何振華，顏文燕

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司郴州分公司，湖南 郴州 423000；2.湘南學(xué)院軟件與通信工程學(xué)院，湖南 郴州 423000）

0 引 言

NR為第五代無線通信技術(shù)，3GPP的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在2018年已經(jīng)凍結(jié)[1]，業(yè)內(nèi)也明確NR的SA模式為未來發(fā)展方向。初始同步作為物理層的重要部分被廣泛研究。文獻(xiàn)2，詳細(xì)解釋了NR中同步信道和參考信號(hào)的設(shè)計(jì)[2]。文獻(xiàn)3，討論了SA組網(wǎng)模式的下行同步流程[3]。NR中下行同步是小區(qū)發(fā)現(xiàn)和搜索的過程，上行同步是取得傳輸時(shí)間同步和隨機(jī)接入的過程，上行同步與下行同步是相關(guān)聯(lián)的，如下行SSB同上行PRACH 相互關(guān)聯(lián)，下行SIB信息包含上行PRACH信道配置信息等。UE只有在完成上下行同步才能獲取時(shí)頻資源，繼而建立承載。本文的目的是，通過將上行同步和下行同步聯(lián)合分析，驗(yàn)證同步參數(shù)作用，為后期組規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供參數(shù)規(guī)劃依據(jù)。

1 同步信號(hào)與信道

1.1 隨機(jī)序列設(shè)計(jì)

m序列、ZC（Zadoff-Chu）序列主要應(yīng)用于PSS、SSS、Preamble等信號(hào)的生成，是建立上下行同步和信道估計(jì)不可或缺的一部分，理解隨機(jī)序列是分析同步的基礎(chǔ)。

m序列是一種通過線性反饋移位寄存器生成的序列，如n級(jí)寄存器可以產(chǎn)生長度為2n-1的長度的m序列，m序列與自身移位后產(chǎn)生的序列模2相加后仍然是m序列。m序列自相關(guān)特性和均衡性游程分布與隨機(jī)序列相似，在通信系統(tǒng)中m序列被作為隨機(jī)序列進(jìn)行同步檢測。

ZC序列是一種復(fù)值序列，是一種廣泛應(yīng)用的恒包絡(luò)零幅自相關(guān)序列，循環(huán)移位后的序列與原序列互不相關(guān)，通信系統(tǒng)尋找的就是正交不相關(guān)的序列，而ZC序列的特性很好滿足了通信系統(tǒng)的要求。正交的特性，不僅可以降低小區(qū)之間的干擾，而且可以較容易的區(qū)分信號(hào)。恒模特性限制了序列的PAPR，在通信系統(tǒng)的表現(xiàn)就是保持時(shí)域上的平坦和降低了對其他用戶的干擾。

根索引為u且長度為奇數(shù)的ZC序列定義式（1）：

上式中NZC表示ZC序列的長度，u表示物理根序列。知道根序列，可以通過移位（零相關(guān)窗長度）CV的產(chǎn)生新的ZC序列如式（2）：

1.2 同步相關(guān)信號(hào)和信道設(shè)計(jì)

LTE的PSS是ZC序列，SSS是m序列。與LTE不同的是，NR的PSS、SSS均是m序列。一方面m序列抗頻偏性強(qiáng)且易于解調(diào)，另一方面在較大的時(shí)延和頻偏影響下，ZC序列表現(xiàn)出嚴(yán)重的時(shí)頻檢測模糊性，而m序列在模糊函數(shù)的檢測中沒有明顯的偽峰，這也是NR系統(tǒng)PSS摒棄LTE中ZC序列而使用的m序列的原因[4]。

NR中PCI數(shù)量是1 008個(gè)，而是LTE中PCI個(gè)數(shù)為504個(gè)，這就要求NR中決定PCI組數(shù)的SSS序列相關(guān)性要更好，3GPP選取了基于長序列的SSS結(jié)構(gòu)，其生成方法是：先產(chǎn)生兩個(gè)長度為127的m序列，再將此2個(gè)序列按位異或運(yùn)算。

NR中綁定PSS、SSS、PBCH成一塊形成SSB（SS/PBCH block，SS/PBCH塊）。LTE中 有CRS參考信號(hào)可以對PBCH進(jìn)行輔助解碼，NR中并沒有繼續(xù)沿用CRS的思路而是定義了PBCH DMRS（Demodulation reference signal，解調(diào)參考信號(hào)）用來解碼PBCH[5]。

