊，UE通過同一組小區(qū)內(nèi)的主服務(wù)小區(qū)（PCell）或主輔服務(wù)小區(qū)（PSCell）的SS/PBCH塊獲得時(shí)間和頻率同步。

由于SS/PBCH塊只能配置在下行符號(hào)上，因此SS/PBCH塊的數(shù)量還與時(shí)隙（slot）配置有關(guān)，如果在5 ms周期內(nèi)配置的上行符號(hào)較多，實(shí)際可配置的SS/PBCH塊的數(shù)量要小于Lmax。

4.2 SS/PBCH塊的周期

SS/PBCH塊的周期可以配置為5、10、20、40、80和160 ms，對(duì)于初始小區(qū)搜索，UE假定SS/PBCH塊的周期是20 ms。SS/PBCH周期長(zhǎng)，可以節(jié)約OFDM、功率資源等系統(tǒng)開銷，但是UE的下行同步需要較長(zhǎng)的時(shí)間；SS/PBCH周期短，系統(tǒng)開銷較多，但是UE可以快速實(shí)現(xiàn)下行同步。因此，需要在系統(tǒng)開銷和同步時(shí)間之間進(jìn)行折中。

建議根據(jù)基站類型設(shè)置SS/PBCH塊的周期，由于宏基站覆蓋大，接入的用戶數(shù)較多，因此可以設(shè)置較短的SS/PBCH周期以便UE快速同步和接入。而微基站由于覆蓋范圍小，接入的用戶數(shù)較少，可以設(shè)置較長(zhǎng)的SS/PBCH周期以節(jié)約系統(tǒng)開銷。

除此之外，還可以根據(jù)服務(wù)需求設(shè)置SS/PBCH塊的周期，如果某個(gè)小區(qū)承載低接入時(shí)延要求的uRRLC業(yè)務(wù)，則可以設(shè)置較短的SS/PBCH周期；如果某個(gè)小區(qū)承載高接入時(shí)延的mMTC業(yè)務(wù)，則可以設(shè)置較長(zhǎng)的SS/PBCH周期。

4.3 PCI規(guī)劃

5G NR的PCI規(guī)劃原則與LTE相類似，也要滿足以下原則：相同PCI的復(fù)用距離足夠遠(yuǎn)，避免同一個(gè)基站的小區(qū)以及該基站的鄰區(qū)列表出現(xiàn)PCI相同的情況，保留適量的PCI用于室分規(guī)劃、位置邊界規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。

與LTE相比，5G NR的PCI規(guī)劃有以下變化：PCI數(shù)量由504個(gè)增加到1 008個(gè)，PCI發(fā)生沖突的概率會(huì)降低，與5G NR的小區(qū)覆蓋范圍較小、PCI需要較大的復(fù)用距離相適應(yīng)。由于PBCH的DM-RS有4個(gè)頻域偏置，因此5G NR需要避免MOD 4沖突。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出的下行同步過程的SS/PBCH塊的數(shù)量、周期配置建議屬于定性分析，在實(shí)際組網(wǎng)中，要綜合考慮基站類型、覆蓋區(qū)域、天線增益、業(yè)務(wù)需求以及用戶行為等多種因素，合理設(shè)置上述參數(shù)并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，既要降低系統(tǒng)負(fù)荷，又要保證用戶快速實(shí)現(xiàn)下行同步。除此之外，還要合理設(shè)置PCI、kSSB等參數(shù)，以便降低小區(qū)間的干擾。