NR上下行同步过程研究*

何振华，颜文燕

（1.中国移动通信集团湖南有限公司郴州分公司，湖南 郴州 423000；2.湘南学院软件与通信工程学院，湖南 郴州 423000）

0 引 言

NR为第五代无线通信技术，3GPP的技术标准在2018年已经冻结[1]，业内也明确NR的SA模式为未来发展方向。初始同步作为物理层的重要部分被广泛研究。文献2，详细解释了NR中同步信道和参考信号的设计[2]。文献3，讨论了SA组网模式的下行同步流程[3]。NR中下行同步是小区发现和搜索的过程，上行同步是取得传输时间同步和随机接入的过程，上行同步与下行同步是相关联的，如下行SSB同上行PRACH 相互关联，下行SIB信息包含上行PRACH信道配置信息等。UE只有在完成上下行同步才能获取时频资源，继而建立承载。本文的目的是，通过将上行同步和下行同步联合分析，验证同步参数作用，为后期组规划和网络优化提供参数规划依据。

1 同步信号与信道

1.1 随机序列设计

m序列、ZC（Zadoff-Chu）序列主要应用于PSS、SSS、Preamble等信号的生成，是建立上下行同步和信道估计不可或缺的一部分，理解随机序列是分析同步的基础。

m序列是一种通过线性反馈移位寄存器生成的序列，如n级寄存器可以产生长度为2n-1的长度的m序列，m序列与自身移位后产生的序列模2相加后仍然是m序列。m序列自相关特性和均衡性游程分布与随机序列相似，在通信系统中m序列被作为随机序列进行同步检测。

ZC序列是一种复值序列，是一种广泛应用的恒包络零幅自相关序列，循环移位后的序列与原序列互不相关，通信系统寻找的就是正交不相关的序列，而ZC序列的特性很好满足了通信系统的要求。正交的特性，不仅可以降低小区之间的干扰，而且可以较容易的区分信号。恒模特性限制了序列的PAPR，在通信系统的表现就是保持时域上的平坦和降低了对其他用户的干扰。

根索引为u且长度为奇数的ZC序列定义式（1）：

上式中NZC表示ZC序列的长度，u表示物理根序列。知道根序列，可以通过移位（零相关窗长度）CV的产生新的ZC序列如式（2）：

1.2 同步相关信号和信道设计

LTE的PSS是ZC序列，SSS是m序列。与LTE不同的是，NR的PSS、SSS均是m序列。一方面m序列抗频偏性强且易于解调，另一方面在较大的时延和频偏影响下，ZC序列表现出严重的时频检测模糊性，而m序列在模糊函数的检测中没有明显的伪峰，这也是NR系统PSS摒弃LTE中ZC序列而使用的m序列的原因[4]。

NR中PCI数量是1 008个，而是LTE中PCI个数为504个，这就要求NR中决定PCI组数的SSS序列相关性要更好，3GPP选取了基于长序列的SSS结构，其生成方法是：先产生两个长度为127的m序列，再将此2个序列按位异或运算。

NR中绑定PSS、SSS、PBCH成一块形成SSB（SS/PBCH block，SS/PBCH块）。LTE中 有CRS参考信号可以对PBCH进行辅助解码，NR中并没有继续沿用CRS的思路而是定义了PBCH DMRS（Demodulation reference signal，解调参考信号）用来解码PBCH[5]。

DMRS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，频域偏移式（3）决定。

考虑到ZC序列良好的相关性和同LTE系统的兼容性，NR Preamble信号仍然采用ZC序列。Preamble信号对上行同步有至关重要的作用，Preamble信号由循环前缀、前导和保护时间间隔组成，前导格式表征了PRACH信道的物理模型[6]。序列长度LRA可能的取值是839和139。GAP时间越长支持覆盖距离越远，如对于LRA=839的前导码Format0适用普通覆盖场景，其时长为1 ms，其GAP支持最大覆盖距离为14.53 km。

为了解决高速场景下多普勒效应产生伪相关峰，NR中增加了限制集，用来限制某些根序列的循环移位。Preamble序列生成时首先要确定根索引，然后根据N=LRA/NCS计算生成的序列个数，如果不够，则直接使用下一个根索引[7]。