DMRS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，頻域偏移式（3）決定。

考慮到ZC序列良好的相關(guān)性和同LTE系統(tǒng)的兼容性，NR Preamble信號(hào)仍然采用ZC序列。Preamble信號(hào)對上行同步有至關(guān)重要的作用，Preamble信號(hào)由循環(huán)前綴、前導(dǎo)和保護(hù)時(shí)間間隔組成，前導(dǎo)格式表征了PRACH信道的物理模型[6]。序列長度LRA可能的取值是839和139。GAP時(shí)間越長支持覆蓋距離越遠(yuǎn)，如對于LRA=839的前導(dǎo)碼Format0適用普通覆蓋場景，其時(shí)長為1 ms，其GAP支持最大覆蓋距離為14.53 km。

為了解決高速場景下多普勒效應(yīng)產(chǎn)生偽相關(guān)峰，NR中增加了限制集，用來限制某些根序列的循環(huán)移位。Preamble序列生成時(shí)首先要確定根索引，然后根據(jù)N=LRA/NCS計(jì)算生成的序列個(gè)數(shù)，如果不夠，則直接使用下一個(gè)根索引[7]。

2 下行同步

NR下行同步的目的包括：小區(qū)搜索；解碼PBCH找到RMSI；找到最優(yōu)波束。LTE中PSS、SSS、PBCH在時(shí)域上的位置是固定的，而在NR中，根據(jù)子載波間隔和頻域范圍不同，SSB時(shí)域位置是可變的。時(shí)域位置可變的設(shè)計(jì)是因?yàn)镹R中引入了波速掃描的概念，波束越多越窄，覆蓋越廣，可配置SSB越多，其候選位置最多可以達(dá)到64個(gè)[8]。例如 CaseB，3 GHz＜f＜=6 GHz，SSB 的時(shí)域起始位置可以位于OFDM符號(hào)編號(hào)為4、18、16、20、32、36、44、48的位置，在5ms的窗口范圍內(nèi)有8種可選位置進(jìn)行發(fā)送。NR系統(tǒng)帶寬最大可以達(dá)到400 M，如果沿用LTE中的信道柵格（channel raster，信道柵格）搜索勢必增加搜索時(shí)長，所以在NR系統(tǒng)中引入了同步柵格（synchronization raster，同步柵格）的概念，UE 將以同步柵格的間隔進(jìn)行同步信號(hào)的搜索[9]。

下行同步第一個(gè)目的就是小區(qū)搜索。UE第一步搜索PSS，通過PSS確定了符號(hào)的起始位置，實(shí)現(xiàn)了符號(hào)同步并確定N(2ID)；UE第二步搜索SSS，通過盲解碼的方式確定N(1)ID，UE計(jì)算出NcellID；UE第三步將根據(jù)公式v=NcellIDmod 4確定PBCH DMRS的頻域偏移，UE利用DMRS進(jìn)行信道估計(jì)，解碼PBCH，獲得MIB。至此，UE獲取了系統(tǒng)幀號(hào)、半幀信息、載波偏移KSSB，pdcch-ConfigSIB1[10]。

下行同步第二個(gè)目的是找到RMSI得到資源調(diào)度，如圖1。NR中引入了CORESET（control resource set，控制資源集）對應(yīng)PDCCH物理資源配置，其中CORESET0固定用于 RMSI。UE搜索 PSS、SSS、DMRS并盲解PBCH后還不足以駐留小區(qū)和進(jìn)行接入，UE還要知道一些必備的系統(tǒng)消息，這些消息在NR中稱RMSI，RRC層可以認(rèn)為就是SIB1。類似LTE，SIB1在PDSCH中發(fā)送，而PDSCH需要PDCCH的DCI來調(diào)度。MIB中字段 KSSB和pdcchconfigSIB1就是找到CORESET0的關(guān)鍵信息，其中包含CORESET0的索引。至此，UE不僅完成與小區(qū)的同步過程，又通過參數(shù)找到Type0-PDCCH 公共搜索空間來解碼 PDSCH，獲得了SIB1[11]。

圖1 UE找到RMSI過程

下行同步第三個(gè)目的就是找到最優(yōu)波束。UE找到最優(yōu)波束是通過確定SSB來完成的。UE解調(diào)PBCH后，即得到SSB的索引位置（Index），同時(shí)得到SSB相關(guān)時(shí)域信息。SSB index 對應(yīng)PRACH的occasion，UE則在這個(gè)對應(yīng)的時(shí)頻資源上發(fā)Msg1。

