接入設計 |帶你讀《5G 無線系統設計與國際标準》之九

第3章 5G NR 基礎參數及接入設計

3.1 基礎參數及幀結構

3.2 接入設計

3.2.1 概述

終端開機後通過執行小區搜尋及随機接入過程接入到一個 NR 小區中。本章主要介紹小區搜尋過程、與小區搜尋相關的信道/信号。主要涉及同步廣播塊集合（Synchronization Signal Block set 或 SSB burst set）、同步廣播塊（SSB Synchronization Signal/PBCH Block）、主同

步信号（PSS，Primary Synchronization Signal）、輔同步信号（SSS，Secondary SynchronizationSignal）、實體廣播信道（PBCH，Physical Broadcast Channel）、系統消息傳輸、随機接入過程及随機接入信道（PRACH）相關的設計。

3.2.2 小區搜尋過程

在 NR 中，小區搜尋主要基于對下行同步信道及信号的檢測來完成。終端通過小區搜尋過程獲得小區 ID、頻率同步（載波頻率）、下行時間同步（包括無線幀定時、半幀定時，時隙定時及符号定時）。具體來看，整個小區搜尋過程又包括主同步信号搜尋、輔同步信号檢測及實體廣播信道檢測三部分。

1. 主同步信号搜尋

   終端首先搜尋主同步信号，完成 OFDM 符号邊界同步、粗頻率同步及并獲得小區辨別

   

終端在檢測主同步信号的時候，通常沒有任何通信系統的先驗資訊，是以主同步信号的搜尋是下行同步過程中複雜度最高的操作。終端要在同步信号頻率栅格的各個頻點上檢測主同步信号。在每個頻點上，終端需要盲檢測 (2) NID ［有三個可能的取值，即 { } 0,1,2 (2) N ID ∈ ］，搜尋主同步信号的 OFDM 符号邊界并進行初始頻偏校正。

NR 系統支援 6 種同步信号周期（或稱為同步廣播塊集合周期，見 3.2.3 節第 1 部分），即 5ms、10ms、20ms、40ms、80ms、160ms。在小區搜尋過程中，終端假定同步信号的周期為 20ms。這裡可以看到，NR 系統同步信号的周期一般大于 LTE 系統 5ms的同步信号周期。這樣做的好處是，當小區内使用者數比較少的時候，基站可以處于深

度睡眠狀态，達到降低基站功耗和節能的效果。但另一方面，較長的同步信号周期可能會增加終端開機後的搜尋複雜度及搜尋時間。不過，同步信号周期的增加并不一定會影響使用者的體驗。

① 一方面，目前智能手機開/關機的頻率大大降低，開機搜尋時間的适當增加并不會嚴重影響使用者的體驗，卻可以有效地降低基站的功耗，這在 5G 超密集網絡中可以取得可觀的節能效果。

② 另一方面，NR 系統使用了比 LTE 更稀疏的同步信号頻率栅格，在一定程度上抵消了由于更長的同步信号周期所導緻的搜尋複雜度的增加。在 NR 系統中，主同步信号的搜尋栅格與頻帶有關，終端根據目前搜尋的頻帶确定使用的搜尋栅格。如表 3.4 所示，在頻率範圍 0～3000MHz，同步栅格為 1200kHz；在頻率範圍 3000～24250MHz，同步栅格為 1440kHz；在頻率範圍 24250～100000 MHz，同步栅格為 17.28MHz，遠遠大于 LTE 系統 100kHz 的同步栅格。

1. 檢測輔同步信号

   在搜尋到主同步信号之後，終端進一步檢測輔同步信号，獲得小區辨別 1，即

并基于小區辨別 1 和小區辨別 2 計算得到實體小區辨別，即

輔同步信号除了攜帶小區辨別 1 以外，還可以作為實體廣播信道的解調參考信号，提高實體廣播信道的解調性能。此外，由于 NR 系統不支援 LTE 系統的公共參考信号（CRS），是以，NR 系統的輔同步信号的另一個重要作用是用于無線資源管理相關測量及無線鍊路檢測相關測量。

1. 檢測實體廣播信道

在成功檢測主同步及輔同步信号之後，終端開始接收實體廣播信道。實體廣播信道承載主系統消息（即 MIB，Master Information Block），共 56 個比特，如表 3.5 所示。

通過接收 MIB 消息，終端獲得系統幀号以及半幀訓示，進而完成無線幀定時以及半幀定時。同時，終端通過 MIB 消息中的同步廣播塊索引（SSB Index）以及目前頻帶所使用的同步廣播塊集合的圖樣（見 3.2.3 節第 1 部分）确定目前同步信号所在的時隙以及符号，進而完成時隙定時。

成功接收 PBCH 之後，終端即完成了小區搜尋及下行同步過程。緊接着終端需要解調系統消息，獲得随機接入信道的配置參數，這一部分将在 3.2.3 節第 6 部分進一步介紹。

