NR初始接入流程分析

黄韬 魏垚 詹文浩

【摘  要】小区搜索、小区同步、系统消息获取是NR终端与NR网络进行通信前必须经历的关键过程，NR中引入了许多新的特性，设计上十分灵活。根据3GPP TS38系列协议技术规范，通过与LTE进行对比，重点分析了NR小区搜索、NR小区同步和NR系统消息的获取流程，分享5G标准化的最新成果。

【关键词】NR小区搜索;NR小区同步;NR小区系统消息获取

中图分类号：TN915.04

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）04-0031-06

[Abstract] Cell search， cell synchronization and system message acquisition are the key processes before NR terminals communicate with NR networks. Many new features are introduced into NR that make design flexible. According to the technical specification of 3GPP TS38 series protocol， by comparison of LTE， NR cell search， NR cell synchronization and NR system message acquisition are analyzed. The latest achievements on 5G standardization are shared.

[Key words]NR cell search; NR cell synchronization; NR system message acquisition

1   引言

NR作為第五代移动通信技术，支持eMBB、uRLLC和mMTC三大类型业务，为了能够满足各种不同的业务需求，NR在设计上十分灵活。小区搜索与同步、系统消息获取作为NR终端与NR网络进行通信前必须经历的关键过程，其设计与LTE相比有一些相同之处，但在LTE基础上进行了优化并引入了许多新的特性。NR中引入了SSB概念，将同步信号与广播信道捆绑发送，加快了UE与小区进行同步和驻留的速度;NR中PCI的数量提升为LTE中PCI的两倍，以应对未来5G基站设备小型化后PCI干扰多的问题;NR中系统消息的调度上也较LTE有更多的选择。文章先分析NR的广播信道，再以LTE的初始接入为基础，结合NR新的特性分析终端在NR小区开机之后的一系列流程，主要包括NR小区搜索与同步、NR系统消息获取两部分。

2   NR同步信号与广播信道设计

2.1  SSB定义

为辅助小区搜索，LTE和NR中的下行链路都会传输2个特殊的信号，PSS（Primary Synchronization Signal，

主同步信号）和SSS（Secondary Synchronization

Signal，辅同步信号）。

在LTE系统中，PSS、SSS和MIB消息按各自的周期独立传输。而在NR系统中，NR的PSS、SSS与PBCH（Physical Broadcast Channel，物理广播信道）将组成一个SSB（SS/PBCH Block，同步/广播块）捆绑传输[1]，可以加快UE开机后与小区进行同步并获取小区系统消息的速度。

2.2  SSB频域位置

在LTE系统中，一个载波的带宽最大为20 MHz，其PSS、SSS和PBCH信道占用载波中心频率的72个子载波[2]，而载波中心频率位于100 kHz channel raster的整数倍上，UE在开机之后以channel raster 100 kHz的间隔搜索，直到检测到PSS和SSS，最终完成与LTE小区的频率同步、符号同步和帧同步。

在NR系统中，一个载波的带宽最大为100 MHz（低频）或400 MHz（高频），远大于LTE的最大载波带宽。UE如果按照LTE中以channel raster 100 kHz的间隔进行同步信号的搜索，UE与小区同步的时延将会很大。所以在NR系统中引入了synchronization raster的概念，SSB在频域上的位置放置于synchronization raster的整数上，低频段时可能会有一些偏移，UE将以synchronization raster的间隔进行同步信号的搜索。当载波频段处于0 GHz～3 GHz时，synchronization raster为1.2 MHz，SSB相对于synchronization raster的偏移可能为50 kHz、150 kHz和250 kHz;当载波频段处于3 GHz～24.25 GHz时，synchronization raster为1.44 MHz[3];当载波频段处于24.25 GHz～100 GHz时，synchronization raster为17.28 MHz[4]。GSCN（Global Synchronization Channel Number，全球同步栅格信道号）频点号对应的synchronization raster由表2给出：

2.3  SSB时域位置

在LTE系统中，FDD制式下PSS和SSS在子帧0和子帧5发送，周期为5 ms;TDD制式下PSS在子帧1和子帧6发送，SSS在子帧0和子帧5发送，周期为5 ms;FDD制式和TDD制式的MIB周期都为40 ms[5]。

在NR系统中，SSB将以一个半帧5 ms为单位，进行周期发送，包含SSB的半帧周期可为{5 ms， 10 ms， 20 ms， 40 ms， 80 ms， 160 ms}[6]。一个半帧中SSB可以重复多次发送，最大的重复次数为L次。L的值由NR载波所在的频段决定，SSB的索引记作0到L-1：

