5G NR同步(2)——NR下行同步机制
文章比较长，但是是逐步深入的介绍下行同步机制，前面部分内容为下文讲解做铺垫。
1. 下行同步的原因
所谓下行同步，是指终端通过基站周期性的、在特定位置发送的二进制同步信号序列与基站进行频率、相位与10ms帧的同步以及小区同步。
只有同步之后，手机才能解调出小区广播的主信息块MIB和系统信息块SIB，因此同步是终端与基站建立通信的起点。
进行下行同步的原因包括以下四点：
（1）终端需要搜索到小区的高频载波的中心频点，并与在载波信号进行模拟信号的频率同步，因为只有频率相同，收发信号的双方的步调才能一致。
（2）终端要获得小区的带宽，获得小区的带宽后终端可以知道小区有多少可以用于传输数据的子载波。
（3）终端要与小区的10ms帧进行比特频率同步、比特相位同步和10ms帧同步，因为10ms帧是结构化的二进制比特数据，当终端刚开机时，接收基站发送的结构化的二进制比特数据并不知道接收数据开始的位置在10ms帧的具***置。
2. 下行同步信号的产生
5G NR下行同步和LTE有所不同，LTE终端是通过基站提供的4个物理层信号或信道与基站进行小区同步的，包括主同步信号PSS、辅同步信号SSS、小区参考信号CRS和物理广播信道PBCH，但LTE下行同步的四部分是在时频资源的组织上相互独立的、相互隔离。在5G NR中，把这四部分信息与小区同步相关的信号和信道所对应的时频资源，结构化的组织在一起，形成一个新的资源块，称为同步信号块SSB。LTE的小区参考信号CRS被解调参考信号DM-RS所替代，CRS是小区级别的，而DM-RS是信道级别的，每个信道都有自己独立的解调参考信号，作用与小区参考信号类似。5G NR之所以做上述的改动，把上述4个物理同步信号、物理同步信道组织在一起，主要原因有以下三点原因：
（1）5G的带宽很大，因此整个小区级的参考信号偏差较大，需要更小带宽的信号质量测量。
（2）5G终端支持可变带宽BWP, 不同的BWP需要有自己独立信道质量测量，不同的BWP需要独立的参考信号，而不是整个基站小区的参考信号。
（3）5G支持波束赋形，不同的波束需要有自己独立的信道质量测量，不同的波束需要独立的参考信号。
5G NR与LTE产生PSS和SSS信号的方式不同，LTE采用ZC序列产生PSS和SSS信号，而5G NR采用m序列生成两种信号。5G NR不采用ZC序列的原因如下：
ZC序列是子载波相位序列，是任意角度的相位调制，5G应用场景包括高频段5G-60GHz，采用任意角度的相位调制导致ZC序列，在高频段下频偏更大，例如5ppm在60GHz下高达300kz。同时其相关性也会受到受影响，表现为相关峰峰值降低及虚检增大。采用m序列的另外一个好处是底层采用PSK调制，每个子载波的相位是确定性的两种值，而不是任意值，因此高频导致的相位差检测困难的问题被二进制PSK调制所克服。
PSS和SSS这两种信号用于小区的同步，PSS用于同步 
SSB、SSS和DM-RS均由基站生成，通过PBCH发送给各个终端，下面将介绍5G NR同步块中SSB、SSS以及由PBCH承载的DM-RS信号的产生。
（1）PSS生成方式
（2）SSS信号的生成方式
SSS信号需要承载1008小区信息，而一个长度为127的m序列无法通过移位产生1008种， 所以需要两个序列共同完成，两个m序列逐位模二加得到一个新的序列，即Gold序列。第一个 m序列通过循环移位产生9种，第二个m序列循环移位产生112种，***生1008个PCI。
5G NR生成SSS信号流程如图所示：
（3）DM-RS信号的生成方式
DM-RS信号是解调参考信号，用作信道估计和辅助数据解调，NR PBCH DM-RS序列是通过 阶数为31的Gold序列产生的随机序列，并通过QPSK调制得到所需的DM-RS序列,基站生成DM-RS信号的公式如下：
