0%

5G NR Synchronization Signal/PBCH block (SSB)

  本文主要对 5G NR 中的同步信号块 SSB 的结构以及时频位置进行了描述。

  小区搜索是 UE 获取小区的时间和频率同步以及检测小区的物理层小区 ID (PCI)的过程。

  系统消息设计是无线通信系统中重要概念之一,小区级系统消息主要为了配置小区驻留、提供用户接入、互操作等一系列重要参数配置。5G NR对于系统消息进行了一定程度的简化,相比4G不仅在同步信号以及系统消息设计方面都进行了完全不同的设计。

  有别于4G将小区下行同步信号以及物理广播信道分离设计,5G中将小区主辅同步信号(SS,Synchronization Signal)与物理广播信道(PBCH,Physical Broadcast Channel)进行了某种程度上的耦合,以SS/PBCH资源块的形式出现,简称为SSB。

注:本文描述中 SSB=SS/PBCH=Synchronization Signal/PBCH block

  在NR 定义了两类同步信号:Primary Synchronization Signal 主同步信号 (PSS) 以及 Secondary Synchronization Signal 辅同步信号 (SSS). Synchronization Signal/PBCH block (SSB) 由PSS、SSS和 PBCH组成。即:$SSB=PSS+SSS+PBCH$ 。其中 PBCH 中又存放着 DMRS 。

  下图显示了 PSS,SSS,PBCH 和 PBCH DMR 在 SSB 区块的位置

图片来源:concepts-of-5g

SSB时频结构

  SSB的时频结构如下图所示

  • PSS、SSS 和 PBCH 始终以连续的 OFDM 符号组合在一起。
  • 每个 SSB 在时域中占据 4 个 OFDM 符号,并分布在频域中的 240 个子载波 (20 RB)。
  • PSS 占据第一个 OFDM 符号,跨越 127 个子载波。
  • SSS 位于第三个 OFDM 符号中,跨越 127 个子载波。SSS 下方有 8 个未使用的子载波,SSS 上方有 9 个未使用的子载波。
  • PBCH 占据两个完整 OFDM 符号(第二和第四个),跨越 240 个子载波。在第三个 OFDM 符号中,占据SSS上方和下方的 48 个子载波。这导致 PBCH 在三个 OFDM 符号($240+48+48+240 = 576 $) 中占用 576 个子载波。
  • PBCH DM-RS占用144 个 RE,占总RE的四分之一,剩余用于PBCH有效载荷(576-144=432 RE)。
  • SS/PBCH 子载波间隔配置支持 $μ∈{0,1,3,4}$ 即 15 KHz 、30 KHz 、120 KHz 、240 KHz 。


补充

注意:5G的一个资源块(RB)包含频域上的12个子载波。注意这一点和4G不同,4G的RB是由频域上12个子载波和时域上的0.5毫秒(7个OFDM符号)组成的二维结构,而5G的RB只有频域这一个维度。

5G的最小资源单位:资源单元(RE)由频域的一个子载波和时域的一个OFDM符号组成,是无线资源的最小单位(如上图中的小方格所示)。这一点是和4G一样的。

主同步信号的全称为:Primary Synchroniztion Singnal,简称PSS。PSS在SSB的第一个OFDM符号上发送,频域占用了127个子载波,其余子载波为空。

辅同步信号的全称为:Secondary Synchroniztion Singnal,简称SSS。SSS在SSB的第三个OFDM符号上发送,频域占用了127个子载波,其余子载波用于PBCH及隔离带。

PSS携带了3个小区号,SSS携带了336个小区组号,这两者共同决定了5G系统中的1008个物理小区号(Physical Cell Identity,简称PCI)。一旦手机成功搜索到了PSS和SSS,也就知道了这个5G载波的物理小区号。

物理广播信道的全称为:Physical Broadcast Channel,简称PBCH。PBCH在第二个和第四个OFDM符号上在SSB内全带宽发送,另外也使用SSS两端的48个子载波来发送。


SSB频域位置概述

  在频域中,一个 SS/PBCH 块由240个相邻的子载波组成,子载波在 SS/PBCH 块中按从0到239的顺序排列。下表给出了 PBCH 的 PSS、 SSS、 PBCH 和 DMRS 的位置。PBCH、 PBCH DMRS、 PSS 和 SSS 的位置参见38.211的表7.4.3.1-1 。下表中表示为“ Set to 0”的资源元素对应的复值符号被设置为零。 从下表中可以看到,PBCH DM-RS 的位置取决于PCI ($v = N_{ID}^{cell } mod 4$) (小区ID PCI 由 UE 使用 PSS/SSS 确定)



