【5G学习】小区搜索——SSB

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前言

NR同步块（SSB）包括PSS、SSS和PBCH。PBCH中包含解调参考信号（DM-RS）。

UE在接入NR系统时，首先要检测PSS和SSS以获得下行时频同步以及PCID，然后对PBCH进行解码。PBCH中包括主信息块（MIB）和其他与SSB传输时间有关的信息（additional timing related PBCH payload bits）。

MIB中携带了UE接入NR系统所需的最小系统信息的一部分。

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一、SSB突发集（SSB Burst Set）

由于NR的频率更高，则小区基站的覆盖范围就减小了，而且高频段载波的传播损耗大，需要采用 波束赋形（Beam forming）发射的方式来增加无线信号的覆盖距离，同时由于每个波束覆盖的角度有限，NR通过 波束扫描（Beam sweeping）方式来覆盖整个小区的服务范围。
波束扫描是指在不同时刻，采用不同方向的波束发送物理信道或参考信号。

若干SSB组成了SSB突发集（SSB Burst Set），SSB突发集是周期性传输的。

一个小区通常需要发送多个SSB来完成一次波束扫描以使同步信号覆盖整个小区的服务范围。完成一次波束扫描所需要的SSB便组成了一个SSB突发集。NR只支持TDM的方式进行SSB波束扫描，而不支持FDM方式，其原因是SSB需要让系统内的所有UE都能接收到，而FDM不适用于采用模拟波束赋形的UE。

图1-1给出了TDM方式下SSB波束扫描以及SSB突发集发送时刻的示意。

图1-1 摘自《5G移动通信技术系统设计与标准详解》

不论SSB的子载波间隔和载频是什么，每个SSB突发集的发送时间都在5ms（即半无线帧）之内。

NR规定在所支持频率范围内，一个SSB突发集包含的SSB的最多个数为$L_{max}$，也是一个半帧（5ms）内SSB的最多个数。
●$L_{max}$=4时，频率小于等于3GHz，或SSB模式C下，TDD频率小于等于2.4GHz；
●$L_{max}$=8时，频率大于3GHz且小于等于6GHz，或SSB模式C下，TDD频率大于2.4GHz且小于等于6GHz；
●$L_{max}$=64时，频率大于6GHz。

$L_{max}$的选择兼顾了每个SSB波束覆盖的角度范围与载波频率的关系。随着频点升高，无线信号在空间传播的路径损耗也增大，需要用更窄的波束传输以补偿路径损耗，这就意味着需要更多的波束来实现对整个小区范围的覆盖。

二、SSB构成

NR同步块（SSB）包括PSS、SSS和PBCH。PBCH中包含解调参考信号（DM-RS）。
参考协议38.211

2.2 SSB结构

图2-1 SSB结构图

摘自博客

图2-2 摘自38.211

2.2 PSS SSS

同步信号包括主同步信号（PSS）和辅同步信号（SSS）。
NR有1008个唯一的PCI，每个NR物理小区标识$N_{ID}^{cell}$由PSS序列ID和SSS序列ID的组合共同确定，即

$N_{ID}^{cell}=3N_{ID}^{(1)}+N_{ID}^{(2)}$，其中 $N_{ID}^{(1)}$∈{0,1,…,335} , $N_{ID}^{(2)}$∈{0,1,2}

UE在接入NR系统时，首先要检测PSS获取OFDM符号边界同步（时域同步）、粗频率同步（频域同步），并获得$N_{ID}^{(2)}$的信息，然后利用获得的$N_{ID}^{(2)}$，进一步检测SSS获取小区ID的剩余信息，即$N_{ID}^{(1)}$的值。

2.3 PBCH

PBCH，物理广播信道。
PBCH是UE完成主同步信号和辅同步信号检测之后需要解码的第一个信道。PBCH和解调参考信号包含在SSB中。

PBCH中包括主信息块（MIB，Master Information Block）和其他与SSB传输时间有关的信息（additional timing related PBCH payload bits），共56个比特。PBCH中包含解调参考信号（DM-RS）。
参考协议38.331，38.212,7.11