2 下行同步

NR下行同步的目的包括：小区搜索；解码PBCH找到RMSI；找到最优波束。LTE中PSS、SSS、PBCH在时域上的位置是固定的，而在NR中，根据子载波间隔和频域范围不同，SSB时域位置是可变的。时域位置可变的设计是因为NR中引入了波速扫描的概念，波束越多越窄，覆盖越广，可配置SSB越多，其候选位置最多可以达到64个[8]。例如 CaseB，3 GHz＜f＜=6 GHz，SSB 的时域起始位置可以位于OFDM符号编号为4、18、16、20、32、36、44、48的位置，在5ms的窗口范围内有8种可选位置进行发送。NR系统带宽最大可以达到400 M，如果沿用LTE中的信道栅格（channel raster，信道栅格）搜索势必增加搜索时长，所以在NR系统中引入了同步栅格（synchronization raster，同步栅格）的概念，UE 将以同步栅格的间隔进行同步信号的搜索[9]。

下行同步第一个目的就是小区搜索。UE第一步搜索PSS，通过PSS确定了符号的起始位置，实现了符号同步并确定N(2ID)；UE第二步搜索SSS，通过盲解码的方式确定N(1)ID，UE计算出NcellID；UE第三步将根据公式v=NcellIDmod 4确定PBCH DMRS的频域偏移，UE利用DMRS进行信道估计，解码PBCH，获得MIB。至此，UE获取了系统帧号、半帧信息、载波偏移KSSB，pdcch-ConfigSIB1[10]。

下行同步第二个目的是找到RMSI得到资源调度，如图1。NR中引入了CORESET（control resource set，控制资源集）对应PDCCH物理资源配置，其中CORESET0固定用于 RMSI。UE搜索 PSS、SSS、DMRS并盲解PBCH后还不足以驻留小区和进行接入，UE还要知道一些必备的系统消息，这些消息在NR中称RMSI，RRC层可以认为就是SIB1。类似LTE，SIB1在PDSCH中发送，而PDSCH需要PDCCH的DCI来调度。MIB中字段 KSSB和pdcchconfigSIB1就是找到CORESET0的关键信息，其中包含CORESET0的索引。至此，UE不仅完成与小区的同步过程，又通过参数找到Type0-PDCCH 公共搜索空间来解码 PDSCH，获得了SIB1[11]。

图1 UE找到RMSI过程

下行同步第三个目的就是找到最优波束。UE找到最优波束是通过确定SSB来完成的。UE解调PBCH后，即得到SSB的索引位置（Index），同时得到SSB相关时域信息。SSB index 对应PRACH的occasion，UE则在这个对应的时频资源上发Msg1。

3 上行同步

上行同步的目的包括：基站和UE达成传输时间同步；UE获得小区内唯一标识身份的C-RNTI。通过下行同步，UE获取了时间的同步，但不是传输时间同步。gNB接收到的是很多UE发送的混合信号，只有当上行传输时间同步后，小区中不同位置的 UE 发送的上行数据才能被正确解调。gNB将收到上行Preamble码放入时间窗口检测，就能确定上行信号距离gNB位置的远近，从而获得TA值，并将TA值通过下行消息反馈给UE，UE根据基站的反馈指令，获取TA并调整自己的信号发送时间。如图2所示，UE1较基站更近，则其时间提前量T1也小于UE2时间提前量T2。

图2 上行时间提前量说明

UE为了获得时频资源，必须发起随机接入。随机接入根据接入原因不同，分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。基于竞争的随机接入过程如图3所示。

图3 基于竞争随机接入信令

UE首先选择SSB、CSI-RS，然后根据SSB随机选择Preamble Index，UE在对应的PRACH occasion位置发送Preamble码，发送Preamble码后根据PRACH资源的时域位置计算相关联的RA-RNTI。UE发送了preamble之后，将在RAR时间窗内监听PDCCH，以接收对应RA-RNTI的RAR，时间窗口内没有收到基站回复RAR，本次接入失败。

