去年年底，移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)營商先后獲批5G試驗(yàn)頻率，并在全國十幾個(gè)城市進(jìn)行了5G應(yīng)用示范；今年六月，工信部又向三家運(yùn)營商和中國廣播電視集團(tuán)，授發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的更迭，2015年9月國際電信聯(lián)盟(ITU)確定了5G三大應(yīng)用場(chǎng)景，分別是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(eMBB)，高可靠性低時(shí)延(uRLLC)和海量機(jī)器互聯(lián)(mMTC)。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)傳輸速率、功耗、時(shí)延、可靠性的要求都不盡相同。
為了能夠滿足所有場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)，5G定義了新的物理層技術(shù)架構(gòu)和新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在物理層技術(shù)方面相對(duì)于LTE標(biāo)準(zhǔn)，NR提供了靈活的參數(shù)集和幀結(jié)構(gòu)并引入了一些新的概念。比如采用前置導(dǎo)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)來減少時(shí)延，同步信號(hào)集 (SS block set) 的設(shè)計(jì)通過波束賦型提高小區(qū)覆蓋，減少‘a(chǎn)lways-on’信號(hào)的存在從而降低系統(tǒng)功耗等等。
在這個(gè)專欄里，我們通過對(duì)一些物理層概念和技術(shù)的學(xué)習(xí)來了解NR標(biāo)準(zhǔn)的部分物理過程以及設(shè)計(jì)理念。
ITU 定義的5G三種典型應(yīng)用場(chǎng)景
以下是本篇專欄的文章目錄
01. 了解小區(qū)搜索與同步
02. SS Block的組成
03. 物理小區(qū)號(hào)
04. PSS 序列及同步
05. SSS 序列
06. PBCH和PBCH DMRS 信號(hào)
07. 同步信號(hào)塊 (SS Block) 的頻域位置
08. 同步信號(hào)塊 (SS Block) 時(shí)域位置及類型
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了解小區(qū)搜索與同步
很多年前有一部熱播諜戰(zhàn)片《暗算》，其中《聽風(fēng)》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(tái)。某天B單位采取了無線電靜默，改變了無線電聯(lián)系的頻率和時(shí)間。A單位無法繼續(xù)進(jìn)行偵聽工作，于是請(qǐng)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(tái)。
*圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
當(dāng)時(shí)的無線電通信，只要知道了對(duì)方使用的頻率和通信時(shí)間，就可以攔截對(duì)方的電報(bào)。因此無線電聯(lián)絡(luò)經(jīng)常需要更換頻率和時(shí)間以甩掉偵聽。因?yàn)椴恢缹?duì)方什么時(shí)候發(fā)報(bào)，劇中阿炳除了吃飯上廁所幾乎所有的時(shí)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(qū)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(nèi)搜索可用小區(qū)并獲得該小區(qū)的工作頻率并與基站進(jìn)行時(shí)間同步。蜂窩通信復(fù)雜度遠(yuǎn)大于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(qū)搜索和同步的過程。
下圖總結(jié)了NR中小區(qū)搜索設(shè)計(jì)的主要概念。
● 物理信號(hào)
物理層需要一些確定的已知的信號(hào)來進(jìn)行同步以及信道估計(jì)，這種信號(hào)就是物理信號(hào)。物理信號(hào)生成于物理層，不承載任何高層信息。例如同步信號(hào)，參考信號(hào)。小區(qū)搜索和同步過程中會(huì)接觸到下圖所示三種物理信號(hào): PSS，SSS和PBCH DMRS。
● 物理信道
承載某種上層信息和業(yè)務(wù)的時(shí)頻資源的統(tǒng)稱，是無線業(yè)務(wù)在物理層的實(shí)際承載。小區(qū)搜索和同步過程中會(huì)涉及到物理廣播信道(PBCH)。PBCH承載的是最基本的小區(qū)信息以及解碼其他物理信道所需要的參數(shù)，下文會(huì)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。下圖是MathWorks給出的NR小區(qū)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(jìn)行解碼:
這個(gè)過程后續(xù)會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
NR 初始小區(qū)搜索與同步框圖 [1]
● 同步信號(hào)塊(Synchronization signal block)