3. 同步栅格
在终端刚开机时进行小区搜索时，只能根据运营商以及终端支持的频段检测SSB信号，进行下行时频同步。由于全局频率栅格的粒度较小导致NR-ARFCN（NR Absolute Radio Frequency Channel Number，NR-ARFCN）的取值范围较大，如果直接根据全局频率栅格进行盲检，则同步时延会较大。为了有效的降低此过程的同步时延，3GPP定义了同步栅格（Synchronization Raster）的概念，并通过全局同步信道号（GSCN，Global Synchronization Channel Number）来限定搜索范围。如下表所示，在0-3000MHz范围内，同步栅格为1200kHz；在3000-24250MHz范围内，同步栅格为1.44MHz；在24250-100000MHz范围内，同步栅格为17.28MHz。与NR-ARFCN类似，GSCN同样对0-100GHz范围的频段做了定义，每个GSCN对应一个SSB的检测频点。
在FR1和FR2频率范围内，针对每个工作频段，GSCN的范围标准中已给出，见Applicable SS raster entries per operating band (FR1/FR1)。
4. SSB突发集
由于5G NR所支持的载波频率较高，小区基站的覆盖范围减小，而且高频段载波的传播损耗大，需要采用波束赋形的发射方式来增加无线信号的覆盖距离，同时由于每个波束覆盖的角度有限，5G NR通过波束扫描方式来覆盖整个小区的服务范围。一个小区通常需要发送多个SSB来完成一次波束扫描以使同步信号覆盖整个小区的服务范围。完成一次波束扫描所需要的SSB便组成了一个SSB突发集。5G NR只支持TDM的方式进行SSB波束扫描,而不支持FDM方式,其原因是SSB需要让系统内的所有UE都能接收到,而FDM不适用于采用模拟波束赋形的UE。下图给出了在TDM方式下SSB波束扫描以及SSB突发集发送的过程图。
为了降低UE搜索的复杂度，UE按照协议规定的一定频率间隔进行SSB搜索，这个频率间隔称为同步栅格，同步栅格的个数受SSB带宽的影响。在一个系统载波带宽中，同步栅格的个数越多，UE搜索SSB所花费的时间就可能越多。一个SSB内的PSS、SSS和PBCH之间TDM相对于FDM可以减小SSB的带宽，从而减少同步栅格的个数，降低UE搜索的复杂度。
基站小区通过发送一个SSB突发集来实现一次波束扫描，覆盖整个小区的服务范围，SSB突发集按照一定的周期重复进行波束扫描，在***B突发集周期时需同时考虑系统资源消耗、UE接入时延等因素。当配置的SSB突发集的时间较短时，可以减少UE初始接入的时间，降低UE检测SSB的功耗，但是会消耗更多的系统资源；当配置较长的SSB突发集周期时，会增加UE初始接入的时间，UE用于检测SSB的功耗增加，会占用较少的系统资源。因此，协议中做出规定，不论SSB的子载波间隔和载频是多少，每个SSB突发集的发送时间均在5ms内，即半无线帧之内。
NR规定在所支持频率范围内，一个SSB突发集包含的最大SSB个数为L。
L=4时，频率小于等于3GHz，或SSB模式C下，TDD频率小于等于2.4GHz；
L=8时，频率大于3GHz且小于等于6GHz，或SSB模式C下，TDD频率大于2.4GHz且小于等于6GHz；
L=64时，频率大于6GHz。
L的选取根据载波频率的范围，随着载波频率的升高，无线信号在空间中传输损耗越大，所以在每个SSB突发集中需要发送多个SSB来实现对小区范围的覆盖。
