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【5G NR】SSB

作者:互联网

文章目录

1. SSB概述

同步信号和物理广播信道块Synchronization Signal and PBCH BlockSSB)由主同步信号Primary Synchronization SignalPSS)、辅同步信号Secondary Synchronization SignalSSS)和物理广播信道Physical Broadcast ChannelPBCH)共同组成 [1]

LTE中,PSS、SSS和PBCH位于载波中心,周期固定,且不进行波束赋形,必须覆盖整个小区(LTE中并没有SSB这一术语,但是同样有PSS、SSS和PBCH [2])。相比LTE,NR中SSB在时域和频域上的配置更加灵活,因此也更加复杂。由于NR部署在高频频段,因此基站必须使用massive-MIMO以增强覆盖。但是massive-MIMO的天线辐射图是非常窄的波束Beam),单个波束难以覆盖整个小区。另一方面,由于硬件限制,基站往往无法同时发送多个波束以覆盖整个小区,因此NR通过波束扫描Beam Sweeping)的方式以覆盖整个小区,即基站在多个时刻发送不同方向的波束从而覆盖整个小区,其中每个波束都需要配置PSS、SSS和PBCH,且必须同时发送,以便UE实现下行同步,如图1-1所示。因此,NR中将PSS、SSS和PBCH统称为SSB。一般情况下,SSB也称为SS/PBCH块SS/PBCH Block)或同步信号块Synchronization Signal Block[3]

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图1-1. 波束扫描示意图 [2]
 

NR中,SSB的作用主要有两个 [3]


2. SSB时频结构

时域上,每个SSB由4个连续的OFDM符号组成,OFDM符号在SSB内按照升序从0 ~ 3编号;频域上,每个SSB由240个连续的子载波(即20个RB)组成,子载波在SSB内按照升序从0 ~ 239编号,如下图2-1所示。

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图2-1. SSB时频结构(TS 38.300 Figure 5.2.4-1 [1])

 

3GPP还定义了PSS、SSS、PBCH和PBCH DM-RS在SSB内的资源映射,如下表2-1所示。

表2-1. SSB内PSS、SSS、PBCH和PBCH DM-RS的资源配置(TS 38.211 Table 7.4.3.1-1 [4])

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我们来解读一下上表2-1。需要注意的是表2-1中 l l l表示OFDM符号的编号, k k k表示子载波的编号,这都是SSB内的编号,是相对SSB的起始点而言,而非在整个资源网格上的绝对编号。


3. SSB时域位置

3.1 SSB周期

与LTE中PSS/SSS的传输周期固定为5 ms不同,NR中SSB的传输周期从5 ms到160 ms不等。NR中,SSB的周期可以配置为5 ms、10 ms、20 ms、40 ms、80 ms和160 ms,由高层参数ssb-periodicityServingCell给出。但是,当UE在进行初始小区搜索,以及在空闲状态下作小区搜索以作移动时,UE可以假设SSB的传输周期为20 ms。这样,UE就可以知道在某个频率上搜索SSB需要停留的时间。如果UE在这段时间内没有搜索到PSS/SSS,则UE会转换到同步栅格上的下一个频率上继续搜索 [3]


注释:

较长的SSB周期可以使基站处于深度睡眠状态,从而可以达到降低基站功耗以节能的目的,也有利于节约OFDM符号等系统开销。缺点是会导致UE长时间停留在某个频率上以搜索SSB,即会增加UE开机后的搜索复杂度及搜索时间。

但是,SSB周期的增加不一定会影响用户的体验,一是因为现在终端的开关机频次较低,开机搜索复杂度和时间的适当增加并不一定会严重影响用户的体验;二是NR使用了比LTE更稀疏的同步栅格,这在一定程度上抵消了由于SSB周期增加所导致的搜索复杂度的增加。