SSB时域位置概述

  • 每个 SSB 跨越时域中的 4 个 OFDM 符号。
  • SSB 的周期性定期传输为 5ms、10ms、20ms、40ms、80ms 或 160ms。
  • 虽然较长的 SSB 周期可提高网络性能,但较短的周期有助于更快进行小区搜索。
  • 在初始小区搜索或空闲模式移动期间,UE 可以假定默认周期为20ms。

  SSB是周期性发送的,其周期可以从5毫秒到160毫秒之间变化。手机在进行小区搜索时,不能在某一个频点上等待过长时间,因此默认按照20毫秒来进行。

  如果手机在某个频点上等待了20毫秒的时间,一直未发现SSB,则认为这个频点上不存在5G载波,然后转到同步栅格里面的下一个频点再次尝试。

同步栅格

由于5G的系统带宽动辄100MHz,高频甚至能达到400MHz,远大于4G的系统带宽(最大20MHz),如果像4G一样把同步信号放在载波中心,手机按照100KHz的粒度来搜索的话,所需要的时间非常长,而且非常耗电,完全让人无法接受。

因此,5G不再把SSB放在载波中心,而是放在每个频段内一组有限的可能位置,称作“同步栅格(Synchronization Raster)”。手机只需在这些稀疏的同步栅格上搜索SSB即可,速度更快。

SS Burst Set

  为了使PSS / SSS和PBCH能够进行波束扫描,定义了同步广播块集合(SS Burst Set)。 SS Burst Set由一个或多个SSB组成,每个SSB可能在不同的波束上传输。

  一个波束扫描内所有SSB成的set被称作SS burst set

SS Burst Set 有翻译为同步信号集、 同步广播块集合 也有翻译为 同步信号突发集

本文翻译 为同步广播块集合 来自书籍 5G无线系统设计与国际标准

  • 同步广播块集合由一个或多个SSB组成。

  • 同步广播块集合中的SSB以时分复用的方式传输。

  • 同步广播块集合始终限制在5ms窗口内,位于10ms无线帧的前半部分或后半部分。

  • 网络通过RRC参数ssb-PeriodicityServingCell设置SSB周期性,其取值范围为{5ms,10ms,20ms,40ms,80ms,160ms}。

  • 同步广播块集合内的候选SSB的最大数量(Lmax)取决于载波频率/频段,如下表所示。

Carrier Frequency Max. No. of Candidate SSBs **within SS Burst Set ($L_{max}$)
fc ≤ 3 GHz* 4
3 GHz* < fc ≤ 6 GHz 8
fc > 6 GHz 64

注: SCS = 30 kHz情况:对于成对频谱,为3 GHz,对于非成对频谱,为2.4 GHz

  在5ms半帧内,SS Burst Set 设置的候选 SSB 的起始 OFDM 符号索引取决于子载波间距 (SCS) 和载波频率/频段(下表中汇总)。大括号内的条目表示候选 SSB 的 OFDM 起始符号。🌟有关详细信息,请参阅 38.213 的第 4.1 节。

SCS OFDM starting symbols of the candidate SSBs fc ≤ 3 GHz Lmax = 4 3 GHz< fc≤ 6 GHz Lmax = 8 fc > 6 GHz Lmax = 4
CaseA: 15 kHz {2,8} + 14n n = 0,1 {2,8,16,22} n = 0, 1, 2, 3 {2,8,16,22,30,36,44,50} NA
CaseB: 30 kHz {4,8,16,20} + 28n n = 0 {4,8,16,20} n = 0, 1 {4,8,16,20,32,36,44,48} NA
CaseC: 30 kHz {2,8} + 14n n = 0, 1 {2,8,16,22} n = 0, 1, 2, 3 {2,8,16,22,30,36,44,50} NA
CaseD: 120 kHz {4,8,16,20} + 28n NA NA n=0,1,2,3,5,6,7,8,10,11,12,13,15,16,17,18{4,8,16,20 … 508,512,520,524}
CaseE: 240 kHz {8,12,16,20,32,36,40,44} + 56n NA NA n=0,1,2,3,5,6,7,8{8,12,16,20 … 480,484,488,492}

