5GNR漫谈2：同步和广播信道(PSS/SSS/PBCH,SSB)

在LTE系统中，固定的子载波间隔为15KHz，这样，在不考虑包含循环前缀保护间隔的情况下，一个OFDM符号的长度为子载波间隔的倒数66.66us。在设计物理层帧结构的时候，同步信道设计了主同步信道PSS和辅同步信道SSS，生成的序列是ZC序列。这两个信道的位置固定，其中PSS周期为5ms，SSS又分为子帧0和子帧5两种序列，各自序列周期为10ms。通过这样的设计，在终端进行小区搜索的时候，首先通过本地PSS序列与接收无线帧数据进行相关搜索，由相关峰值找到无线帧的5ms周期，再取5ms周期的接收数据分别采用子帧0的SSS序列和子帧5的SSS序列进行相关搜索，由相关峰值最大值确定该5ms周期包含子帧0或者子帧5，并由SSS的位置最终确定系帧10ms的帧边界。

LTE PSS和SSS在无线帧中的位置
LTE的广播信息MIB承载在物理信道PBCH上，原始有用比特14位，其中3位dl-Bandwidth字段，用以指示系统带宽，3位phich-Config字段，用以指示PHICH资源的计算参数，8位systemFrameNumber字段，用以指示系统帧号。这14位原始比特加上10位全0的空闲比特组成24位比特，经16位的比特CRC校验后组成40位的比特组，然后进行编码和速率匹配，形4份循环缓存数据。系统以40ms为周期，每10m发送1份缓存中的数据。在接收端，每一份数据既可以独立译码恢复MIB，又可以在信道恶劣的时候，与其它份数据合并在一起进行译码，增大MIB译码成功概率。
LTE系统中，PSS、SSS和PBCH在频域上占据带宽中心的位置，6个RB，72个子载波，以满足最小的系统带宽接入需求。

LTE MIB系统消息

LTE PBCH周期
在5GNR的同步与广播信道中，继承了主同步序列PSS和辅同步序列SSS这样的同步结构，并由PSS序列来确定NID2，SSS序列确定NID1，从而确定小区PCI=3* NID1 + NID2；但在其它方面已经有很大的不同。
首先在序列的产生上，采用了M序列。ZC序列由于大频偏场景下抗干扰能力不如M序列，而对于NR应用场景而言，大频偏场景是不得不考虑的，特别是在高速率或者高频段的应用场景下。其次，不同于LTE产生PSS序列时，采用了三个ZC根，以对应三个NID2值，NR的三条PSS根序列，本质上是由一个M序列根生成，其它两条根序列有第一条根序列循环移位而得到。这样的设计，为终端在进行小区搜索时，对PSS序列进行相关检测时，只需要一次滑动相关，即可确定NID2的值，减少了运算量和存储量，带来工程实现的便利。NR的PSS序列还有一个特点，在时域上，表现为镜像共轭对称性质。此性质指：序列以中心为原点，两边的数据距中心相同的距离共轭对称。
这一性质，同样给PSS的搜索计算，带来简化。

NR PSS序列的滑动自相关
另外，相对于LTE系统中，同步序列PSS、SSS和PBCH在时频资源上的位置较为离散不同，NR重新设计了PSS、SSS和PBCH时频资源位置，使得它们更为紧凑，形成一体，称之为SSB。在时间上占据４个OFDM符号，频域占240个子载波。这种紧凑的结构，使得一经检测到同步序列之后，即可立即进行解广播，加快了终端接入的速度，降低了系统的网络时延。

NR SSB时频结构
由漫谈１中提到，NR的子载波间隔，已经不是固定的15KHz，有多种选择，由此带来了系统一个OFDM符号在时间上的改变。这种改变意味着，SSB的发射周设计也应当要有灵活的变化，以适应不同的场景需求。NR的PBCH周期不再类似于LTE的40ms周期，而表现为更为灵活的配置，根据系统的配置不同而不同。这种周期性质，往往表现为在5ms的半系统帧周期内，SSB发射次数和时间间隔不同。标准定义了8种不同的场景，对应不同的工作频段和系统子载波间隔。

由上图中可以看到，在５ms内，SSB发射了很多次，而且子载波间隔越大，发射得越密集。造成这种区别的原因，不得不提到NR在小区搜索时，引入的新技术Beam Sweeping，而引入Beam Sweeping原因，在于NR为了提升系统容量，采用到了Massive MIMO技术，而Massive MIMO典型应用就是波束赋形（Beamforming）。
NR在进行SSB发射的时候，采用Beamforming技术，在不同的时间上发射不同方向的波束，这可以通过调整天线矩阵的相位系数实现。这样做的目的，在于终端在做小区搜索的时候，进行Beam Sweeping，即扫描测量最强的SSB波束，这样，基站小区可识别出终端处于最佳的波束方向，提升信道增益，带来系统容量的提升。

在5ms半帧内，每个SSB波束有区自身的识别号，称为SSB Index。系统选择哪一个beam，会在PBCH的DMRS序列生成的时候进行初始化加扰。

NR小区搜索的过程，首先通过PSS和SSS同步信道确定系统帧起始位置和小区PCI，进而确定DMRS位置，进而确定PBCH时频资源位置，将PBCH数据提取后，进行信号处理，比如频偏估计和补偿，信道估计和均衡，译码等，最终获取MIB数据。

需要指出的是LTE可由工作频点号EARFCN，在工作band内，是以100KHz等间隔均匀分布的，因此在进行小区搜索的扫频时，RF器件根据频点号的递增不断增加100KHz即可。NR重新定义了一套工作频率计算方法。
NR定义了NR-ARFCN（绝对射频频率信道编号）用于表示载波中心频点，严格遵循下表中的逻辑关系。在每个操作频带上，频率偏移步长是不一样的。

NR由于相比LTE占用了更大的带宽，终端不必支持覆盖的有的带宽，协议又引入了BWP子带的概念，在每个子带内可以发射SSB，即SSB可以不工作在载波中心频率，因此NR协议定义了GSCN（Global Synchronization Channel Number）用于标记SSB的信道号，每一个GSCN对应一个SSB的频域位置SSREF，GSCN按照频域增序进行编号。

SSB搜索过程，首先在对应的频带内，逐个可能频点接收信号，在基带进行低通滤波后，留下SSB带宽信号，然后采用PSS和SSS进行相关峰值搜索，确定帧边界和小区PCI。PSS和SSS做滑动相关的时候，可能会有多个峰值的存在，这个时候选择最强的相关峰值，即选择最强的SSB.

发射SSB

PSS相关

SSS相关
然后，根据PCI找到DMRS导频信号，此时，根据工作频率和子载波间隔，确定SSB波束最大可能发射数，依次从第一个开始盲搜波束编号，相关值最大的那个编号即为SSB编号。

SSB波束号
根据DRS做信道估计。PBCH信道数据均衡信道估计值后，进行译码，解出MIB比特数据。

均衡前PBCH星座图

均衡后的PBCH星座图
最后解析出MIB信息。

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