在实际网络部署的时候,可以根据基站类型、业务类型等设置SSB周期。例如,宏基站覆盖范围大,接入用户多,因此可以设置较短的SSB周期以便快速同步和接入;而微基站覆盖范围小,接入用户少,因此可以设置较长的SSB周期以节约系统开销和基站功耗。再例如,对于时延要求高的uRLLC业务,可以设置较短的SSB周期;而对于时延要求不高的mMTC业务,则可以设置较长的SSB周期 [3]


3.2 SSB突发集合

NR中,SSB通过波束扫描的方式传输,即通过时分复用的方式在不同的波束上传输SSB。一个波束扫描内SSB的集合就称作SSB突发集合(SS Burst Set)。需要指出的是,上面3.1节所说的SSB周期其实是指SSB突发集合的传输周期。但在每个SSB周期内,SSB突发集合总是被限制在5 ms的时间间隔内,要么在每个帧的第一个半帧内,要么在每个帧的第二个半帧内,如下图3-1所示 [5]

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图3-1. SSB突发集合(Figure 16.2 [5])

注释:

SSB突发集合这一术语源于3GPP早期的讨论。在3GPP早期讨论中,假设SSB组成SSB突发,而SSB突发又组成SSB突发集合。但是,中间的SSB突发这一术语最终并未被使用,而SSB突发集合这一术语被保留了下来 [5]


3.3 SSB图样

每个SSB突发集合内的最大SSB数因频带不同而不同。SSB在每个SSB突发集合(长度为半帧)内可能的位置(因此此处的SSB称作候选SSB),即SSB图样(Pattern),具体有如下A、B、C、D、E共5种情况 [6]

3.3.1 Case A

Case A中,子载波间隔(Sub-carrier Spacing,SCS)为15 kHz,即SCS=15 kHz,候选SSB的第一个符号在其所在半帧中的索引为 { 2 , 8 } + 14 × n \{2,8\} + 14 \times n {2,8}+14×n,如下图3-2所示(注意,该处的索引是指OFDM符号在半帧中的索引,范围为 0 0 0 ~ 5 × N s l o t s u b f r a m e , μ × N s y m b s l o t − 1 5 \times N_{\rm slot}^{\rm subframe,\mu} \times N_{\rm symb}^{\rm slot}-1 5×Nslotsubframe,μ​×Nsymbslot​−1):

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图3-2. Case A(参考文献[3]中图5-4)
 

我们来解读一下Case A。我们知道每个半帧由5个长度为1 ms的子帧组成。当SCS=15 kHz时,每个子帧由1个时隙组成,而每个时隙又由14个OFDM符号组成。因此,当SCS=15 kHz时,每个子帧由14个OFDM符号组成。所以,当 n = 0 , 1 n=0,1 n=0,1时,索引 { 2 , 8 } + 14 × n \{2,8\} + 14 \times n {2,8}+14×n正好落在子帧0和子帧1的OFDM符号索引范围内,且位于这些子帧的OFDM符号2和OFDM符号8上。以此类推,当 n = 0 , 1 , 2 , 3 n=0,1,2,3 n=0,1,2,3时,索引 { 2 , 8 } + 14 × n \{2,8\} + 14 \times n {2,8}+14×n正好落在子帧0、1、2、3的OFDM符号索引范围内,且位于这些子帧的OFDM符号2和OFDM符号8上。

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通过观察可以发现,Case A中,候选SSB所在时隙的OFDM符号0、1、6、7、12、13并未用于SSB。这样的设计主要是考虑到PDCCH和PUCCH的传输,以及与SCS=30 kHz的数据和控制信道共存 [3]

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图3-3. SCS=15 kHz和SCS=30 kHz的时隙结构(参考文献[3]中图5-5)
 

由于NR允许SSB与数据和控制信道使用不同的SCS,这样的设计可以保证,无论数据及其相应的控制信道使用的是SCS=15 kHz还是SCS = 30 kHz,都可以最大程度降低由于SSB的传输导致的对数据传输的影响 [3]