非竞争随机接入时，基站将提前给某个UE分配专用的preamble码或者该UE本身拥有小区唯一识别的身份的C-RNTI，因此，如果是非竞争随机接入将没有步骤三和步骤四。Mg3针对不同场景，有不同的消息格式，但其共性是，所以的Mg3均包含一个UE唯一标识，该标识用于冲突解决。UE发送了Msg3，会启动一个定时器，并在Msg3进行HARQ重传时，重启该定时器。在该定时器时间内，UE将监听PDCCH信道，当成功解码出的MAC PDU中包含的Contention Resolution Identity MAC CE与Msg3发送的CCCH SDU匹配时，标志随机接入成功，UE也会将此前的临时TC-RNTI设置为小区唯一标识C-RNTI。

4 信令分析

本次验证的组网环境是NSA模式，在NSA模式下，LTE基站将通过RRC消息获取到NR基站的系统配置参数，该模式下UE无需进行小区选择，但要获取物理控制信道配置信息，仍需要进行下行时域同步流程。

如图4所示为NSA模式下的同步信令截图，MIB消息包含系统帧号systemFrameNumber和DMRS位置信息dmrs-Type-Position。为了读取RMSI而需要获取的2组参数ssb-SubcarrierOffeset和pdcchconfigSIB1也可以在MIB消息中读取到。

在NR下行RRCReconfiguration消息可以读到PRACH配置消息。其中prach-ConfigurationIndex指PRACH配置索引，zeroCorrelationZoneConfig指NZC，prach-RootSequenceIndex指根序列索引。

在NR中的随机接入过程使用了波束，其中SSB在时域周期内有多次发送机会且分别对应不同的波束，而对于UE而言，只有当SSB的波束扫描信号覆盖到UE时，UE才有机会发送preamble。当网络端收到UE的preamble时就知道下行最佳波束，因此SSB需要与preamble有一个关联，字段ssbperRACH-OccasionAndCB-PreamblesPerSSB指示这种关联关系，preamble都是在PRACH occasion才能进行发送。

图4 MIB消息及PRACH配置消息信令截图

5 参数规划

为了提高初始同步过程的性能，在实际组网中，要综合覆盖场景、基站类型、业务量等因素合理配置同步与接入相关参数。

PCI规划：NR中的小区同步、重选、切换等流程都会用到PCI信息，但现网中又不可避免的会对小区PCI进行复用，分配PCI时，要将宏站、室分单独规划PCI集，小区与同频邻区或小区相邻的两个邻区之间PCI不能重复。如某小区相邻的两个小区分配相同PCI将导致UE在切换时无法接入正确的小区。由于引入了波束的概念，NR中的干扰将不会成为制约5G性能的主要因素，但是为了降低PBCH干扰，还是避免PCIMOD4冲突。

PRACH规划：首先要根据覆盖半径门限确定前导序列格式，根据速度场景确定限制集和非限制集。其次循环偏移NCS与小区覆盖半径相关，NCS越大，小区半径越大，根据小区覆盖半径选择NCS，如R=5km，NCS=46，根据N=LRA/NCS计算，LRA=839格式ZC序列其可以产生18个Preamble码。最终根据小区负载、NCS、PRACH格式指示（Prach-configIndex）取值确定根序列个数。如上面示例需要产生64个前导需要根序列4个。

SSB及波束个数：NR引入了动态窄波技术，同步过程通过确定SSB的Index找到了最优的波束。如天津移动实验验证2.6 GHZ频段，水平25度波宽较水平110度波宽能提高2.5 dB覆盖增益。波束数量越多覆盖增益越大，但系统开销越大。当水平覆盖要求比较高时，推荐配置窄波速，远点可以获得更高的波束增益，提升远点覆盖。同时波束数量受SSB可选位置、频段、帧重复周期、SSB周期的制约。在实际组网过程中，要根据站点类型、业务模型和无线环境合理的设置SSB周期和数量。如在进行小数据包传输或大型活动通讯保障时要采用短SSB周期。目前中移2 ms内可配置1-8个SSB（对应1-8波束），广播发送周期20 ms。

SSB频点配置：频点配置时，主要配置带宽、绝对频率位置、PointA等参数。SSB频点配置有3种方式，分别为配置频带下端，中间和上端，如果SSB配置在频带中间，将会将整个带宽分割成基本等长的两端，影响仅支持type1的终端峰值速率。

6 结 语

本文介绍了NR随机序列和同步信号、信道的设计，联合分析了上行和下行同步过程，重点阐述了下行同步的3个目的和上行同步的2个目的，并以此给出NR组网中了参数规划建议。