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)用場景對傳輸速率、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，只要知道了對方使用的頻率和通信時(shí)間，就可以攔截對方的電報(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Ψ绞裁磿r(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’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用來對這些表格進(jìn)行索引。我們會(huì)在后續(xù)的文章中對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。