SS block是NR小區(qū)搜索和同步機(jī)制中與LTE最大的不同之處。LTE PSS/SSS信號(hào)的周期是5ms，一幀內(nèi)有兩個(gè)PSS/SSS信號(hào)。PBCH的周期是40ms，每10ms發(fā)送一次，40ms內(nèi)的四次PBCH發(fā)送相同的內(nèi)容。LTE的同步信號(hào)以及PBCH在時(shí)域和頻域的位置是固定的。下圖是一個(gè)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(jiǎn)’的設(shè)計(jì)規(guī)范，通過減少always-on信號(hào)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(jù)傳輸需求靈活配置SS block的個(gè)數(shù)及其在時(shí)域和頻域的位置。如下圖所示，SS block長度可以不同，在時(shí)域和頻域也可以處于不同的位置。
SS block 在時(shí)域及頻域的靈活配置
● 同步信號(hào)集(SS burst set)
NR標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)了massive MIMO的支持，因此波束賦型成為了NR標(biāo)準(zhǔn)的基因。NR與LTE在小區(qū)搜索和同步過程中另外一個(gè)重要的區(qū)別是SS block不僅要完成同步的任務(wù)還要進(jìn)行初始的波束掃描和波束的建立。SS burst set的設(shè)計(jì)就是波束賦型思想的一個(gè)體現(xiàn)。SS burst set是時(shí)域上一些SS block的集合，一個(gè)SS burst set中每個(gè)SS block除了承載同樣系統(tǒng)參數(shù)之外還有一個(gè)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(cè)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(guān)的概念如下。
SS Block的組成
SS block 的組成
SS Block在時(shí)域上由4個(gè)OFDM符號(hào)組成，頻域上占用20 PRB (240子載波) 。TS 38.211表7.4.3.1-1總結(jié)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(jù)物理小區(qū)號(hào)Physical-layer cell ID (PCI) 進(jìn)行偏移，不同物理小區(qū)的PBCH DMRS在頻域上偏移1到3個(gè)RE，v=NIDcellmod4。
SS/PBCH 塊中PSS, SSS, PBCH, 和PBCH DM-RS的資源映射
物理小區(qū)號(hào)
不用于LTE 的504個(gè)物理小區(qū)號(hào)，NR定義了1008個(gè)PCI。
其中
PCI是蜂窩系統(tǒng)一個(gè)重要的物理參數(shù)，在NR標(biāo)準(zhǔn)中PSS/SSS序列的產(chǎn)生，PBCH DMRS信號(hào)在頻域的偏移以及其他DMRS的初始化都與PCI有關(guān)。
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PSS 序列及同步
PSS 位于SS Block第一個(gè)符號(hào)中間的127個(gè)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(tài)為：
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SSS 序列
SSS位于SS Block第二個(gè)符號(hào)中間的127個(gè)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(gè)m序列的偏移量分別為：
寄存器初始狀態(tài)為：
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PBCH和PBCH DMRS信號(hào)
PBCH承載無線資源控制(radio resource control, RRC)層的系統(tǒng)參數(shù)，完成幀同步所需的其它重要參數(shù)，以及進(jìn)一步解碼其他物理信道所需的參數(shù)。
PBCH-DMRS信號(hào):
LTE標(biāo)準(zhǔn)中沒有PBCH DMRS信號(hào)，通過cell reference signal (CRS)對(duì)PBCH進(jìn)行信道估計(jì)。CRS存在于全部傳輸帶寬上。NR標(biāo)準(zhǔn)中減少了全頻帶 ‘Always-on’ 信號(hào)的存在，取消了小區(qū)級(jí)參考信號(hào)并新增了PBCH DMRS來進(jìn)行PBCH的信道估計(jì)。
PBCH-DMRS信號(hào)在PBCH信道的解碼過程中有兩個(gè)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(hào)，PBCH需要承載高層傳下來的系統(tǒng)參數(shù)。為了保證傳輸可靠性，物理信道都會(huì)經(jīng)過加擾，CRC校驗(yàn)，信道編碼，速率匹配等過程。這幾個(gè)步驟是所有NR物理信道在發(fā)射之前都要進(jìn)行的處理步驟，與小區(qū)搜索過程沒有關(guān)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(qū)最基本的系統(tǒng)信息以及解碼PDSCH SystemInformtioType 1 (SIB1)所需要的參數(shù)。除了MIB之外，PBCH承載了8 bits額外的payload。各參數(shù)的長度以及物理意義如下面的導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)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(yù)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(fù)用方式。MIB中的pdcch-configSIB1，subCarrierSpacingCommon以及k_ssb用來對(duì)這些表格進(jìn)行索引。我們會(huì)在后續(xù)的文章中對(duì)SIB1的內(nèi)容和解調(diào)進(jìn)行講解。
PBCH中承載的系統(tǒng)信息及同步參數(shù).