3   NR小区搜索与同步流程

3.1  获得小区PCI

由于NR频段高于LTE频段，NR室外宏基站覆盖室内的效果将不如LTE。所以对于NR室内覆盖，可能会使用大量室内小基站进行覆盖。在NR设计时，基站不同PCI的数量从LTE中的504个提升到了1 008个。PCI集合被进一步分为336个小区标识群，对应336个SSS序列。每个标识群包含3个小区标识，对应3个PSS序列。当UE接收到其中一个SSB时，首先可以通过检测PSS和SSS序列获得序列对应PSS和SSS的值，再通过公式NIDcell=3NID   （1）+NID    （2）获得小区的PCI，其中PSS的值对应NID    （2）∈{0，1，2}，SSS的值对应NID    （1）∈{0，1，……，335}。

3.2  获得小区同步

UE在获得小区PCI之后，就可以获得PBCH信道的DMRS频域的偏移v=NIDcellmod4，知道DMRS的频域位置信息从而完成对PBCH信道的解调。MIB消息中携带了6 bits的SFN（System Frame Number，系统帧号）信息，而SFN一共10 bits，UE需要获得剩下4 bits信息才能够得到SFN。

在NR中，MIB传输块在到达物理层之后，在进行编码时将会增加额外8 bits与定时相关的有效载荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7[8]。其中，有效载荷的低

4 bits，即α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3对应SFN的4个LSB，与MIB消息中携带的SFN的6个MSB一起组成系统帧号。

有效载荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7中α-A-+4对应半帧位，指示携带SSB的半帧为一个帧的前半帧或后半帧。

为了获得与小区完整的时间同步，UE还需要知道自己接收到的SSB在一个半帧中的具体位置。SSB索引信息的获取方式与一个半帧中SSB的最大数量L相关：

（1）当L=64时，SSB索引为6 bits，有效载荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7中高3 bits，即α-A-+5，α-A-+6，α-A-+7对应SSB索引的3个MSB，SSB索引剩下的3个LSB和PBCH中DMRS序列的索引成一一映射关系。

（2）当L=8时，SSB索引为3 bits，通过与PBCH中DMRS序列索引之间的映射关系获得，此时α-A-+5对应kSSB的MSB，α-A-+6，α-A-+7保留。

（3）当L=4时，SSB索引为2 bits，通过与PBCH中DMRS序列索引之间的映射关系获得，此时α-A-+5对应kSSB的MSB，α-A-+6，α-A-+7保留。

在获得SSB的ID之后，UE将能获得该SSB距离半帧起始OFDM符号的距离，SSB的时域位置信息已在本文第2.3章节描述。至此，UE已获得小区的频率同步、符号同步和帧同步，完成与小区的同步过程。

3.3  获取MIB消息

NR小区MIB消息的获取主要在于搜索到相应的SSB信息，SSB的时频位置信息已在本文第2.3节中描述。

3.4  获取SIB1消息

UE在完成小区同步并获得MIB消息之后，还需要获得一些其他必须的系统消息，以驻留小区并能够发起随机接入。在NR系统中，这些其他必须的系统消息在物理层称为RMSI（Remaining Minimum System Information，剩余最小系统消息），同时在RRC层称为SIB1消息。

UE通过MIB消息获得承载SIB1调度的PDCCH信道信息，在PDCCH上进行盲检获得SIB1的PDSCH占用的时频资源等信息。在NR中，PDCCH信道也称为CORESET（Control Resource Set，控制资源集）。承载SIB1调度信息的PDCCH信道为CORESET 0，对应的搜索空间为公共搜索空间Type0 CSS（Common Search Space，公共搜索空间）。CORESET 0的时频资源和SSB的时频资源存在3种复用方式，如图3所示。

与LTE中SIB1采用固定的PDCCH和固定的搜索空间不同，NR中通过MIB消息中8 bits的pdcch-ConfigSIB1参数指示CORESET 0相关的配置信息[6]：

（1）pdcch-ConfigSIB1的高4 bits指示CORESET 0占用的RB数和OFDM符号数、SSB和CORESET 0的复用方式以及CORESET 0的起始RB和SSB的起始RB之間的频域偏移。

（2）pdcch-ConfigSIB1的低4 bits指示Type0 CSS的相关参数配置。

在NR中频域上可以放置多个SSB，但只有一个SSB会携带CORESET 0，这个SSB也称为Cell-defining SSB（其他SSB只用于终端进行测量，所以不需要携带CORESET 0）。Cell-defining SSB所在的资源块在频域上的位置由SIB1中的offsetToPointA参数指示[6]。