3 上行同步

上行同步的目的包括：基站和UE達(dá)成傳輸時(shí)間同步；UE獲得小區(qū)內(nèi)唯一標(biāo)識(shí)身份的C-RNTI。通過下行同步，UE獲取了時(shí)間的同步，但不是傳輸時(shí)間同步。gNB接收到的是很多UE發(fā)送的混合信號(hào)，只有當(dāng)上行傳輸時(shí)間同步后，小區(qū)中不同位置的 UE 發(fā)送的上行數(shù)據(jù)才能被正確解調(diào)。gNB將收到上行Preamble碼放入時(shí)間窗口檢測，就能確定上行信號(hào)距離gNB位置的遠(yuǎn)近，從而獲得TA值，并將TA值通過下行消息反饋給UE，UE根據(jù)基站的反饋指令，獲取TA并調(diào)整自己的信號(hào)發(fā)送時(shí)間。如圖2所示，UE1較基站更近，則其時(shí)間提前量T1也小于UE2時(shí)間提前量T2。

圖2 上行時(shí)間提前量說明

UE為了獲得時(shí)頻資源，必須發(fā)起隨機(jī)接入。隨機(jī)接入根據(jù)接入原因不同，分為基于競爭的隨機(jī)接入和基于非競爭的隨機(jī)接入?；诟偁幍碾S機(jī)接入過程如圖3所示。

圖3 基于競爭隨機(jī)接入信令

UE首先選擇SSB、CSI-RS，然后根據(jù)SSB隨機(jī)選擇Preamble Index，UE在對應(yīng)的PRACH occasion位置發(fā)送Preamble碼，發(fā)送Preamble碼后根據(jù)PRACH資源的時(shí)域位置計(jì)算相關(guān)聯(lián)的RA-RNTI。UE發(fā)送了preamble之后，將在RAR時(shí)間窗內(nèi)監(jiān)聽PDCCH，以接收對應(yīng)RA-RNTI的RAR，時(shí)間窗口內(nèi)沒有收到基站回復(fù)RAR，本次接入失敗。

非競爭隨機(jī)接入時(shí)，基站將提前給某個(gè)UE分配專用的preamble碼或者該UE本身擁有小區(qū)唯一識(shí)別的身份的C-RNTI，因此，如果是非競爭隨機(jī)接入將沒有步驟三和步驟四。Mg3針對不同場景，有不同的消息格式，但其共性是，所以的Mg3均包含一個(gè)UE唯一標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)用于沖突解決。UE發(fā)送了Msg3，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，并在Msg3進(jìn)行HARQ重傳時(shí)，重啟該定時(shí)器。在該定時(shí)器時(shí)間內(nèi)，UE將監(jiān)聽PDCCH信道，當(dāng)成功解碼出的MAC PDU中包含的Contention Resolution Identity MAC CE與Msg3發(fā)送的CCCH SDU匹配時(shí)，標(biāo)志隨機(jī)接入成功，UE也會(huì)將此前的臨時(shí)TC-RNTI設(shè)置為小區(qū)唯一標(biāo)識(shí)C-RNTI。

4 信令分析

本次驗(yàn)證的組網(wǎng)環(huán)境是NSA模式，在NSA模式下，LTE基站將通過RRC消息獲取到NR基站的系統(tǒng)配置參數(shù)，該模式下UE無需進(jìn)行小區(qū)選擇，但要獲取物理控制信道配置信息，仍需要進(jìn)行下行時(shí)域同步流程。

如圖4所示為NSA模式下的同步信令截圖，MIB消息包含系統(tǒng)幀號(hào)systemFrameNumber和DMRS位置信息dmrs-Type-Position。為了讀取RMSI而需要獲取的2組參數(shù)ssb-SubcarrierOffeset和pdcchconfigSIB1也可以在MIB消息中讀取到。

在NR下行RRCReconfiguration消息可以讀到PRACH配置消息。其中prach-ConfigurationIndex指PRACH配置索引，zeroCorrelationZoneConfig指NZC，prach-RootSequenceIndex指根序列索引。