同步信號(hào)塊(SS Block)的頻域位置
● SS Block的中心頻率
LTE標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)終端進(jìn)行小區(qū)搜索的時(shí)候，需要在所有可能的載波中心位置進(jìn)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(jìn)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(huì)導(dǎo)致較長的同步時(shí)間以及較大的功耗。
為了縮短小區(qū)搜索的時(shí)間，NR定義了同步柵格(Synchronization raster)來指示SS Block在頻率上可能出現(xiàn)的位置 。TS 38.104表5.4.3.1-1給出了SS Block中心頻點(diǎn)(第十個(gè)PRB的起始頻點(diǎn)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(nèi)，同步柵格的步長是1200kHz; 在3GHz – 24.25GHz頻率范圍內(nèi)，同步柵格的步長是1.44MHz; 在24.25GHz-100G頻率范圍內(nèi)，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(shè)備只需要在其所支持的頻段內(nèi)SSREF的位置進(jìn)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(nèi)SSREF的GCSN值。下表節(jié)選其中n77、n78、n79三個(gè)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(gè)頻點(diǎn)，而該頻段信道柵格的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值下表。
NR band n78的信道柵格 – TS 38.104
我們來看一個(gè)例子：一個(gè)終端設(shè)備運(yùn)行在3400MHz – 3500MHz頻段，根據(jù)38.104表5.4.3.1-1可以計(jì)算出SS Block可能存在位置的GSCN 為7777到7846。當(dāng)該設(shè)備進(jìn)行小區(qū)搜索的時(shí)候，只需要在GSCN 7777到7846相應(yīng)的SSREF位置進(jìn)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(jìn)行小區(qū)搜索的時(shí)間。
● SS Block的子載波間隔
在固定的頻率下，SS block的時(shí)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(dǎo)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(shí)間，同步檢測(cè)復(fù)雜度以及準(zhǔn)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，F(xiàn)R2支持120kHz和240kHz的子載波間隔，如下圖。
● SS Block與載波中心頻點(diǎn)的位置關(guān)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(duì)齊。NR終端在接收更多的系統(tǒng)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(duì)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(dǎo)圖中有詳細(xì)的解釋。載波中心的位置可以由SS block的中心頻點(diǎn)，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(shè)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(jì)算
- FR2: 以60 kHz為單位來計(jì)算, i.e. SCS =120 kHz, 偏移一個(gè)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(jì)算
- FR2: k_ssb以實(shí)際子載波間隔為單位計(jì)算, RB offset和k_ssb的物理意義如下圖所示
TS 38.211規(guī)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(gè)例子我們來具體看一下相關(guān)參數(shù)的意義及設(shè)置。信號(hào)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(shí)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(duì)應(yīng)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(gè)例子中SS Block與載波中心位置關(guān)系的示意圖。
有兩點(diǎn)需要注意
在Initial search時(shí)，終端通過解碼PBCH獲取了k_ssb ，并不知道載波中心頻點(diǎn)。因此上面的例子僅用來說明SS Block與載波中心的位置關(guān)系與RB offset及k_ssb的關(guān)系。
SIB1信息元素 ServingCellConfigCommonSIB 中參數(shù) absoluteFrequencyPointA 和 absoluteFrequencySSB 會(huì)載波point A以及SS block中心的AFRCN值。
