5G NR下行同步过程研究

张建国，黄正彬，周鹏云（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州3004；.中国移动通信集团广西有限公司玉林分公司，广西玉林537000）

0 引言

5G NR的下行同步与LTE类似，也是通过搜索PSS/SSS、解码PBCH和PDSCH来实现的，主要目的是获得OFDM符号的时间同步、无线帧同步、频率同步，同时还可以获取PCI、系统消息等信息［1］。

当5G 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天线的辐射图是非常窄的波束（Beam），单个波束难以覆盖整个小区，需要通过波束扫描（Beam Sweeping）的方式覆盖整个小区，即在某一个时刻，基站发射窄的波束覆盖某个特定方向，在下一个时刻基站小幅改变波束方向，覆盖另外一个特定方向，直至扫描整个小区。在每个波束中，都要配置PSS/SSS以及PBCH以便UE实现下行同步，PSS/SSS以及PBCH简称SS/PBCH块（SSB——SS/PBCH Block）。

本文接下来分析SS/PBCH块的结构和候选SS/PBCH块的时间位置、5G NR下行同步过程以及参数配置，本文的下行同步过程包含了解码系统消息的过程。

1 SS/PBCH块的结构

每个SS/PBCH块在频域上由240个连续的子载波（20个RB）组成，子载波在SS/PBCH块内按照升序从0到239进行编号，在时域上由4个OFDM符号组成，OFDM符号在SS/PBCH块内按照升序从0到3进行编号，SS/PBCH块的结构如图1所示［2］。

图1 SS/PBCH块

与LTE的PSS/SSS以及PBCH在系统带宽的中心不同，5G NR的SS/PBCH块在系统带宽的底部，SS/PBCH块的子载波0与公共资源块的子载波0（即Point A）之间相差kSSB个子载波。当5G NR部署在FR1（450～6 000 MHz）时，SS/PBCH 块的子载波间隔是15 kHz或 30 kHz，占用的带宽是 3.6 MHz或 7.2 MHz，kSSB∈{0,1,2,...,23 ，kSSB}的单位是15 kHz；当5G NR部署在FR2（24 250～52 600 MHz）时，SS/PBCH块的子载波间隔是120 kHz或240 kHz，占用的带宽是28.8 MHz或57.6 MHz，kSSB∈{0 ,1,2,...,11} ，其单位为60 kHz［3-4］。

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个子载波不发射任何信号，该设计使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。PSS序列有3种取值，与物理层小区标识组内的物理层标识N(2)ID∈{ }0,1,2有一对一的映射关系。

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个子载波不发射任何信号，该设计既充分利用了第3个OFDM符号上的资源，又便于UE把SSS与PBCH区分出来。SSS序列有336种取值，与物理层小区标识组有一对一的映射关系［4］。

5G NR共有336×3=1 008个PCI，PCI根据式（1）计算。

PBCH在SS/PBCH块的第2～4个OFDM符号上，其中第2和第4个OFDM符号上分别有240个子载波，第3个OFDM符号上有96个子载波，PBCH共计有576个子载波。PBCH上传输MIB（Master Information Block）消息，采用QPSK调制，信道编码方式采用Polar码［2］。

PBCH的每个RB上有3个解调参考信号（DM-RS——Demodulation reference signal），因此DM-RS有4个频域偏移，同频邻区设置不同的频域偏移有利于降低导频干扰，频域偏移由式（2）计算。

用于PBCH的DM-RS序列（rm）由式（3）定义。

DM-RS的扰码序列发生器在每个SS/PBCH块都要根据NcellID、nhf和iSSB被初始化，初始化种子由式（4）定义。

其中，iˉSSB=iSSB+4nhf。nhf是 PBCH 所在的半帧编号，iSSB是SS/PBCH块指示的编号。对于Lmax=4，iSSB是SS/PBCH块指示的2 bit位，如果PBCH在某个无线帧的第1个半帧，则nhf=0，如果PBCH在某个无线帧的第2个半帧，则nhf=1；对于Lmax=8或Lmax=64，iSSB是SS/PBCH块指示的3个最低bit位，nhf=0。Lmax是半帧（5 ms）内SS/PBCH块的最大数量［4］。