NR为了降低小区搜索时间，让多个载波可以共享同一个同步信号，在PBCH的信息中引入了同步广播块子载波偏移边界偏移量（kSSB，见表3.5第三行），即NR系统的同步广播块的RB边界不一定与载波的RB边界对齐，会偏移kSSB个子载波。当同步广播块使用15kHz或30kHz子载波的时候（载波频率小于6GHz），kSSB∈{0, 1, 2, ..., 23}，需要5bit；当同步广播块使用120kHz或240kHz子载波的时候（载波频率大于6GHz），kSSB∈{0, 1, 2, ..., 11}，需要4bit。高低频的差异主要来自于：当载波频率小于6GHz的时候，同步广播块的子载波间隔可能小于初始接入带宽的子载波间隔（比如同步广播块的子载波为15kHz，初始接入带宽的子载波为30kHz），此时需要在两个同步广播块的RB范围内指示子载波偏移（{0~23}）。当载波频率高于6GHz的时候，同步广播块的子载波间隔永远大于或等于初始接入带宽的子载波间隔，仅需要在1个同步广播块的RB范围内指示子载波偏移（{0~11}）。综合来看，通过广播块子载波偏移边界偏移量的引入，可以在一定程度上减少初始同步时同步栅格上频点的数量，降低终端开机搜索复杂度。
5. SSB的帧结构
如下图所示，一个SSB由PSS、SSS和PBCH三部分组成。在时域的角度看，PSS、SSS和PBCH均采用TDM的传输方式，一个SSB占用4个OFDM符号，其中PSS和SSS各占一个符号，PBCH占用两个符号，顺序为PSS-PBCH-SSS-PBCH。将SSS放在PBCH符号中间，优点在于可以利用SSS辅助PBCH解调。在频域的角度看，一个SSB的带宽为20个PRB ,其中PSS和SSS的带宽为12个PRB , PBCH的带宽为20个PRB , PSS和SSS的中心频率和PBCH的中心频率对齐。此外，PBCH占用 了SSS所在OFDM符号的部分PRB ,每个SSB中的PSS、SSS和PBCH采用相同的子载波间隔。
上图可以看出：PSS位于OFDM符号0的中间127个子载波；SSS信号位于OFDM符号2的中间127个子载波；为了保护PSS、SSS，它们的两端分别有不同的子载波Set 0；PBCH位于OFDM符号1和OFDM符号3，以及OFDM符号2的部分子载波上，其中OFDM符号1和OFDM符号3上占0~239所有子载波，OFDM符号2上占用除去SSS占用子载波及保护SSS的子载波Set 0以外的所有子载波；DM-RS位于PBCH中间，在OFDM符号1和OFDM符号3上，每个符号上60个DM-RS信号，间隔4个子载波。
其中PSS、SSS、PBCH及其DM-RS占用不同的符号如下表所示：
其中l和k分别代表SSB的时域索引和频域索引；v代表每个DM-RS的在每个OFDM符号中的间隔；set to 0可假定该部分的RE被设置为0。
6. SSB的时域和频域的位置
SSB的频域位置根据标准中定义的同步栅格的位置得出，和同步栅格的位置相同。
下面阐述SSB在时域的位置。
根据GSCN得到了5种SSB 模式，即根据同步栅格的位置五种SSB的模式分别为CaseA~CaseE，其对应SSB的时域关系如下所述：
根据SSB 5ms的半无线帧，候选SSB的数目和第一个符号索引位置根据SSB的子载波间隔确定，如下图所示（图中{}中的内容代表OFDM符号中的第一个OFDM符号的位置，载频记为F）：
模式B和模式C都采用30kHz子载波间隔。在模式B的设计中考虑到在某些FDD频段，LTE和5G NR同频共存的特殊情况。当5G NR小区使用30kHz来发送SSB，而LTE小区也使用同样的下行时间和频率资源时，模式B保证在一个子帧内，至少有一个5G NR SSB的传输不会受到LTE小区传输的PDCCH和小区专属参考信号（Cell-specific Reference Signal，CRS）的影响。
举例说明OFDM符号索引值的计算方法：
