【5G PHY】5G SS/PBCH块介绍(一)

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本人就职于国际知名终端厂商,负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作,目前牵头6G算力网络技术标准研究。


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5G SS/PBCH块介绍(一)

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一、为什么要引入SS/PBCH块

       LTE的PSS、SSS和PBCH位于载波的中心,周期是固定的,且不进行波束赋形,必须覆盖整个小区。NR部署在高频段时,基站必须使用massive-MIMO天线以增强覆盖,但是massive-MIMO天线会导致天线辐射图非常狭窄,单个波束不足以覆盖整个小区。同时,受限于硬件,基站往往不能同时发送多个波束来覆盖整个小区,因此NR通过波束扫描的方法覆盖整个小区,即基站在某一个时刻只发送一个或几个波束方向,通过在多个时刻发送不同方向的波束来覆盖整个小区。在每个波束中,都要配置PSS、SSS和PBCH,以便UE实现下行同步,PSS、SSS和PBCH必须同时发送,简称SS/PBCH块,简称SSB。
       SSB有两个作用,第一个是小区搜索;第二个是UE进行小区测量的参考信号。通过测量SSB,UE可以上报L1-RSRP和SS/PBCH块的资源指示。其中,L1-RSRP用于小区选择、小区重选和切换等移动性管理过程,SS/PBCH块的资源指示,用于初始的波束管理。


二、单个SS/PBCH块占用的时频资源和时频位置

       每个SS/PBCH块在频域上由240个连续的子载波(即20个RB)组成,子载波在SS/PBCH块内按照升序从0~239进行编号;在时域上由4个连续的OFDM符号组成,OFDM符号在SS/PBCH块内按照升序从0~3进行编号,单个SS/PBCH块的结构如下图所示。

【5G PHY】5G SS/PBCH块介绍(一)_第1张图片

       SS/PBCH块的子载波0与公共资源块 N C R B S S B N_{CRB}^{SSB} NCRBSSB的子载波0之间偏移kSSB个子载波, N C R B S S B N_{CRB}^{SSB} NCRBSSB由高层参数offsetToPointA定义。

       当5G NR部署在FR1时,SS/PBCH块的子载波间隔是15kHz或者30kHz,占用的带宽是3.6MHz或者7.2MHz,kSSB∈{0,1,2,…,23},kSSB的单位是SCS=15kHz,这是因为SS/PBCH块的子载波间隔可能小于初始接入带宽的子载波间隔(例如,SS/PBCH块的SCS=15kHz,初始接入带宽的SCS=30kHz),因此需要在2个PRB(0~23)范围内指示子载波偏移。

       当5G NR部署在FR2时,SS/PBCH块的子载波间隔是120kHz或者240kHz,占用的带宽是28.8MHz或者57.6MHz,kSSB∈{0,1,2,…,11},kSSB的单位是SCS=60kHz。这是因为SS/PBCH块的子载波间隔永远大于或等于初始接入带宽的子载波间隔,仅需要在1个PRB(0~11)范围内指示子载波偏移。

       单个SS/PBCH块的子载波间隔和对应的频率范围

scs SSB的带宽 单个SSB的持续时间 频率范围
15kHz 3.6MHz 大约285us FR1
30kHz 7.2MHz 大约143us FR1
120kHz 28.8MHz 大约36us FR2
240kHz 57.6MHz 大约18us FR2

       PSS在SS/PBCH块的第1个OFDM符号上,占用SS/PBCH块中间的127个子载波,两边分别有56、57个子载波不传输任何信号,这样的设计使PSS与其他信号之间有较大的频率隔离,便于UE把PSS与其他信号区分出来SSS在SS/PBCH块的第3个OFDM符号上,也是占用SS/PBCH块中间的127个子载波,两边分别有8、9个子载波不传输任何信号,这样的设计既方便把SSS与PBCH区分出来,又充分利用了第3个OFDM符号上的资源。PBCH在SS/PBCH块的第2~4个OFDM符号上。其中,第2和第4个OFDM符号上各有240个子载波,第3个OFDM符号上有96个子载波,因此,PBCH共计有576个RE,去掉PBCH的DM-RS后,PBCH共有576×3/4=432个RE用于传递信息。


三、SS/PBCH Burst 集合

       与LTE的PSS/SSS固定的5ms周期不同,NR的SS/PBCH块的周期是可变的,SS/PBCH块的周期可以配置为5ms、10ms、20ms、40ms、80ms和160ms,在每个周期内,多个SS/PBCH块被限制在某一个5ms的半帧内,SS/PBCH块的集合被称为是SS/PBCH突发(Burst)集合,SS/PBCH突发集合中的每个SS/PBCH块可以用波束扫描的方式进行发送,以增加小区的覆盖范围,SSB突发集合内的多个SS/PBCH块以时分复用的方式发送。

       SSB的周期由高层参数ssb-periodicityServingCell通知给UE,如果没有配置ssbperiodicityServingCell,则UE假定SSB的周期是20ms。对于初始小区搜索,由于此时UE还无法接收ssb-periodicityServingCell,UE假定SSB的周期是20ms,这样UE就可以知道在某个频率上搜索PSS/SSS需要停留的时间,如果没有搜索到PSS/SSS,则UE转换到下一个频率的同步栅格上继续搜索PSS/SSS。

       长的SSB周期可以使基站处于深度睡眠状态,从而达到降低基站功耗和节能的目的,也有利于节约OFDM符号等系统开销,缺点是导致UE长时间停留在某个频率上,以确定该频率上是否有PSS/SSS存在,也即增加了UE开机后的搜索复杂度及搜索时间。不过,SSB周期的增加不一定影响用户的体验,这是因为智能手机开机/关机的频率大大降低,开机搜索的适当增加并不会严重影响用户的体验。此外,NR使用了比LTE更稀疏的同步栅格,在一定程度上抵消了由于SSB周期增加所导致的搜索复杂度的加大。


四、设定SS/PBCH块周期的考虑

       尽管在初始小区搜索的时候,UE假定SSB的周期是20ms,但是在实际网络部署中,SSB还是可以配置较短或较长的周期:

  • 较短的SSB周期用于连接模式下的UE,便于UE快速进行小区搜索;
  • 较长的SSB周期有利于节约基站的功耗,如果某个载波上的SSB周期大于20ms,初始接入的UE有可能发现不了该载波,但是该载波可被连接模式下的UE使用,如在载波聚合的场景下,辅载波的SSB周期配置大于20ms;

       在网络实际部署的时候,建议根据基站类型设置SSB的周期,由于宏基站覆盖大,接入的用户数较多,因此可以设置较短的SSB周期以便UE快速同步和接入。而微基站由于覆盖范围小,接入的用户数较少,可以设置较长的SSB周期以节约系统开销和基站功耗。

       除此之外,还可以根据业务需求设置SSB的周期,如果某个小区承载对时延要求非常高的uRLLC业务,则可以设置较短的SSB周期;如果某个小区承载对时延要求不高的mMTC业务,则可以设置较长的SSB周期。



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