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接入设计 |带你读《5G 无线系统设计与国际标准》之九

简介: 在 NR 中,小区搜索主要基于对下行同步信道及信号的检测来完成。终端通过小区搜索过程获得小区 ID、频率同步(载波频率)、下行时间同步(包括无线帧定时、半帧定时,时隙定时及符号定时)。具体来看,整个小区搜索过程又包括主同步信号搜索、辅同步信号检测及物理广播信道检测三部分。
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第3章 5G NR 基础参数及接入设计

3.1 基础参数及帧结构

3.2 接入设计

3.2.1 概述

终端开机后通过执行小区搜索及随机接入过程接入到一个 NR 小区中。本章主要介绍小区搜索过程、与小区搜索相关的信道/信号。主要涉及同步广播块集合(Synchronization Signal Block set 或 SSB burst set)、同步广播块(SSB Synchronization Signal/PBCH Block)、主同
步信号(PSS,Primary Synchronization Signal)、辅同步信号(SSS,Secondary SynchronizationSignal)、物理广播信道(PBCH,Physical Broadcast Channel)、系统消息传输、随机接入过程及随机接入信道(PRACH)相关的设计。

3.2.2 小区搜索过程

在 NR 中,小区搜索主要基于对下行同步信道及信号的检测来完成。终端通过小区搜索过程获得小区 ID、频率同步(载波频率)、下行时间同步(包括无线帧定时、半帧定时,时隙定时及符号定时)。具体来看,整个小区搜索过程又包括主同步信号搜索、辅同步信号检测及物理广播信道检测三部分。

  1. 主同步信号搜索
    终端首先搜索主同步信号,完成 OFDM 符号边界同步、粗频率同步及并获得小区标识image.png

终端在检测主同步信号的时候,通常没有任何通信系统的先验信息,因此主同步信号的搜索是下行同步过程中复杂度最高的操作。终端要在同步信号频率栅格的各个频点上检测主同步信号。在每个频点上,终端需要盲检测 (2) NID [有三个可能的取值,即 { } 0,1,2 (2) N ID ∈ ],搜索主同步信号的 OFDM 符号边界并进行初始频偏校正。
NR 系统支持 6 种同步信号周期(或称为同步广播块集合周期,见 3.2.3 节第 1 部分),即 5ms、10ms、20ms、40ms、80ms、160ms。在小区搜索过程中,终端假定同步信号的周期为 20ms。这里可以看到,NR 系统同步信号的周期一般大于 LTE 系统 5ms的同步信号周期。这样做的好处是,当小区内用户数比较少的时候,基站可以处于深
度睡眠状态,达到降低基站功耗和节能的效果。但另一方面,较长的同步信号周期可能会增加终端开机后的搜索复杂度及搜索时间。不过,同步信号周期的增加并不一定会影响用户的体验。
① 一方面,目前智能手机开/关机的频率大大降低,开机搜索时间的适当增加并不会严重影响用户的体验,却可以有效地降低基站的功耗,这在 5G 超密集网络中可以取得可观的节能效果。
② 另一方面,NR 系统使用了比 LTE 更稀疏的同步信号频率栅格,在一定程度上抵消了由于更长的同步信号周期所导致的搜索复杂度的增加。在 NR 系统中,主同步信号的搜索栅格与频带有关,终端根据当前搜索的频带确定使用的搜索栅格。如表 3.4 所示,在频率范围 0~3000MHz,同步栅格为 1200kHz;在频率范围 3000~24250MHz,同步栅格为 1440kHz;在频率范围 24250~100000 MHz,同步栅格为 17.28MHz,远远大于 LTE 系统 100kHz 的同步栅格。
image.png

  1. 检测辅同步信号
    在搜索到主同步信号之后,终端进一步检测辅同步信号,获得小区标识 1,即

image.png
并基于小区标识 1 和小区标识 2 计算得到物理小区标识,即image.png

辅同步信号除了携带小区标识 1 以外,还可以作为物理广播信道的解调参考信号,提高物理广播信道的解调性能。此外,由于 NR 系统不支持 LTE 系统的公共参考信号(CRS),因此,NR 系统的辅同步信号的另一个重要作用是用于无线资源管理相关测量及无线链路检测相关测量。

  1. 检测物理广播信道

在成功检测主同步及辅同步信号之后,终端开始接收物理广播信道。物理广播信道承载主系统消息(即 MIB,Master Information Block),共 56 个比特,如表 3.5 所示。

image.png
通过接收 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 MIB 消息中的同步广播块索引(SSB Index)以及当前频带所使用的同步广播块集合的图样(见 3.2.3 节第 1 部分)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。
成功接收 PBCH 之后,终端即完成了小区搜索及下行同步过程。紧接着终端需要解调系统消息,获得随机接入信道的配置参数,这一部分将在 3.2.3 节第 6 部分进一步介绍。