在频域上，SSB所在的位置遵从Synchronization Raster，而小区载波中心频率所在的位置遵从Channel Raster。所以SSB子载波0的频域位置和子载波0的频域位置可能存在偏移，MIB中使用4 bits的ssb-SubcarrierOffset参数用来表示这个偏移，也称作kSSB。

對于6 GHz以下频段，kSSB取值为0～23个子载波，子载波间隔为15 kHz，但MIB中4 bits的信息只能支持0～15的取值范围，此时还需要3.2节提到的有效载荷中α-A-+5来辅助，构成5 bits的kSSB信息，可支持0～31的取值范围。对于6 GHz以上频段，kSSB取值为0～11个子载波，子载波间隔为60 kHz。

kSSB除了指示偏移外还有另一个作用。因小区中只有一个SSB携带了CORESET 0，UE会根据kSSB的值判断该SSB是否包含CORESET 0，并进行不同的行为：

（1）6 GHz以下频段0≤kSSB≤23或6 GHz以上频段0≤kSSB≤11时，则表示当前SSB包含CORESET 0。

（2）6 GHz以下频段kSSB>23或6 GHz以上频段kSSB>11时，则表示当前SSB不包含CORESET 0。

（3）当UE发现该SSB不携带CORESET 0时，将在最近的GSCN上搜索下一个SSB，查看是否存在CORESET 0。6 GHz以下频段24≤kSSB≤30或6 GHz以上频段12≤kSSB≤14时，下一个SSB对应的GSCN频点为+。其中，为当前SSB的GSCN频点，为下一个GSCN频点偏移，的值由kSSB和MIB消息中8 bits的pdcch-ConfigSIB1共同决定。如果UE在第二个SSB上还是没有获得CORESET 0，则UE停止搜索其他GSCN。

（4）6 GHz以下频段kSSB=31或6 GHz以上频段kSSB=15时，则表示该SSB所在的[-， +]这一段GSCN范围内的所有SSB都不携带CORESET 0。其中，和分别对应pdcch-ConfigSIB1的4 bits MSB和4 bits LSB。

（5）UE在一段时间内（由UE决定）没有搜索到包含CORESET 0的SSB时，则UE在小区搜索中忽略与SSB位置相关的GSCN信息。

3.5  获取其他SIB消息

在NR系统中，其他SIB消息也称为OSI（Other SI，其他系统消息）。NR定义了从SIB2至SIB9一共8种其他SIB消息。MIB消息、SIB1消息和其他SIB消息的作用由表5给出[9]。

与LTE中其他SIB消息只能通过SIB1获取不同，NR中其他SIB消息的获取方式有两种。第一种方式和LTE中一致，其他SIB消息为小区广播的，调度信息由SIB1指示。第二种方式则是通过专用的方式提供的，可以由网络触发也能通过UE触发，主要是为了给RRC_IDLE态和RRC_INACTIVE态的UE使用。

4   结束语

本文介绍NR中广播信道的结构，以LTE的初始接入为基础，对比分析NR小区搜索流程，包括获得小区PCI和获得小区同步，再结合NR新特性分析NR小区系统消息的获取流程，包括MIB消息、SIB1消息和其他SIB消息的获取。由于NR设计的十分灵活，从SSB的发送方式到系统消息的参数配置都存在多种情况，在实际部署中，需要根据实际环境和需要从中选择一套合理的参数配置。

参考文献：

[1] 3GPP TS 38.211. Physical channels and modulation V15.3.0[S]. 2018.

[2] 朱敏，堵久辉，嫪庆育，等. 4G移动通信技术权威指南LTE与LTE-Advanced[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2015： 238-240.

[3]  3GPP TS 38.101-1. User Equipment （UE） radio transmission and reception Part 1： Range 1 Standalone V15.3.0[S]. 2018.

[4]  3GPP TS 38.101-2. User Equipment （UE） radio transmission and reception Part 1： Range 2 Standalone V15.3.0[S]. 2018.

[5] 3GPP TS 36.211. Physical channels and modulation V14.1.0[S]. 2016.

[6] 3GPP TS 38.331. Radio Resource Control （RRC） protocol specification V15.3.0[S]. 2018.

[7] 3GPP TS 38.213. Physical layer procedures for control V15.3.0[S]. 2018.

[8] 3GPP TS 38.212. Multiplexing and channel coding V15.3.0[S]. 2018.

[9] 3GPP TS 38.300. NR and NG-RAN Overall Description V15.3.0[S]. 2018.