在NR中的隨機(jī)接入過程使用了波束，其中SSB在時(shí)域周期內(nèi)有多次發(fā)送機(jī)會(huì)且分別對應(yīng)不同的波束，而對于UE而言，只有當(dāng)SSB的波束掃描信號(hào)覆蓋到UE時(shí)，UE才有機(jī)會(huì)發(fā)送preamble。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)端收到UE的preamble時(shí)就知道下行最佳波束，因此SSB需要與preamble有一個(gè)關(guān)聯(lián)，字段ssbperRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB指示這種關(guān)聯(lián)關(guān)系，preamble都是在PRACH occasion才能進(jìn)行發(fā)送。

圖4 MIB消息及PRACH配置消息信令截圖

5 參數(shù)規(guī)劃

為了提高初始同步過程的性能，在實(shí)際組網(wǎng)中，要綜合覆蓋場景、基站類型、業(yè)務(wù)量等因素合理配置同步與接入相關(guān)參數(shù)。

PCI規(guī)劃：NR中的小區(qū)同步、重選、切換等流程都會(huì)用到PCI信息，但現(xiàn)網(wǎng)中又不可避免的會(huì)對小區(qū)PCI進(jìn)行復(fù)用，分配PCI時(shí)，要將宏站、室分單獨(dú)規(guī)劃PCI集，小區(qū)與同頻鄰區(qū)或小區(qū)相鄰的兩個(gè)鄰區(qū)之間PCI不能重復(fù)。如某小區(qū)相鄰的兩個(gè)小區(qū)分配相同PCI將導(dǎo)致UE在切換時(shí)無法接入正確的小區(qū)。由于引入了波束的概念，NR中的干擾將不會(huì)成為制約5G性能的主要因素，但是為了降低PBCH干擾，還是避免PCIMOD4沖突。

PRACH規(guī)劃：首先要根據(jù)覆蓋半徑門限確定前導(dǎo)序列格式，根據(jù)速度場景確定限制集和非限制集。其次循環(huán)偏移NCS與小區(qū)覆蓋半徑相關(guān)，NCS越大，小區(qū)半徑越大，根據(jù)小區(qū)覆蓋半徑選擇NCS，如R=5km，NCS=46，根據(jù)N=LRA/NCS計(jì)算，LRA=839格式ZC序列其可以產(chǎn)生18個(gè)Preamble碼。最終根據(jù)小區(qū)負(fù)載、NCS、PRACH格式指示（Prach-configIndex）取值確定根序列個(gè)數(shù)。如上面示例需要產(chǎn)生64個(gè)前導(dǎo)需要根序列4個(gè)。

SSB及波束個(gè)數(shù)：NR引入了動(dòng)態(tài)窄波技術(shù)，同步過程通過確定SSB的Index找到了最優(yōu)的波束。如天津移動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.6 GHZ頻段，水平25度波寬較水平110度波寬能提高2.5 dB覆蓋增益。波束數(shù)量越多覆蓋增益越大，但系統(tǒng)開銷越大。當(dāng)水平覆蓋要求比較高時(shí)，推薦配置窄波速，遠(yuǎn)點(diǎn)可以獲得更高的波束增益，提升遠(yuǎn)點(diǎn)覆蓋。同時(shí)波束數(shù)量受SSB可選位置、頻段、幀重復(fù)周期、SSB周期的制約。在實(shí)際組網(wǎng)過程中，要根據(jù)站點(diǎn)類型、業(yè)務(wù)模型和無線環(huán)境合理的設(shè)置SSB周期和數(shù)量。如在進(jìn)行小數(shù)據(jù)包傳輸或大型活動(dòng)通訊保障時(shí)要采用短SSB周期。目前中移2 ms內(nèi)可配置1-8個(gè)SSB（對應(yīng)1-8波束），廣播發(fā)送周期20 ms。

SSB頻點(diǎn)配置：頻點(diǎn)配置時(shí)，主要配置帶寬、絕對頻率位置、PointA等參數(shù)。SSB頻點(diǎn)配置有3種方式，分別為配置頻帶下端，中間和上端，如果SSB配置在頻帶中間，將會(huì)將整個(gè)帶寬分割成基本等長的兩端，影響僅支持type1的終端峰值速率。

6 結(jié) 語

本文介紹了NR隨機(jī)序列和同步信號(hào)、信道的設(shè)計(jì)，聯(lián)合分析了上行和下行同步過程，重點(diǎn)闡述了下行同步的3個(gè)目的和上行同步的2個(gè)目的，并以此給出NR組網(wǎng)中了參數(shù)規(guī)劃建議。