5GNR漫谈2:同步和广播信道SSB

在LTE系统中,固定的子载波间隔为15KHz,这样,在不考虑包含循环前缀保护间隔的情况下,一个OFDM符号的长度为子载波间隔的倒数66.66us。在设计物理层帧结构的时候,同步信道设计了主同步信道PSS和辅同步信道SSS,生成的序列是ZC序列。这两个信道的位置固定,其中PSS周期为5ms,SSS又分为子帧0和子帧5两种序列,各自序列周期为10ms。通过这样的设计,在终端进行小区搜索的时候,首先通过本地PSS序列与接收无线帧数据进行相关搜索,由相关峰值找到无线帧的5ms周期,再取5ms周期的接收数据分别采用子帧0的SSS序列和子帧5的SSS序列进行相关搜索,由相关峰值最大值确定该5ms周期包含子帧0或者子帧5,并由SSS的位置最终确定系帧10ms的帧边界。
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LTE PSS和SSS在无线帧中的位置
LTE的广播信息MIB承载在物理信道PBCH上,原始有用比特14位,其中3位dl-Bandwidth字段,用以指示系统带宽,3位phich-Config字段,用以指示PHICH资源的计算参数,8位systemFrameNumber字段,用以指示系统帧号。这14位原始比特加上10位全0的空闲比特组成24位比特,经16位的比特CRC校验后组成40位的比特组,然后进行编码和速率匹配,形4份循环缓存数据。系统以40ms为周期,每10m发送1份缓存中的数据。在接收端,每一份数据既可以独立译码恢复MIB,又可以在信道恶劣的时候,与其它份数据合并在一起进行译码,增大MIB译码成功概率。
LTE系统中,PSS、SSS和PBCH在频域上占据带宽中心的位置,6个RB,72个子载波,以满足最小的系统带宽接入需求。
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LTE MIB系统消息
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LTE PBCH周期
在5GNR的同步与广播信道中,继承了主同步序列PSS和辅同步序列SSS这样的同步结构,并由PSS序列来确定NID2,SSS序列确定NID1,从而确定小区PCI=3* NID1 + NID2;但在其它方面已经有很大的不同。
首先在序列的产生上,采用了M序列。ZC序列由于大频偏场景下抗干扰能力不如M序列,而对于NR应用场景而言,大频偏场景是不得不考虑的,特别是在高速率或者高频段的应用场景下。其次,不同于LTE产生PSS序列时,采用了三个ZC根,以对应三个NID2值,NR的三条PSS根序列,本质上是由一个M序列根生成,其它两条根序列有第一条根序列循环移位而得到。这样的设计,为终端在进行小区搜索时,对PSS序列进行相关检测时,只需要一次滑动相关,即可确定NID2的值,减少了运算量和存储量,带来工程实现的便利。NR的PSS序列还有一个特点,在时域上,表现为镜像共轭对称性质。此性质指:序列以中心为原点,两边的数据距中心相同的距离共轭对称。
这一性质,同样给PSS的搜索计算,带来简化。
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NR PSS序列的滑动自相关
另外,相对于LTE系统中,同步序列PSS、SSS和PBCH在时频资源上的位置较为离散不同,NR重新设计了PSS、SSS和PBCH时频资源位置,使得它们更为紧凑,形成一体,称之为SSB。在时间上占据4个OFDM符号,频域占240个子载波。这种紧凑的结构,使得一经检测到同步序列之后,即可立即进行解广播,加快了终端接入的速度,降低了系统的网络时延。
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NR SSB时频结构
由漫谈1中提到,NR的子载波间隔,已经不是固定的15KHz,有多种选择,由此带来了系统一个OFDM符号在时间上的改变。这种改变意味着,SSB的发射周设计也应当要有灵活的变化,以适应不同的场景需求。NR的PBCH周期不再类似于LTE的40ms周期,而表现为更为灵活的配置,根据系统的配置不同而不同。这种周期性质,往往表现为在5ms的半系统帧周期内,SSB发射次数和时间间隔不同。标准定义了8种不同的场景,对应不同的工作频段和系统子载波间隔。
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由上图中可以看到,在5ms内,SSB发射了很多次,而且子载波间隔越大,发射得越密集。造成这种区别的原因,不得不提到NR在小区搜索时,引入的新技术Beam Sweeping,而引入Beam Sweeping原因,在于NR为了提升系统容量,采用到了Massive MIMO技术,而Massive MIMO典型应用就是波束赋形(Beamforming)。
NR在进行SSB发射的时候,采用Beamforming技术,在不同的时间上发射不同方向的波束,这可以通过调整天线矩阵的相位系数实现。这样做的目的,在于终端在做小区搜索的时候,进行Beam Sweeping,即扫描测量最强的SSB波束,这样,基站小区可识别出终端处于最佳的波束方向,提升信道增益,带来系统容量的提升。
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在5ms半帧内,每个SSB波束有区自身的识别号,称为SSB Index。系统选择哪一个beam,会在PBCH的DMRS序列生成的时候进行初始化加扰。
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NR小区搜索的过程,首先通过PSS和SSS同步信道确定系统帧起始位置和小区PCI,进而确定DMRS位置,进而确定PBCH时频资源位置,将PBCH数据提取后,进行信号处理,比如频偏估计和补偿,信道估计和均衡,译码等,最终获取MIB数据。
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需要指出的是LTE可由工作频点号EARFCN,在工作band内,是以100KHz等间隔均匀分布的,因此在进行小区搜索的扫频时,RF器件根据频点号的递增不断增加100KHz即可。NR重新定义了一套工作频率计算方法。
NR定义了NR-ARFCN(绝对射频频率信道编号)用于表示载波中心频点,严格遵循下表中的逻辑关系。在每个操作频带上,频率偏移步长是不一样的。
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NR由于相比LTE占用了更大的带宽,终端不必支持覆盖的有的带宽,协议又引入了BWP子带的概念,在每个子带内可以发射SSB,即SSB可以不工作在载波中心频率,因此NR协议定义了GSCN(Global Synchronization Channel Number)用于标记SSB的信道号,每一个GSCN对应一个SSB的频域位置SSREF,GSCN按照频域增序进行编号。
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SSB搜索过程,首先在对应的频带内,逐个可能频点接收信号,在基带进行低通滤波后,留下SSB带宽信号,然后采用PSS和SSS进行相关峰值搜索,确定帧边界和小区PCI。PSS和SSS做滑动相关的时候,可能会有多个峰值的存在,这个时候选择最强的相关峰值,即选择最强的SSB.
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发射SSB
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PSS相关
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SSS相关
然后,根据PCI找到DMRS导频信号,此时,根据工作频率和子载波间隔,确定SSB波束最大可能发射数,依次从第一个开始盲搜波束编号,相关值最大的那个编号即为SSB编号。
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SSB波束号
根据DRS做信道估计。PBCH信道数据均衡信道估计值后,进行译码,解出MIB比特数据。
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均衡前PBCH星座图
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均衡后的PBCH星座图
最后解析出MIB信息。
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