3.2.3 下行同步信道及信号

NR 的下行同步信道及信号由多種同步廣播塊集合組成。同步廣播塊集合裡又包含一個或者多個同步廣播塊，每個同步廣播塊内包含 PSS、SSS、PBCH 的發送。

1.同步廣播塊集合

NR 系統的設計目标是支援 0～100GHz 的載波頻率[1]，當系統工作在毫米波頻段的時候，往往需要使用波束賦形技術提高小區的覆寫。與此同時，由于受到硬體的限制，基站往往不能同時發送多個覆寫整個小區的波束，是以 NR 系統引入波束掃描技術來解

決小區覆寫的問題。

所謂波束掃描是指基站在某一個時刻隻發送一個或幾個波束方向，通過多個時刻發送不同波束覆寫整個小區所需要的所有方向。同步廣播塊集合就是針對波束掃描而設計的，用于在各個波束方向上發送終端搜尋小區所需要的主同步信号、輔同步信号以及實體廣播信道（這些信号組成了一個同步廣播塊）。同步廣播塊集合（SS burst set）是一定時間周期内的多個同步廣播塊的集合，在同一周期内每個同步廣播塊（見 3.2.3 節第 2部分）對應一個波束方向，且一個同步廣播塊集合内的各個同步廣播塊的波束方向覆寫了整個小區。圖 3.1 給出了多個時刻在不同波束方向上發送同步廣播塊的示意圖。注意，當 NR 系統工作在低頻，不需要使用波束掃描技術的時候，使用同步廣播塊集合仍然對提高小區覆寫有好處，這是因為終端在接收同步廣播塊集合内的多個時分複用的同步廣播塊時，可以累積更多的能量。

在 NR 系統中，一個同步廣播塊集合被限制在某一個 5ms 的半幀内，且從這個半的第一個時隙開始。R15 一共支援 5 種同步廣播塊集合圖樣，這些圖樣與目前系統工作的頻帶有關[2-3]。

（1）同步廣播塊集合圖樣 1

圖樣 1 适用于 15kHz 子載波間隔的同步信号。圖 3.2 給出當載波頻率小于 3GHz 時圖樣 1 的結構示意圖。當載頻小于 3GHz 的時候，一個同步廣播塊集合包含 4 個同步廣播塊，占用一個半幀的前 2 個時隙，每個時隙包含 2 個同步廣播塊。當載波頻率大于 3GHz且小于 6GHz 的時候，一個同步廣播塊集合包含 8 個同步廣播塊，占用一個半幀的前 4個時隙，每個時隙内的同步廣播塊結構和載波頻率在 3GHz 以下相同。

同步廣播塊集合使用了非連續映射的方式，即同步廣播塊在時間上并不是連續映射到各個 OFDM 符号上。一個時隙内的前 2 個 OFDM 符号（OFDM 符号 0、1）可以用于傳輸下行控制信道，後兩個符号（OFDM 符号 12、13）可以用于傳輸上行控制信道（包括上、下行信号的保護時間）。符号 6、7 不映射同步廣播塊的原因是為了考慮與 30kHz子載波的共存，即符号 6 對應兩個 30kHz 子載波的 OFDM 符号可以用于傳輸上行控制信道（包括上、下行信号的保護時間）；符号 7 對應兩個 30kHz 子載波的 OFDM 符号可以用于傳輸下行控制信道。由于 NR 系統設計允許同步廣播塊和資料與控制信道采用不同

的子載波間隔，這種設計可以保證，不論資料及其相應的控制信道使用的是 15kHz 子載波還是 30kHz 子載波，都可以最大程度降低同步廣播塊的傳輸對資料傳輸的影響。

（2）同步廣播塊集合圖樣 2

圖樣 2 适用于 30kHz 子載波的同步信号。圖 3.3 給出載波頻率小于 3GHz 時圖樣 2的結構示意圖。當載頻小于 3GHz 的時候，一個同步廣播塊集合包含 4 個同步廣播塊，占用一個半幀的前兩個時隙，每個時隙包含 2 個同步廣播塊。當載波頻率大于 3GHz 且小于 6GHz 的時候，一個同步廣播塊集合包含 8 個同步廣播塊，占用一個半幀的前 4 個時隙，前兩個時隙内的同步廣播塊結構和載波頻率在 3GHz 以下相同，後兩個時隙的同步廣播塊結構和前兩個時隙内同步廣播塊結構相同。

通過圖 3.3 可以看到，奇、偶時隙内同步廣播塊所映射的符号是有差別的（半幀中首個時隙編号為 0，是偶數時隙），主要原因如下。

• 偶數時隙的前 4 個 30kHz 子載波的 OFDM 符号對應兩個 15kHz 子載波的 OFDM符号。在 30kHz 子載波的同步信号與 15kHz 子載波的資料信道或控制信道共存時，這兩個 OFDM 符号可以用于傳輸下行控制信道。
• 奇數時隙的後 4 個 30kHz 子載波的 OFDM 符号對應兩個 15kHz 子載波的 OFDM符号。在 30kHz 子載波的同步信号與 15kHz 子載波的資料信道或控制信道共存時，這兩個 OFDM 符号可以用于傳輸上行控制信道（包括上、下行信号的保護間）。
• 偶數時隙的後兩個 30kHz 子載波的 OFDM 符号可以用于傳輸 30kHz 子載波的上行控制信道（包括上、下行信号的保護時間）。
• 奇數時隙的前兩個 30kHz 子載波的 OFDM 符号可以用于傳輸 30kHz 子載波的下行控制信道。