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种同步广播块集合组成。同步广播块集合里又包含一个或者多个同步广播块,每个同步广播块内包含 PSS、SSS、PBCH 的发送。
1.同步广播块集合
NR 系统的设计目标是支持 0~100GHz 的载波频率[1],当系统工作在毫米波频段的时候,往往需要使用波束赋形技术提高小区的覆盖。与此同时,由于受到硬件的限制,基站往往不能同时发送多个覆盖整个小区的波束,因此 NR 系统引入波束扫描技术来解
决小区覆盖的问题。
所谓波束扫描是指基站在某一个时刻只发送一个或几个波束方向,通过多个时刻发送不同波束覆盖整个小区所需要的所有方向。同步广播块集合就是针对波束扫描而设计的,用于在各个波束方向上发送终端搜索小区所需要的主同步信号、辅同步信号以及物理广播信道(这些信号组成了一个同步广播块)。同步广播块集合(SS burst set)是一定时间周期内的多个同步广播块的集合,在同一周期内每个同步广播块(见 3.2.3 节第 2部分)对应一个波束方向,且一个同步广播块集合内的各个同步广播块的波束方向覆盖了整个小区。图 3.1 给出了多个时刻在不同波束方向上发送同步广播块的示意图。注意,当 NR 系统工作在低频,不需要使用波束扫描技术的时候,使用同步广播块集合仍然对提高小区覆盖有好处,这是因为终端在接收同步广播块集合内的多个时分复用的同步广播块时,可以累积更多的能量。
在 NR 系统中,一个同步广播块集合被限制在某一个 5ms 的半帧内,且从这个半的第一个时隙开始。R15 一共支持 5 种同步广播块集合图样,这些图样与当前系统工作的频带有关[2-3]。
image.png
(1)同步广播块集合图样 1
图样 1 适用于 15kHz 子载波间隔的同步信号。图 3.2 给出当载波频率小于 3GHz 时图样 1 的结构示意图。当载频小于 3GHz 的时候,一个同步广播块集合包含 4 个同步广播块,占用一个半帧的前 2 个时隙,每个时隙包含 2 个同步广播块。当载波频率大于 3GHz且小于 6GHz 的时候,一个同步广播块集合包含 8 个同步广播块,占用一个半帧的前 4个时隙,每个时隙内的同步广播块结构和载波频率在 3GHz 以下相同。
image.png
同步广播块集合使用了非连续映射的方式,即同步广播块在时间上并不是连续映射到各个 OFDM 符号上。一个时隙内的前 2 个 OFDM 符号(OFDM 符号 0、1)可以用于传输下行控制信道,后两个符号(OFDM 符号 12、13)可以用于传输上行控制信道(包括上、下行信号的保护时间)。符号 6、7 不映射同步广播块的原因是为了考虑与 30kHz子载波的共存,即符号 6 对应两个 30kHz 子载波的 OFDM 符号可以用于传输上行控制信道(包括上、下行信号的保护时间);符号 7 对应两个 30kHz 子载波的 OFDM 符号可以用于传输下行控制信道。由于 NR 系统设计允许同步广播块和数据与控制信道采用不同
的子载波间隔,这种设计可以保证,不论数据及其相应的控制信道使用的是 15kHz 子载波还是 30kHz 子载波,都可以最大程度降低同步广播块的传输对数据传输的影响。
(2)同步广播块集合图样 2
图样 2 适用于 30kHz 子载波的同步信号。图 3.3 给出载波频率小于 3GHz 时图样 2的结构示意图。当载频小于 3GHz 的时候,一个同步广播块集合包含 4 个同步广播块,占用一个半帧的前两个时隙,每个时隙包含 2 个同步广播块。当载波频率大于 3GHz 且小于 6GHz 的时候,一个同步广播块集合包含 8 个同步广播块,占用一个半帧的前 4 个时隙,前两个时隙内的同步广播块结构和载波频率在 3GHz 以下相同,后两个时隙的同步广播块结构和前两个时隙内同步广播块结构相同。
image.png
通过图 3.3 可以看到,奇、偶时隙内同步广播块所映射的符号是有区别的(半帧中首个时隙编号为 0,是偶数时隙),主要原因如下。

  • 偶数时隙的前 4 个 30kHz 子载波的 OFDM 符号对应两个 15kHz 子载波的 OFDM符号。在 30kHz 子载波的同步信号与 15kHz 子载波的数据信道或控制信道共存时,这两个 OFDM 符号可以用于传输下行控制信道。
  • 奇数时隙的后 4 个 30kHz 子载波的 OFDM 符号对应两个 15kHz 子载波的 OFDM符号。在 30kHz 子载波的同步信号与 15kHz 子载波的数据信道或控制信道共存时,这两个 OFDM 符号可以用于传输上行控制信道(包括上、下行信号的保护间)。
  • 偶数时隙的后两个 30kHz 子载波的 OFDM 符号可以用于传输 30kHz 子载波的上行控制信道(包括上、下行信号的保护时间)。
  • 奇数时隙的前两个 30kHz 子载波的 OFDM 符号可以用于传输 30kHz 子载波的下行控制信道。