* SCS = 30 kHz情况:对于成对频谱,为3 GHz,对于非成对频谱,为2.4 GHz

注意,当网络不使用波束成形时,它可能只发送一个SSB,因此只能有一个SSB起始位置。


  针对不同子载波间隔,每传输半帧SSB的候选位置如下定义:

A:子载波间隔15kHz,针对FR1频带内不大于3GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻可配置在0,1时隙的{2, 8}OFDM位置,这样共4个候选时刻;而FR1 频带内大于3 GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻配置在0,1,2,3时隙的{2,8}OFDM位置,共8个候选时刻;

B:子载波间隔30kHz,针对FR1频带内不大于3GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻可配置在以0时隙起始计算的{4,8,16,20}OFDM位置,这样共4个候选时刻;而FR1 频带内大于3GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻配置在0,2时隙分别为起始计算的{4,8,16,20}OFDM位置,共8个候选时刻;

C:子载波间隔30kHz,5G FDD频谱模式下,针对FR1频带内不大于3GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻可配置在0,1时隙的{2,8}OFDM位置,这样共4个候选时刻;而FR1频带内大于3GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻配置在0,1,2,3时隙内的{2,8}OFDM位置,共8个候选时刻;5GTDD频谱模式下,针对FR1频带内不大于2.4GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻可配置在0,1时隙的{2,8}OFDM位置,这样共4个候选时刻;而FR1频带内大于2.4GHz的NR载波频率,SSB的候选传输时刻刻配置在0,1,2,3时隙内的{2,8}OFDM位置,共8个候选时刻;

D:子载波间隔120kHz,对于FR2频带内NR载波频率,SSB的候选传输时刻配置在0,2,4,6,10,12,14,16,20,22,24,26,30,32,35,36时隙分别为起始计算的{4,8,16,20}OFDM位置,共64个候选时刻。

E:子载波间隔240kHz,对于FR频带内NR载波频率,SSB的候选传输时刻配置在0,4,8,12,20,24,28,32时隙分别为起始计算的{8,12,16,20,32,36,40,44}OFDM位置,共64个候选时刻。


  5G NR在系统架构中遵循一个重要设计理念就是系统参数设置相当灵活,在SSB中体现在子载波间隔(SCS,subcarrier spacing)可以与其他物理传输信道独立设置,但是否需要不同配置有待于实际组网环境下进一步验证。终端在开机搜网同步时,根据NR的工作频段可以确定SSB的子载波间隔以及SSB候选传输位置式样(A/B/C/D/E),如果异频载波SSB的子载波间隔通过高层信令进行传递明确为30kHz时,SSB候选传输位置式样B可扩展适用于SCS定义为仅15kHz的FR1中NR工作频带。另外,当终端被配置为FR2频带内的载波聚合或者FR1频带内连续频率的载波聚合机制时,如果网络侧提供了载波聚合任何一个小区的SSB的子载波间隔信息,终端认为这一系列载波聚合小区的SSB子载波间隔一致。

  针对在半帧内传输的SSB候选位置式样ABCDE,终端可以通过解码PBCH载荷比特来确定当前传输SSB的具体索引位置,对于半帧包含4个SSB候选传输位置,通过2个低比特位(LSB)确定索引,而半帧包含8个SSB候选传输位置,则通过3个低比特位(LSB)确定索引,这两种情况下PBCH索引恰恰与SSB中DMRS的高德伪随机序列初始序列索引呈一一对应的关系,终端在确定2个低比特位或者3个低比特位时并不是直接通过解码PBCH传输比特获知,而是间接通过解码DMRS进行逻辑映射。半帧包含64个SSB候选传输位置,传输SSB中DMRS的索引按照3个低比特位循环映射(8个SSB循环),终端结合3个低比特位(LSB)与PBCH载荷的3个额外高比特位(MSB)共同确定SSB的传输索引。PBCH有效载荷共32比特,包含承载RRC内容23比特,这23比特中有6比特作为计算无线帧的高位6比特,除了这23比特之外,物理层额外与传输时刻相关4比特作为计算无线帧的的地位4比特, 1比特作为无线帧中的半帧标识,3比特作为确定SSB索引的高位3比特,剩余1比特协议没做规定,MAC层实体为了与传输字节对齐进行填补。

  作为示例,在SCS=15 kHz且载波频率在3 GHz和6 GHz之间的情况下,SS突发集合内的候选SSB的时序在下图中示出。



LTE同步信号和5G同步信号之间的区别:

生成方法不同:

  LTE中的PSS是长度为62的 Zadoff-Chu 序列,NR中的PSS是长度为127的m序列。LTE中的SSS是长度为62的m序列,而NR中的SSS是长度为127的GOLD序列。

PCI的数量不同:

  LTE中定义了504 PCI,分为168组,对应168个SSS;每组包含3个小区,对应3个PSS。NR定义1008个PCI,分为336组,对应336个SSS;每组包含3个小区,对应3个PSS。

同步信号的时域和频域位置不同:

  LTE PSS、SSS和PBCH的频域和时域位置在系统中是固定的,总是占据系统带宽的中心频率部分。PSS与SSS和PBCH没有严格的结合关系。然而,在5G中,PSS、SSS和PBCH绑定在一起,称为SSB。不同LTE子载波间隔固定为15k,而NR中的PBCH子载波间隔根据频带而变化。

同步过程不同 :

  正是由于NR和LTE的同步信号不同,其同步过程也不同于LTE。在NR中通常使用波束成形,并且同步信号SSB在不同的波束上传输。因此,同步过程的一个目标是找到最佳波束。此过程通过确定 SSB 的索引 ( the SSB’s index)来完成。在5ms周期内,SSB的索引与波束一一对应。通过确定最佳SSB的索引,可以找到最佳的波束方向。

  通过确定SSB的频域位置,它可以基于其他参数($k_{ssb}$,$N_{CRB} ^ {SSB}$等)。 获取 pointA 的位置,实现对BWP的管理。


SSB 波束赋形

  5G相对于4G最大的优势在于引入了波束赋形。实际使用中,可以把一个周期内的不同SSB分配到不同的波束上发送,每个SSB的发送时间不同,大家轮流依次发送,因此这种方式叫做SSB波束扫描,这些参与波束扫描的SSB集合就叫做同步广播块集合(SS Burst Set)。由于每个波束的能量更为集中,这样就有效增强了5G的覆盖。

  由于每周期不同频段所支持的SSB发送次数不同,它们的波束赋形能力也各不相同。总体上来说,频段越高,波束赋形能力越强。

  由于同步信号SSB是在不同的beam上发送的。因此,同步过程的一个目的就是要找到最优的beam。这个过程是通过确定SSB的index来完成的。
5ms周期中SSB的index与波束是一一对应的关系,通过确定最优SSB的index就可以找到最优的波束方向。

对于3GHz以下的频段,一个SS突发集里最多包含4个SSB,因此最多可扫描4个波束;

对于3GHz~6GHz的频段,一个SS突发集里最多包含8个SSB,因此最多可扫描8个波束;

对于高于6GHz的毫米波mmWave频段,一个SS突发集里最多包含64个SSB,因此最多可扫描64个波束。


总结

  当UE开机后想要接入小区时,会进行小区搜索的操作。在NR中,小区搜索主要基于对下行同步信道及信号的检测来完成。终端通过小区搜索过程获得小区ID、频率同步(载波频率)、下行时间同步(包括无线帧定时、半帧定时,时隙定时及符号定时)。具体来看,整个小区搜索过程又包括主同步信号搜索、 辅同步信号检测及物理广播信道检测三部分。本文主要对同步信号块 SSB 的结构以及时频位置进行了描述。


参考文献

封面图:壹零腾_-_原创作品_-_站酷_(ZCOOL)

5 g/nr-SS Block

Lin X, Li J, Baldemair R, et al. 5G new radio: Unveiling the essentials of the next generation wireless access technology[J]. IEEE Communications Standards Magazine, 2019, 3(3): 30-37.

Omri A, Shaqfeh M, Ali A, et al. Synchronization procedure in 5G NR systems[J]. IEEE Access, 2019, 7: 41286-41295.

Synchronization Signal Block

LTE:小区搜索过程(cell search procedure)

5G NR Cell Search and Synchronization

5G NR: Synchronization Signal/PBCH block (SSB)

Understanding NR5G Synchronisation Signal Block (SSB)

1) 3GPP TS 38.211

2) 3GPP TS 38.212

3) 3GPP TS 38.213

4) 3GPP TS 38.331, 38.300




溪云初起日沉阁,山雨欲来风满楼。

— 志南 《绝句·古木阴中系短篷》




觉得文章对您有帮助请我喝冰可乐吧 😉