（3）同步廣播塊集合圖樣 3

圖樣 3 适用于 30kHz 子載波的同步信号。圖 3.4 給出載波頻率小于 3GHz 時圖樣 3的結構示意圖。當載波頻率小于 3GHz 的時候，一個同步廣播塊集合包含 4 個同步廣播 塊，占用一個半幀的前兩個時隙，每個時隙包含兩個同步廣播塊。當載頻大于3GHz 且小于 6GHz 的時候，一個同步廣播塊集合包含 8 個同步廣播塊，占用一個半幀的前 4 個時隙，每個時隙内的同步廣播塊結構和載波頻率在 3GHz 以下相同。

一個時隙内的前兩個 OFDM 符号（OFDM 符号 0、1）可以用于傳輸下行控制信道，後兩個符号（OFDM 符号 12、13）可以用于傳輸上行控制信道（包括上、下行信号的保護時間）。符号 6、7 不映射同步廣播塊的原因是為了考慮與 60kHz 子載波的共存，即符号 6 對應兩個 60kHz 子載波的 OFDM 符号可以用于傳輸上行控制信道（包括上、下行信号的保護時間）；符号 7 對應兩個 60kHz 子載波的 OFDM 符号可以用于傳輸下行控制信道。這種設計可以保證不論資料及其相應的控制信道使用 30kHz 子載波還是 60kHz 子載波，都可以最大程度降低同步廣播塊的傳輸對資料傳輸的影響。

（4）同步廣播塊集合圖樣 4

圖樣 4 适用于 120kHz 子載波的同步信号，用于載頻大于 6GHz 的情況。圖 3.5 給出圖樣 4 的結構示意圖，一個同步廣播塊集合包含 64 個同步廣播塊，共占用 16 個時隙對（一個時隙對包含 2 個時隙，一個時隙包含 14 個 OFDM 符号），每個時隙對包含 4 個同步廣播塊。4 個時隙對為一組，每組之間間隔 2 個時隙，這樣 4 組同步信号對就可以均

勻地分布在一個 5ms 的半幀内。

當載波頻率大于 6GHz 的時候，資料信道及控制信道可以使用 60kHz 或 120kHz 的子載波。是以，隻需要考慮同步廣播塊與 60kHz 或 120kHz 子載波的控制信道共存即可。一個時隙對内的同步廣播塊的設計原則與圖樣 2 相同，這裡不再贅述。

（5）同步廣播塊集合圖樣 5

圖樣 5 适用于 240kHz 子載波的同步信号，用于載頻大于 6GHz 的情況。圖 3.6 給出圖樣 5 的結構示意圖，一個同步廣播塊集合包含 64 個同步廣播塊，共占用 8 個時隙對（一個時隙對包含兩個時隙，一個時隙包含 14 個 OFDM 符号），每個時隙對包含 8 個同步廣播塊。4 個時隙對為一組，共有兩組時隙對，每組之間同樣間隔兩個時隙。

通過圖 3.6 可以看到，在一個時隙對内，奇、偶時隙内的同步廣播塊所映射的 OFDM符号是有差別的，原因如下。

• 偶數時隙的前 8 個 240kHz 子載波的 OFDM 符号對應兩個 60kHz 子載波的 OFDM符号。在 240kHz 子載波的同步信号與 60kHz 子載波的資料信道或控制信道共存時，這兩個 OFDM 符号可以用于傳輸下行控制信道。
• 奇數時隙的後 8 個 240kHz 子載波的 OFDM 符号對應兩個 60kHz 子載波的 OFDM符号。在 240kHz 子載波的同步信号與 60kHz 子載波的資料信道或控制信道共存時，這兩個 OFDM 符号可以用于傳輸上行控制信道（包括上、下行信号的保護間）。
• 偶數時隙的後 4個 240kHz子載波的 OFDM符号對應兩個 120kHz子載波的 OFDM符号。在 240kHz 子載波的同步信号與 120kHz 子載波的資料信道或控制信道共存時，可以用于傳輸 120kHz 子載波的上行控制信道（包括上、下行信号的保護時間）。
• 奇數時隙的前 4個 240kHz子載波的 OFDM符号對應兩個 120kHz子載波的 OFDM符号。在 240kHz 子載波的同步信号與 120kHz 子載波的資料信道或控制信道共存時，可以用于傳輸 120kHz 子載波的下行控制信道。

需要注意的是，上述同步廣播塊集合中定義的同步廣播塊數量是系統可以使用的最大值。基站可以根據覆寫一個小區所需要的波束數量确定實際使用的同步廣播塊的數量，并且可以通過系統消息（SIB1）或 UE 專用的 RRC 信令訓示哪些同步廣播塊被使用了。