以模式B为例，假设检测到的SSB时间索引值为6，即SSB半无线帧中的第7个SSB。由上述分析可知，模式B下每个时隙有两个SSB，其起始OFDM符号分别为2、8、16和20。第7个SSB位于SSB半无线帧中的第4个时隙，当n=1时。相对半无线帧起始点的OFDM符号索引值为16+28×1=44。
下面给出模式B和模式D的OFDM索引值：
7. SSB的传输配置
对于6GHz以下的频段，传输SSB采用的子载波间隔为15kHz或30kHz；对于6GHz以上的频段，传输SSB子载波间隔采用120kHz或240kHz。
在UE进行初始的小区搜索时，UE并不知道关于SSB的各种传输信息。为了减少UE初始小区搜索的时间和功耗，在5G NR的协议中定义了SSB传输配置的相关参数信息，其中包括SSB子载波间隔、SSB模式和SSB发送周期。
在5G NR协议中按频段规定了默认的SSB子载波间隔，基站小区发送SSB时，需按照协议标准规定的子载波发送，协议中规定SSB子载波间隔的同时，规定了与子载波间隔相对应的SSB模式。但在某些特殊的频段，如在n5、n41和n66频段，默认的SSB子载波间隔是15kHz和30kHz，在频段n257、n258、n260和n261的默认SSB子载波间隔是120kHz和240kHz。这些频段中会有两个子载波间隔与之对应，设置两个子载波间隔的原因主要是在网络部署方面有更大的灵活度。在较低的系统带宽情况下，此时需要采用15kHz的子载波间隔，但是如果在同一个地区采用LTE和5G NR共同部署网络，LTE和5G NR均采用15kHz的子载波间隔，5G NR会和LTE PDCCH以及CRS的相互影响，此时，5G NR系统必须采用30kHz的子载波间隔，这样两种不同的网络部署可以避免干扰，实现共存。5G NR在同步栅格中定义了两个不同的子载波间隔的频段，同时每个子载波间隔定义了唯一的SSB模式。
5G NR和LTE不同的是，5G NR只采用常规的循环前缀发送SSB，不需要通过忙检测来确定循环前缀的长度。在UE进行初始小区搜索时，协议规定UE检测SSB的周期为20ms。所以，对于支持初始小区搜索的小区，SSB实际发送周期可以为5ms、10ms或20ms，但不能大于20ms。对于不支持初始小区搜索的小区，其SSB发送周期可以配置为{5，10，20，40，80，160}ms。完成初始小区搜索后，UE可通过配置信息得到小区的SSB的实际发送周期，对于配置信息中没有指示SSB发送周期的小区，UE应假设SSB的实际发送周期为5ms。
另外一点与LTE不同是，NR只采用相同的单天线端口发送SSB中的所有信号和信道，即PSS、SSS和PBCH采用相同的单天线端口发送。所以，支持5G NR的UE在进行PSS、SSS检测和PBCH解码之前，不需要对发送PSS、SSS和PBCH的天线端口进行基于多种假设的盲检。
8. PBCH的传输
PBCH是UE完成主同步信号和辅同步信号检测后需要解码的第一个信道。PBCH和解调参考信号DM-RS均在SSB中，其中PBCH承载UE访问5G NR无线网络系统所需最小系统信息，但并不是所有的最小系统信息都在PBCH中。PBCH中主要包括MIB和其它SSB传输时间有关的系统信息，下面主要介绍PBCH传输的内容和过程以及PBCH专用参考信号。
最小基本系统信息只有部分在PBCH中，另一部分在SIB1中。PBCH的设计需要遵循以下三点：
（1） 减少用于周期性广播PBCH所用的系统资源开销。
（2） 提高初始接入时PBCH解码的成功率。
（3）保证有足够的小区覆盖范围和边缘接收的可靠性。
下图为5G NR承载的比特信息：
5G NR PBCH所承载的比特数共56bit，其中有24bit来自高层广播信道（BCCH-BCH），包括23bit的MIB。物理层提供PBCH中其余的32bit，其中包括24bit循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）比特。除SSB时间索引和CRC比特之外，同一个SSB突发集内所有SSB的PBCH内容是相同的。