位置	参数	比特数	备注
MIB	systemFrameNumber	6	10位系统帧号（SFN）的高6位比特位
MIB	subCarrierSpacingCommonr	1	用于初始接入的子载波间隔 {scs15or60, scs30or120}
MIB	ssb-SubcarrierOffset	4	Kssb:SSB与公共资源块网格之间的子载波偏移数 (0,15)
MIB	dmrs-TypeA-Position	1	第一个PDSCH DM-RS解调参考信号在时隙中的符号位置 {pos2, pos3}
MIB	pdcch-ConfigSIB1	8	配置SIB1 Type0-PDCCH公共搜索空间的控制资源集CORESET和监听时机SearchSpace
MIB	cellBarred	1	指示是否UE能驻留在此小区内 {barred, notBarred}
MIB	intraFreqReselection	1	控制对同频小区的重选 {allowed, notAllowed}
MIB	spare	1	备用（MIB累计23bit）
	messageClassExtension	1	消息扩展备用
PHY	${\bar{a}}_{\bar{A}},{\bar{a}}_{\bar{A}+1},{\bar{a}}_{\bar{A}+2},{\bar{a}}_{\bar{A}+3}$	4	10位系统帧号的低4位比特位 (7.1.1，38.212)
PHY	${\bar{a}}_{\bar{A}+4}$	1	半无线帧指示
PHY	${\bar{a}}_{\bar{A}+5}$	1	Kssb的最高有效位
PHY	${\bar{a}}_{\bar{A}+6},{\bar{a}}_{\bar{A}+7}$	2	物理层备用 （FR2下，${\bar{a}}_{\bar{A}+5},{\bar{a}}_{\bar{A}+6},{\bar{a}}_{\bar{A}+7}$，为SSB时间索引（SSB Index）的最高有效位，更多情况见协议）
PHY	CRC	24	循环冗余校验比特
	总计	56

L=4or8时，SSB时间索引（SSB Index）（2bit或3bit）通过PBCH的DM-RS序列来携带，UE可以在不解码PBCH的情况下获得SSB时间索引。
L=64时，SSB时间索引为6bit，其中SSB时间索引的3位LSB通过PBCH的DM-RS序列来携带，而SSB时间索引的3位最高比特位（Most Significant Bit，MSB）携带在PBCH的内容中，UE需通过解码PBCH以获得SSB时间索引。

PBCH传输更新的最小时间间隔为80ms，在80ms TTI之内，PBCH会随着SSB突发集的周期重复传输。MIB中还包含了获取RMSI所需的配置参数。RMSI的内容包含在SIB1中。

三、SSB突发集图样

Ue通过SSB Index以及SSB突发集图样，可以获得时隙同步和符号同步。
参考协议38.213，4.1
NR系统中，一个SSB突发集支持5中SSB突发集图样。

图3-1 摘自《5G移动通信技术系统设计与标准详解》

计算过程(求f(n) = symbol Index)：

假设为模式B，模式B的公式为

$f(n)=\{4,8,16,20\}+28n$

设SSB Index+1为 $N_{ssb}$（因为Index从0开始），
一个时隙中的SSB个数为$i$（大括号里的数字的数量，此处$i=4$），
则$n=N_{ssb}/i$，n+1表示SSB半无线帧中的第几个时隙，
同时$N_{ssb}/i$的余数表示该时隙的第几个SSB位置。

所以，当检测到SSB Index为4时，$N_{ssb}=5$，$n=1$,余数为1，
$f(n)=4+28=32$
即SSB第一个符号位置是32（第2个时隙的第一个SSB位置）

四、流程总结

为了实现下行同步，UE需要通过搜索检测SSB获得接入载波的频点。为降低搜索的复杂度，UE按照协议规定的一定频率间隔进行SSB搜索，这个频率间隔称为同步栅格（Synchronization Raster）。SSB带宽的设计直接影响系统载波带宽中同步栅格的个数。在一个系统载波带宽中，同步栅格的个数越多，UE搜索SSB所花费的时间就可能越多。

终端首先搜索主同步信号PSS，完成OFDM符号边界同步、粗频率同步以及获取小区标识2（$N_{ID}^{(2)}$）。

检测到主同步信号之后，终端进一步检测辅同步信号SSS，获取小区标识1（$N_{ID}^{(1)}$）。

同时SSS作为物理广播信道PBCH的解调信号，解码出PBCH，终端开始接收物理广播信道。

在PBCH上，接收MIB消息，终端获得系统帧号以及半帧指示，从而完成无线帧定时以及半帧定时。
同时，终端通过PBCH的DM-RS中的SSB Index以及当前频带所使用的SSB突发集的图样模式确定当前同步信号所在的时隙以及符号，从而完成时隙定时（时间同步）。