2 候选SS/PBCH块的时间位置

与LTE的SSS/PSS以及PBCH的固定周期不同，5G NR的SS/PBCH块的周期是可变的，可以配置为5、10、20、40、80和160 ms［5］，在每个周期内，SS/PBCH块只在某个半帧（5 ms）上传输。根据SS/PBCH块的子载波间隔的不同，候选SS/PBCH块的时间位置有A、B、C、D、E 5种Case，每种Case的结构如下［6］。

Case A：SS/PBCH块的子载波间隔是15 kHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM符号位置指示是{2，8}+14×n，对于载波频率小于或者等于3 GHz，n=0，1，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0，1上传输，共有4个候选位置（Lmax=4）；对于载波频率大于3 GHz且小于或等于6 GHz，n=0，1，2，3，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0，1，2，3上传输，共有8个候选位置（Lmax=8）。Case A如图2所示。

图2 Case A

Case B：SS/PBCH的子载波间隔是30 kHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM符号位置指示是{4，8，16，20}+28×n，对于载波频率小于或者等于3 GHz，n=0，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0上传输，共有4个候选位置（Lmax=4）；对于载波频率大于3 GHz且小于或等于 6 GHz，n=0，1，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0，1上传输，共有8个候选位置（Lmax=8）。Case B如图3所示。

图3 Case B

Case C：SS/PBCH的子载波间隔是30 kHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM符号位置指示是{2，8}+14×n，对于载波频率小于或者等于 3 GHz，n=0，1，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0上传输，共有4个候选位置（Lmax=4）；对于载波频率大于3 GHz且小于或等于6 GHz，n=0，1，2，3，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0，1上传输，共有8个候选位置（Lmax=8）。Case C如图4所示。

Case D：SS/PBCH的子载波间隔是120 kHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM符号位置指示是{4，8，16，20}+28×n，对于载波频率大于6 GHz，n=0，1，2，3，5，6，7，8，10，11，12，13，15，16，17，18，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0，1，2，3，4上传输，共有64个候选位置（Lmax=64）。

Case E：SS/PBCH的子载波间隔是240 kHz，候选的SS/PBCH块的第1个OFDM符号位置指示是{8，12，16，20，32，36，40，44}+56×n，对于载波频率大于6 GHz，n=0，1，2，3，5，6，7，8，SS/PBCH块在某个半帧的子帧0，1，2上传输，共有64个候选位置（Lmax=64）。 候选SS/PBCH块的时间位置见表1。

图4 Case C

表1 候选SS/PBCH块的时间位置

3 5G NR下行同步过程

5G NR的下行同步过程如图5所示，主要包括以下几个步骤［5-6］。

图5 5G NR下行同步过程

a）搜索PSS：UE搜索到PSS后可以确定OFDM符号的起始位置，实现OFDM符号的时间同步和SS/PBCH块的同步，通过盲解码的方式确定N(2)ID。

b）搜索SSS：UE根据PSS的位置，可以确定SSS的位置，通过盲解码的方式确定N(1)ID，根据式（1），UE可以计算出NcellID。

c）接收DM-RS：UE获得NcellID后，根据式（2）可以确定PBCH的DM-RS在SS/PBCH块上的频域位置，通过盲解码的方式，UE可以确定iSSB的全部或者部分信息。对于Lmax=4，本步骤完成后，可以得到完整的iSSB（2 bit）信息和半帧信息，实现了半帧同步，同时确定了无线帧的起始位置，但是不能确定系统帧号（SFN）；对于Lmax=8，本步骤完成后，可以得到完整的iSSB（3 bit）信息，实现了半帧同步，但是不能确定是无线帧的第1个半帧还是第2个半帧，也不能确定系统帧号；对于Lmax=64，可以得到iSSB的3个最低bit位，半帧同步、无线帧的起始位置和系统帧号都不能确定。

d）解码PBCH：UE利用DM-RS进行信道估计，解码PBCH，获得MIB，MIB包括系统帧号、半帧信息、iSSB的3个最高bit位（对于Lmax=64）、SSB子载波偏移kSSB。本步骤完成后，对于Lmax=4，获得了完整的系统帧号，实现了帧同步；对于Lmax=8，获得了半帧信息和完整的系统帧号，实现了帧同步；对于Lmax=64，获得了完整的iSSB、半帧信息和完整的系统帧号，实现了半帧同步以及帧同步。根据kSSB，UE可以确定公共资源块的子载波0即Point A的位置，实现了频率同步。另外，MIB中还包括用于SIB1（System Information Block Type1）以及Msg2、Msg4传输的子载波间隔（6 GHz以下使用15 kHz或 30 kHz、6 GHz以上使用 60 kHz或 120 kHz）、DM-RS Type A的位置、pdcch-ConfigSIB1（决定CORESET的RB数、OFDM符号数）、小区禁止指示、同频小区选择允许标志等信息，这些信息用于SIB1的接收。如果小区禁止指示是“是”，则UE不能驻留在该小区，否则，UE可以驻留在该小区［5，7］。

