5G NR SSB（SS/PBCH Block）详解

我们都知道LTE中终端设备也就是手机是通过基站广播发送的主同步序列和辅同步序列实现同步的，但在NR中，出现了SSB的概念，简单的说就是由原来的主同步序列、辅同步序列、物理广播信道和解调参考信号组合在一起构成的，也就是PSS、SSS、PBCH和DMRS在四个连续的OFDM符号内接收然后构成SSB，主要是用于下行同步。本次对于SSB的分析就以协议为基础进行。

一、同步序列

在协议38211中有对于同步信号的详细描述。
在NR中有1008个物理层小区，是LTE的2倍，因为NR中的小区种类和数量更多，小区ID计算如下：
There are 1008 unique physical-layer cell identities given by


Cell ID 2由PSS承载，Cell ID 1由SSS承载。下面是PSS和SSS的具体序列生成公式。NR中PSS和SSS不在是LTE中的ZC序列，而是采用了m序列，因为ZC序列在有频偏的时候，同步性能会收到影响。
对于PSS来说，长度为127的m序列通过循环移位（0,43,86），得到三个不同的PSS。

对于SSS来说，一条长度为127的序列通过循环移位无法产生足够的序列来承载1008个小区ID，所以通过两条m序列，其中一条进行9个循环移位，对应公式中m0，另一条进行112个循环移位，对应公式中m1，共同产生1008个不同ID。

二、SSB的结构

下面介绍一下SSB的时频结构。先看协议中的原话：
In the time domain, an SS/PBCH block consists of 4 OFDM symbols, numbered in increasing order from 0 to 3 within the SS/PBCH block, where PSS, SSS, and PBCH with associated DM-RS are mapped to symbols as given by Table 7.4.3.1-1.
也就是说在时域，SSB由4个连续OFDM符号组成，按照从0-3升序编号。其中所说的表格就是下面这个表格

表中l表示时域符号的标号，k表示SSB中各个部分的频域子载波标号，注意这个标号是SSB内的标号，不论是时域还是频域都是从0开始，并不是整个频带上的标号，也不是BWP中的标号，这个只是给出了SSB的时频结构而不是SSB的时频位置。看这个表格可能还不够形象生动，那么把它画出来就形象多了：

将这两个图一起看，是不是SSB的时频结构就很清晰明了了？值得注意的是SSB中置0的一些位置是并不能放其他东西的。图中蓝色的部分是DM-RS，它是穿插在PBCH中的，PBCH的每个RB上有3个DM-RS，DM-RS有4种频域偏移，这个与小区ID有关：

同频邻区设置不同的偏移有利于降低导频干扰。结合图表可以看出SSB的大小是时域上4个OFDM符号频域上240个子载波，也就是20个RB。

三、SSB的时域位置

在LTE中，FDD中PSS在每帧的0和5号子帧的第一个时隙的最后一个符号，SSS在倒数第二个符号，也就是PSS的前面那个符号；TDD中PSS在每帧的1和6号子帧的第三个符号，SSS在0和5号子帧的最后一个符号。与LTE不同，NR中SSB周期会在SIB1中配置，可能是5 10 20 40 80 160ms，在初始接入的时候，UE还没有收到SIB1，则会按照默认的20ms周期来搜素SSB。在每个周期内，会有一系列SSB，每个SSB对应一个波束方向。先介绍一下波束扫描。

什么叫波束扫描，简单的说就是因为NR中频率更高了，那么小区基站的覆盖范围就减小了，那么发送一些广播信息的时候就不再采用覆盖的形式而是采用波束扫描的形式，某一个时刻将能量集中在某一个方向，那么这个方向就可以把信号发送的更远，但是其他方向接收不到信号，下一个时刻朝着另一个方向发送，最终通过波束不断的改变方向，实现整个小区的覆盖。
前面我们所说的SSB并不是隔一段时间出现一次，而是隔一段时间在某一个半帧内出现若干次，这个就是为了波束扫描而设计的，这若干个SSB中每个都对应一个波束扫描的方向，最终每个方向都会有一个SSB，这若干个SSB就叫一个SSB set，一个SSB set中的所有SSB都要在同一个半帧内。SSB set的周期可以是5 10 20 40 80 160ms，这个周期会在SIB1中指示，但在初始小区搜索的时候，UE还没有收到SIB1，所以会按照默认20ms的周期搜索SSB。

根据协议中的描述，按照不同的SSB子载波间隔，一个半帧内的SSB位置会有5种不同的情况：

NR根据子载波间隔的不同，将SSB的时域位置分为了5中不同的情况。以case A为例

此时SSB的子载波间隔为15kHz，SSB的第一个符号所处的位置是，其中当载频小于3GHz时，n=0，1，当载频在3G到6GHz时，n=0,1,2,3。从下面这个图中可以比较直观的看到SSB在一个半帧的一个时隙内的位置。其他几种情况类似不做过多介绍。那么对于不同的子载波间隔，一个SSB set里的SSB数量也不一样，可能有4个也可能有8个也可能有64个。