PBCH内容每隔80ms更新一次，在80ms的TTI内，尽管SSB突发集传输多次，但SSB中PBCH的内容在80ms TTI、内始终保持不变。下面给出PBCH传输过程：
首先，将来自高层的24bit BCCH-BCH信息，其中包括23bit MIB。24bit的BCCH-BCH信息与来自物理层SSB传输时间相关的信息组合，生成32bit PBCH有效载荷。其次，32bit PBCH有效载荷经历交织、第一次加扰、附加CRC等过程，产生56bit PBCH载荷，通过极化编码、速率匹配、第二次加扰、QPSK调制，生成总共有432个符号的PBCH序列。最后，432个符号的PBCH序列与144个符号的PBCH DM-RS序列一起被映射到用于传输的SSB。
9. PBCH专用参考信号
在设计NR PBCH DM-RS的过程中，曾讨论是采用NR SSS作为PBCH DM-RS，还是采用PBCH携带DM-RS的方式。采用NR SSS作为PBCH DM-RS的明显优点是能减少PBCH所占用的系统资源开销，但PBCH信道估计性能能否满足要求需要仔细评估分析。其一是在频域上，NR SSS的传输带宽只有12个PRB，而PBCH的传输带宽有20个PRB。在NR SSS传输带宽内所估计的信道不一定能正确代表NR SSS传输带宽外的信道；其二是在时域上，NR SSS和PBCH映射在不同的OFDM符号中，从NR SSS OFDM符号所估计的信道也有不一定能正确代表PBCH OFDM符号的信道。最终，为保证PBCH的解码性能，采用了PBCH自带DM-RS的方式。
NR PBCH DM-RS设计的另一个主要问题是：PBCH DM-RS除了用于信道估计外，是否还用于指示部分或完全的SSB时间索引。DM-RS指示SSB时间索引有助于减少PBCH中的比特数，允许UE直接从PBCH DM-RS获得SSB定时信息而无须解码PBCH。但同时它也增加了UE的实现复杂性，对信道估计的性能以及SSB时间索引估计的可靠性都有影响。最终的方案是PBCH DM-RS携带少量SSB时间索引信息，当频率范围为FR1时，指示完全的SSB时间索引；当频率范围为FR2时，指示SSB时间索引的3个最低有效位。这样，通过PBCH DM-RS携带的SSB时间索引信息最多为3bit。
NR PBCH DM-RS序列是通过阶数为31的Gold序列产生的随机序列，并通过QPSK调制得到所需的DM-RS序列。当SSB突发集中的最大SSB数量L为4时，加扰序列初始化所用的参数包括PCID、半无线帧标识和SSB时间索引。当每个SSB突发集中的最大SSB数量L为8时，加扰序列初始化所用的参数包括PCID和SSB时间索引。当每个SSB突发集中的最大SSB数量L为64时，加扰序列初始化所用的参数包括PCID和SSB时间索引的3个LSB。于是，当L=4或者8时，UE通过检查检测的PBCH DM-RS可获得SSB时间索引信息；当L=4时，UE通过检测的PBCH DM-RS还可以同时获得半无线帧标识。当L=64时，UE将通过检查检测的PBCH DM-RS获得SSB时间索引的3个LSB。
PBCH资源块位于SSB的最后3个OFDM符号中。PBCH DM-RS以4RE的间隔均匀地映射到PBCH资源块中，即每个PBCH资源块具有3个PBCH DM-RS资源单元。PBCH DM-RS序列到PBCH资源块的映射过程加入了PCID mod 4的频率偏移，目的是使小区间PBCH DM-RS的相互干扰随机化。
10. 总结——UE下行同步过程
UE进行下行同步过程如下图所示：
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