3.3.2 Case B

Case B中,SCS=30 kHz,候选SSB的第一个符号在其所在半帧中的索引为 { 4 , 8 , 16 , 20 } + 28 × n \{4,8,16,20\} + 28 \times n {4,8,16,20}+28×n,如下图3-4所示:

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图3-4. Case B(参考文献[3]中图5-6)
 

和Case A类似,可以参考下面的注释来理解Case B,在此我们不再赘述。不同的是,当SCS=30 kHz,每个子帧由28个OFDM符号组成。

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通过观察可以发现,Case B中,偶数时隙的的前4个和后2个OFDM符号,奇数时隙的前2个和后4个OFDM符号未用于SSB。这样的设计主要是考虑到PDCCH和PUCCH的传输(如上所述,不再赘述),以及与SCS = 15 kHz的数据和控制信道共存 [3]

为保证与SCS= 15 kHz的数据和控制信道共存,这些OFDM符号不能用于传输SSB。

3.3.3 Case C

Case C中,SCS=30 kHz,候选SSB的第一个符号在其所在半帧中的索引为 { 2 , 8 } + 14 × n \{2,8\} + 14 \times n {2,8}+14×n,如图3-5所示:


注释:

TDD下,载波频率界限一直在变。3GPP TS 38.213从v15.3.0版本开始,该界限从3 GHz调整为2.4 GHz。但是v16.2.0版本,该界限又调整为了2.3 GHz,而到了v16.3.0版本又调整为了1.88 GHz。


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图3-5. Case C(参考文献[3]中图5-7)
 

和Case A类似,可以参考下面的公式来理解Case C,在此我们不再赘述。

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通过观察可以发现,Case C中,候选SSB所在时隙的OFDM符号0、1、6、7、12、13未用于SSB。这样的设计主要是考虑到PDCCH和PUCCH的传输(如上所述,不再赘述),以及与SCS = 60 kHz的数据和控制信道共存。即SCS=30 kHz的OFDM符号6对应SCS=60 kHz的OFDM符号12、13,而SCS=30 kHz的OFDM符号7对应SCS=60 kHz的OFDM符号0、1,需分别传输PUCCH和PDCCH [3]

3.3.4 Case D

Case D中,SCS=120 kHz,候选SSB的第一个符号在其所在半帧中的索引为 { 4 , 8 , 16 , 20 } + 28 × n \{4,8,16,20\} + 28 \times n {4,8,16,20}+28×n,如下图3-6所示:

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图3-6. Case D(参考文献[3]中图5-8)
 

和Case A类似,可以参考下面的公式来理解Case D:

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Case D共占用16个时隙对(1个时隙对包含2个时隙,共28个OFDM符号),每个时隙对包含4个SSB。4个时隙对为一组,等于1个子帧,每组之间间隔1个时隙对 [3]

通过观察可以发现,和Case B类似,Case D中,偶数时隙的的前4个和后2个OFDM符号,奇数时隙的前2个和后4个OFDM符号未用于SSB。这样的设计主要是考虑到PDCCH和PUCCH的传输,以及与SCS = 60 kHz的数据和控制信道共存,在此不再赘述 [3]

3.3.5 Case E

Case E中,SCS=240 kHz,候选SSB的第一个符号在其所在半帧中的索引为 { 8 , 12 , 16 , 20 , 32 , 36 , 40 , 44 } + 56 × n \{8,12,16,20,32,36,40,44\} + 56 \times n {8,12,16,20,32,36,40,44}+56×n,如图3-7所示:

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图3-7. Case E(参考文献[3]中图5-9)
 

和Case D类似,可以参考下面的公式来理解Case E:

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Case D共占用8个时隙组(1个时隙组包含4个时隙,共56个OFDM符号),每个时隙组包含8个SSB。4个时隙组为一组,等于1个子帧,每组之间间隔1个时隙组 (注:时隙组为我个人为方便表达所定义,实际并无此术语)。