SSB时域位置设计其实主要是考虑到不同子载波之间的共存。我们将case A B和C以及60kHz子载波间隔的情况下的子帧画在同一个图里：

一个15kHz子帧会对应2个30kHz子载波下的子帧。对于case A来说，将SSB放在这些位置，是考虑到其时隙开头的2个符号0和1可以用于下行控制的传输，这两个符号对应30kHz子载波情况下的符号0 1 2 3，同样也可以用于30kHz子载波情况下的下行控制传输。15kHz下两个SSB之间的预留的符号6和7可用于GP和上行控制的传输，对应30kHz下第一个子帧的符号12和13以及第二个子帧中的符号0和1，这样也可以保证30kHz下第一个子帧中有用于传输GP和上行控制的资源，以及第二个子帧中有用于传输上行控制的资源。但大家此时就会发现，同样的道理，那Case B此时无法与60kHz的子载波间隔共存，因为case B中SSB0和SSB1占据的资源对应60kHz子载波间隔下第一个子帧的符号8-13以及第二个子帧的符号0-9，并没有为60kHz下预留用于GP或者上下行控制传输的资源。所以这也就是为什么30kHz子载波间隔情况下会有两种不同case。Case C也是30kHz子载波间隔，但case C就可以很好的与60kHz子载波间隔共存，但case C前后预留的资源对应于15kHz子载波间隔下的符号0和符号13，不足以用于传输控制资源，所以case C很难与15kHz子载波间隔共存。所以case B和case C在真正使用的时候要取决于具体的情况。Case D和E也是同样的道理，不再进行分析。

四、SSB频域位置

与LTE中PSS和SSS固定在带宽的中间73个子载波不同，NR中SSB可能的频域位置有很多。NR中有一系列全局同步信道号GSCN，每个GSCN都会对应一个确定的、绝对的频率位置，系统会把SSB放在这些GSCN上，对齐方式为SSB的10号RB的0号子载波与GSCN对齐，UE就会在这些GSCN上挨个盲检SSB。
不同的operating band是分配给不同运营商的，所以UE是知道自己处在哪个operating band上的，比如n28分配给广电的，那么接入广电网络的UE在搜索SSB的时候，就盲检1901 – <1> – 2002这个范围内的GSCN，并且只搜索15kHz子载波间隔、case A下的SSB。

下面介绍kssb。先看下图：

想要看懂这个图，我们先要知道在NR中，同步栅格（也就是上面所说的GSCN）和频率栅格不再对齐。在LTE中，因为只有15kHz一种子载波间隔，并且带宽也不是很大，所以LTE中同步栅格和频率栅格是对齐的，但在NR中，由于频带很广，而且有5种不同的子载波间隔，所以协议重新定义了同步栅格，其不再与频率栅格对齐。
再来看上图，由于同步栅格和频率栅格的不对齐，SSB的第0号RB的第0号子载波与和SSB有重叠的BWP中的RB中的最低RB的第0号子载波之间的频率偏差叫做kssb。这句话听起来可能有些拗口，图中蓝色的部分表示BWP中与SSB有重叠的RB，那么这些RB中的最低的一个，也就是图中箭头指向的那一个RB，它的0号子载波与SSB的频率最低点，也就是SSB的0号RB的0号子载波，之间的频率偏差叫做kssb。有了这个kssb以后，再看下图：

图中的offset2就是上面所说的kssb，offset1是point A和箭头所指蓝色位置RB的子载波0之间的频率偏差。而Point A是什么，point A是公共资源，也就是CRB的0号子载波。有了offset1和offset2，我们就可以知道SSB在频域中的位置了，即：距离CRB的子载波0有offset1+offset2的频率偏移。但在实际中，并不是先知道point A的位置再知道SSB，因为UE最先接收的是SSB，然后再进行时频同步，所以UE是先知道SSB的位置，再根据offset1和offset2来找point A的位置。那到底怎么知道SSB在什么频域位置呢？UE也不知道，所以UE只能在同步栅格上一个一个的找。

五、PBCH payload

收到SSB后，最主要的系统信息就会在PBCH中承载，也就是通常所说的MIB。

这个就是PBCH中所承载的信息，具体可以参考协议38212中7.1.1小节和38331中对MIB的解释。

其中承载的24bit信息也就是表格中列出来的是来自于高层的，会指示系统帧号、SSB的子载波间隔、kssb的具体值、DMRS的具体位置（前面说过PBCH中DMRS有4种不同的频域位置这个指示具体是哪种）等。还有另外的来自于物理层的8bit信息，这8bit在不同的情况下有不同的作用：

从协议中的描述可知：
低4bit为系统帧号的高4bit；然后1bit为半帧指示；然后剩下的3bit，如果SSB set中有最多64个SSB，则这3bit用于指示SSB索引，即该SSB是SSB set中的第几个SSB，否则这3bit其中的1bit用于和指示Kssb的4bit相结合，共同指示Kssb（因为如果在L=64的情况下，Kssb会在一个RB范围内偏移，即12个子载波，所以有4bit就够指示了，但在L=4或者8的情况下，Kssb会在两个RB范围内偏移，即24个子载波，所以此时就需要5bit），剩余2bit预留。L=4或8的情况下无需指示SSB索引，不同的8种DMRS序列就可以用于指示SSB索引。