SS block的中心頻點(diǎn)位于nPRB=10，RE=0，即第10個(gè)RB的第一個(gè)子載波中心。
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同步信號(hào)塊 (SS Block) 時(shí)域位置及類型
● SS Block的周期
NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SS Block的周期可以為5 ms, 10 ms, 20 ms, 40ms, 80 ms和160 ms, 默認(rèn)值為20 ms。相比LTE固定的5 ms的PSS/SSS周期，NR標(biāo)準(zhǔn)中較長的SS Block周期可以使處于連接狀態(tài)的設(shè)備進(jìn)行快速小區(qū)搜索，較長的SS Block周期結(jié)合稀疏的synchronization raster可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的能耗效率。SS block的周期信息由SIB1信息元素ServingCellConfigCommonSIB中參數(shù)ssb-periodicityServingCell 定義。
● SS Burst Set和初始波束掃描
5G中引入了超大規(guī)模天線陣列，毫米波頻段天線個(gè)數(shù)可能高達(dá)256。波束賦型在5G的應(yīng)用不僅限LTE TM8傳輸模式通過多流傳輸來提高系統(tǒng)的速率，更重要的是通過波束賦型是信號(hào)能量更加集中增強(qiáng)覆蓋，減少用戶間及小區(qū)間干擾。如前文所述波束賦型的思想體現(xiàn)在很多NR的設(shè)計(jì)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(gè)合適的波束方向?qū)ΓM(jìn)行隨后的接入及數(shù)據(jù)傳輸。SS block可以采用時(shí)分的方式在不同時(shí)間經(jīng)由不同的波束發(fā)送，如下圖所示。
SS burst set 與初始波束建立
在同一組波束中發(fā)射的SS block稱為一個(gè)SS burst set并具有下述特征。
SS burst set中所有SS block位于同一個(gè)half-frame內(nèi)(5ms)
SS burst set中所有SS block都在同一個(gè)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(gè)數(shù)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(gè)考慮：
- 頻率越高電磁波波束越窄， 為了獲得達(dá)到良好的空間覆蓋和分辨率，需要更多數(shù)目的波束。
- 在FR1頻段SS block SCS=15/30 kHz，一個(gè)SS block所占用的時(shí)間較SCS=120kHz或者240kHz的時(shí)候要長很多，較大的Lmax值會(huì)增加系統(tǒng)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(hào)強(qiáng)度最大的SS block波束作為初始波束方向，進(jìn)行隨后的PRACH接入。如下圖，UE 1從波束3接收到的信號(hào)強(qiáng)度最大，而UE2從波束7接收到的信號(hào)強(qiáng)度最大。終端會(huì)在與所選擇的SS block index相關(guān)的時(shí)間發(fā)送PRACH接入信息。基站通過解析收到的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(shù)據(jù)傳輸過程中，基站和終端通過導(dǎo)頻信號(hào)CSI- RS對(duì)波束進(jìn)行管理和切換。
初始波束建立
● SS Block類型以及時(shí)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(shí)域的位置，如下圖。
SS block 時(shí)域位置映射
通信中，發(fā)射的SS block個(gè)數(shù)可以小于相應(yīng)頻段的Lmax。
實(shí)際使用 SS block 個(gè)數(shù)由 SIB1 信息元素 ServingCellConfigCommonSIB 中參數(shù)ssb-PositionsInBurst定義。下面通過三個(gè)例子來了解下SS block的時(shí)域位置。
Case A
Lmax=8, SS block位置: 0:3, 信號(hào)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(hào)塊, 分別位于每5ms內(nèi)的 {2,3,4,5}, {8,9,10,11}, {16,17,18,19}, {22,23,24,25}符號(hào)。如下圖。
Case B
Lmax=8, SS block 位置: 7, 信號(hào)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(hào)帶寬=50 MHz, 子載波間隔=120 kHz, SS周期=10 ms 。
.小結(jié)
本文介紹了NR中初始小區(qū)搜索和同步過程中涉及到的物理信道物理信號(hào)以及NR新引入的同步信號(hào)塊和同步信號(hào)集的概念。初始小區(qū)搜索完成終端與基站的頻率及時(shí)間同步并獲取物理小區(qū)號(hào)以及MIB信息。