e）解码SIB1：UE通过监测Type0-PDCCH公共搜索空间来解码PDSCH，获得SIB1，SIB1包括SSB的号码、SS/PBCH块的周期、SS/PBCH块的发射功率、上行公共配置、PDCCH和PUCCH的配置、TDD上下行配置以及其他SI（System Information）的调度等信息。

f）解码其他SI：其他SI既可以周期性广播，也可以根据UE的请求进行广播，如果根据UE的请求进行广播，则触发随机接入流程。

4 参数配置建议

在实际网络部署时，5G NR的同步过程需要关注以下几个参数配置。

4.1 SS/PBCH块的数量

半帧内的SS/PBCH块的最大数量Lmax与频段有关，实际配置的SS/PBCH块的数量与波束的宽度有关，而波束的宽度与载波频率和Massive MIMO天线的增益有关，对于定向天线，频率越高、增益越大，则波束越窄，配置的SS/PBCH块的数量就越多。

宏基站需要通过较大的天线增益、较窄的波束实现较大的覆盖范围，波束数量较多，因此需要配置的SS/PBCH块数量也较多，而微基站由于覆盖范围较小、波束较宽、波束数量较少，配置的SS/PBCH块的数量可以较少，甚至只需要配置1个SS/PBCH块即可。波束数量较多的优点是通过波束扫描可以获得较大的覆盖增益，缺点是增加了基站实施复杂度和系统开销；波束数量较少的优点是减少了基站实施复杂度和系统开销，缺点是覆盖增益减少［8］。

对于配置了载波聚合的小区，SS/PBCH块的数量还与小区的类型有关，由于UE是在主服务小区上进行小区搜索和随机接入，为了减少系统开销，辅小区可以不配置SS/PBCH块，UE通过同一组小区内的主服务小区（PCell）或主辅服务小区（PSCell）的SS/PBCH块获得时间和频率同步。

由于SS/PBCH块只能配置在下行符号上，因此SS/PBCH块的数量还与时隙（slot）配置有关，如果在5 ms周期内配置的上行符号较多，实际可配置的SS/PBCH块的数量要小于Lmax。

4.2 SS/PBCH块的周期

SS/PBCH块的周期可以配置为5、10、20、40、80和160 ms，对于初始小区搜索，UE假定SS/PBCH块的周期是20 ms。SS/PBCH周期长，可以节约OFDM、功率资源等系统开销，但是UE的下行同步需要较长的时间；SS/PBCH周期短，系统开销较多，但是UE可以快速实现下行同步。因此，需要在系统开销和同步时间之间进行折中。

建议根据基站类型设置SS/PBCH块的周期，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SS/PBCH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SS/PBCH周期以节约系统开销。

除此之外，还可以根据服务需求设置SS/PBCH块的周期，如果某个小区承载低接入时延要求的uRRLC业务，则可以设置较短的SS/PBCH周期；如果某个小区承载高接入时延的mMTC业务，则可以设置较长的SS/PBCH周期。

4.3 PCI规划

5G NR的PCI规划原则与LTE相类似，也要满足以下原则：相同PCI的复用距离足够远，避免同一个基站的小区以及该基站的邻区列表出现PCI相同的情况，保留适量的PCI用于室分规划、位置边界规划和网络的扩展。

与LTE相比，5G NR的PCI规划有以下变化：PCI数量由504个增加到1 008个，PCI发生冲突的概率会降低，与5G NR的小区覆盖范围较小、PCI需要较大的复用距离相适应。由于PBCH的DM-RS有4个频域偏置，因此5G NR需要避免MOD 4冲突。

5 结束语

本文给出的下行同步过程的SS/PBCH块的数量、周期配置建议属于定性分析，在实际组网中，要综合考虑基站类型、覆盖区域、天线增益、业务需求以及用户行为等多种因素，合理设置上述参数并根据网络运行情况进行调整，既要降低系统负荷，又要保证用户快速实现下行同步。除此之外，还要合理设置PCI、kSSB等参数，以便降低小区间的干扰。