(3)同步广播块集合图样 3
图样 3 适用于 30kHz 子载波的同步信号。图 3.4 给出载波频率小于 3GHz 时图样 3的结构示意图。当载波频率小于 3GHz 的时候,一个同步广播块集合包含 4 个同步广播 块,占用一个半帧的前两个时隙,每个时隙包含两个同步广播块。当载频大于3GHz 且小于 6GHz 的时候,一个同步广播块集合包含 8 个同步广播块,占用一个半帧的前 4 个时隙,每个时隙内的同步广播块结构和载波频率在 3GHz 以下相同。
image.png
一个时隙内的前两个 OFDM 符号(OFDM 符号 0、1)可以用于传输下行控制信道,后两个符号(OFDM 符号 12、13)可以用于传输上行控制信道(包括上、下行信号的保护时间)。符号 6、7 不映射同步广播块的原因是为了考虑与 60kHz 子载波的共存,即符号 6 对应两个 60kHz 子载波的 OFDM 符号可以用于传输上行控制信道(包括上、下行信号的保护时间);符号 7 对应两个 60kHz 子载波的 OFDM 符号可以用于传输下行控制信道。这种设计可以保证不论数据及其相应的控制信道使用 30kHz 子载波还是 60kHz 子载波,都可以最大程度降低同步广播块的传输对数据传输的影响。
(4)同步广播块集合图样 4
图样 4 适用于 120kHz 子载波的同步信号,用于载频大于 6GHz 的情况。图 3.5 给出图样 4 的结构示意图,一个同步广播块集合包含 64 个同步广播块,共占用 16 个时隙对(一个时隙对包含 2 个时隙,一个时隙包含 14 个 OFDM 符号),每个时隙对包含 4 个同步广播块。4 个时隙对为一组,每组之间间隔 2 个时隙,这样 4 组同步信号对就可以均
匀地分布在一个 5ms 的半帧内。
image.png
当载波频率大于 6GHz 的时候,数据信道及控制信道可以使用 60kHz 或 120kHz 的子载波。因此,只需要考虑同步广播块与 60kHz 或 120kHz 子载波的控制信道共存即可。一个时隙对内的同步广播块的设计原则与图样 2 相同,这里不再赘述。
(5)同步广播块集合图样 5
图样 5 适用于 240kHz 子载波的同步信号,用于载频大于 6GHz 的情况。图 3.6 给出图样 5 的结构示意图,一个同步广播块集合包含 64 个同步广播块,共占用 8 个时隙对(一个时隙对包含两个时隙,一个时隙包含 14 个 OFDM 符号),每个时隙对包含 8 个同步广播块。4 个时隙对为一组,共有两组时隙对,每组之间同样间隔两个时隙。
image.png
通过图 3.6 可以看到,在一个时隙对内,奇、偶时隙内的同步广播块所映射的 OFDM符号是有区别的,原因如下。

  • 偶数时隙的前 8 个 240kHz 子载波的 OFDM 符号对应两个 60kHz 子载波的 OFDM符号。在 240kHz 子载波的同步信号与 60kHz 子载波的数据信道或控制信道共存时,这两个 OFDM 符号可以用于传输下行控制信道。
  • 奇数时隙的后 8 个 240kHz 子载波的 OFDM 符号对应两个 60kHz 子载波的 OFDM符号。在 240kHz 子载波的同步信号与 60kHz 子载波的数据信道或控制信道共存时,这两个 OFDM 符号可以用于传输上行控制信道(包括上、下行信号的保护间)。
  • 偶数时隙的后 4个 240kHz子载波的 OFDM符号对应两个 120kHz子载波的 OFDM符号。在 240kHz 子载波的同步信号与 120kHz 子载波的数据信道或控制信道共存时,可以用于传输 120kHz 子载波的上行控制信道(包括上、下行信号的保护时间)。
  • 奇数时隙的前 4个 240kHz子载波的 OFDM符号对应两个 120kHz子载波的 OFDM符号。在 240kHz 子载波的同步信号与 120kHz 子载波的数据信道或控制信道共存时,可以用于传输 120kHz 子载波的下行控制信道。

需要注意的是,上述同步广播块集合中定义的同步广播块数量是系统可以使用的最大值。基站可以根据覆盖一个小区所需要的波束数量确定实际使用的同步广播块的数量,并且可以通过系统消息(SIB1)或 UE 专用的 RRC 信令指示哪些同步广播块被使用了。

3.2.3 下行同步信道及信号

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