通过观察可以发现,Case E中,每个时隙组的前8个OFDM符号和后8个OFDM符号未用于SSB,这主要是为了与SCS=60 kHz的数据和控制信道共存。即SCS=240 kHz的每个时隙组的前8个OFDM符号和后8个OFDM符号分别对应SCS=60 kHz的OFDM符号0、1和12、13,如下图3-8所示。而每个时隙组中偶数时隙的前4个OFDM符号和奇数时隙的后4个OFDM符号未用于SSB,这主要是为了与与SCS=120 kHz的数据和控制信道共存。即SCS=240 kHz的每个时隙组中偶数时隙的前4个OFDM符号和奇数时隙的后4个OFDM符号分别对应SCS=120 kHz的OFDM符号0、1和12、13,如下图3-8所示。

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图3-8. SCS=60 kHz、SCS=120 kHz和SCS=240 kHz的时隙结构(参考文献[3]中图5-10)
 

下表3-1对Case A ~ Case E进行了总结。表3-1总结了在不同载波频率和SCS情况下,候选SSB在每个半帧内起始OFDM符号的索引。需要注意的是,下表3-1中的“s”(红色部分)表示候选SSB在每个半帧内起始OFDM符号的索引。

表3-1. 不同载波频率和SCS情况下,候选SSB在每个半帧内起始OFDM符号的索引 [7]

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下图3-9是SCS = 15 kHz,载波频率介于3 GHz ~ 6GHz情况下的例子。
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图3-9. SSB周期、SSB突发集合及SSB图样示意图(Case A) [8]
 

下图3-10展示了一个子帧范围内Case A ~ CaseE之间的区别和联系。从图3-10可以看出,每个时隙的最前面和最后面2个OFDM符号都不能用于SSB,这主要是为了数据和控制信道传输PDCCH和PUCCH
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图3-10. 不同SCS下的SSB时域位置(参考文献[9]中Figure 4.32)
 

3.4 激活SSB

SSB图样给出的是在SSB突发集合内,SSB可能的候选位置以及SSB的最大值 L m a x L_{\rm max} Lmax​。实际激活的SSB的数量可以小于 L m a x L_{\rm max} Lmax​。基站通过系统消息SIB1或UE专用的RRC信令的高层参数ssb-PositionsInBurst通知给UE具体是哪些SSB被激活使用 [3]

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图3-11. ServingCellConfigCommonSIB信令 [8]
 

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图3-12. inOneGroup和groupPresence图示 [8]
 

上图3-12中, g r o u p P r e s e n c e = { 1   0   1   0   0   0   0   0 } groupPresence=\{1 ~ 0 ~ 1 ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0 ~ 0\} groupPresence={1 0 1 0 0 0 0 0}, i n O n e G r o u p = { 1   1   0   0   0   0   0   0 } inOneGroup=\{1~1~0~0~0~0~0~0\} inOneGroup={1 1 0 0 0 0 0 0},表示索引为0和2的SSB组(对应的SSB集合分别为 { 0   1   2   3   4   5   6   7 } \{0~1~2~3~4~5~6~7\} {0 1 2 3 4 5 6 7}和 { 16   17   18   19   20   21   22   23 } \{16~17~18~19~20~21~22~23\} {16 17 18 19 20 21 22 23})中的第1个和第2个SSB被使用,即索引为0、1、16、17的SSB被使用。

图3-13. ServingCellConfigCommon信令 [8]
 

需要注意的是,两种方式应该一致,即ServingCellConfigCommonSIB中的ssb-PositionsInBurst应该和ServingCellConfigCommon中的ssb-PositionsInBurst指示使用的SSB应一致。


注释:

SSB突发集合内的SSB数量与天线的波束宽度密切相关。天线发射的波束越窄,需要配置的SSB数量越多,而波束的宽度与载波频率和天线增益有关。对于定向天线,频率越高、增益越大、波束越窄,因此需要配置的SSB数量越多。宏基站需要通过较大的天线增益和较窄的波束实现较大的覆盖范围,因此需要配置的SSB数量较多;而微基站由于覆盖范围较小,波束较窄、波束较少,因此配置的SSB数量也较少。波束数量较多的优点是可以通过波束扫描获得较大的覆盖增益,缺点是增加了系统复杂性和开销;波束较少的情况则相反。

对于配置了载波聚合的小区,SSB的数量还与小区类型有关。由于UE是在主服务小区(PCell)上进行小区搜索和随机接入,为了较少系统开销,辅小区可以不配置SSB,UE通过同一组小区内的主服务小区或主辅服务小区(PSCell)的SSB获得时间和频率同步。

另外,SSB的数量还和时隙配置有关,这是因为SSB只能配置在下行符号上 [3]


4. SSB频域位置

频域上,SSB的子载波0相对公共资源块(Common Resource Block,CRB) N C R B S S B N_{\rm CRB}^{\rm SSB} NCRBSSB​的子载波0偏移了 k S S B k_{\rm SSB} kSSB​个子载波(The quantity k S S B k_{\rm SSB} kSSB​ is the subcarrier offset from subcarrier 0 in common resource block N C R B S S B N_{\rm CRB}^{\rm SSB} NCRBSSB​ to subcarrier 0 of the SS/PBCH block[4],如下图4-1所示。这里的CRB N C R B S S B N_{\rm CRB}^{\rm SSB} NCRBSSB​就是Point A部分提到的与SSB重叠的最低的公共资源块(the lowest resource block, which overlaps with the SS/PBCH block used by the UE for initial cell selection)。 N C R B S S B N_{\rm CRB}^{\rm SSB} NCRBSSB​的值通过高层参数offsetToPointA获得,并以RB为单位来表示 [4]

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图4-1. SSB频域位置示意图-1
 

从上图4-1可以看出,SSB与资源网格之间不一定完全对齐,之间错开了 k S S B k_{\rm SSB} kSSB​个子载波(注意单位是子载波,子载波间隔由所属频率范围决定,详见下面SSB type部分内容)。这是因为NR的数据信道和同步信道可以使用不同的子载波间隔配置。因此,SSB子载波0与Point A(即CRB 0的子载波0)之间偏移了 N C R B S S B × 12 × C R B 的 子 载 波 间 隔 单 位 + k S S B × k S S B 的 子 载 波 间 隔 单 位 N_{\rm CRB}^{\rm SSB} \times 12 \times CRB的子载波间隔单位+ k_{\rm SSB} \times k_{\rm SSB}的子载波间隔单位 NCRBSSB​×12×CRB的子载波间隔单位+kSSB​×kSSB​的子载波间隔单位 kHz。

上图4-1中的SSB type A和SSB type B的定义如下 [4]

如果ssb-SubcarrierOffset没有给出, k S S B k_{\rm SSB} kSSB​可以从SSB和Point A之间的频率差推断出来 [4]。有关Point A、CRB N C R B S S B N_{\rm CRB}^{\rm SSB} NCRBSSB​、 k S S B k_{\rm SSB} kSSB​之间的关系,可参考 [10] ~ [12]

上面的描述只是为了说明SSB在频域上的相对位置,即SSB和CRB N C R B S S B N_{\rm CRB}^{\rm SSB} NCRBSSB​及Point A的相对位置。实际上,NR定义了同步栅格,用于指示SSB在频域上的绝对位置,如下图4-2所示。关于同步栅格,请参考 [13]

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图4-2. SSB频域位置示意图-2 [10]
 

得到了SSB的频域位置,我们就可以根据上述的相对位置关系反推出Point A的位置,具体可以参考 [12] [14]

参考文献

[1]: 3GPP TS 38.300, NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2 [2]: http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_SS_Block.html [3]: 5G NR物理层规划与设计 [4]: 3GPP TS 38.211, NR; Physical channels and modulation [5]: 5G NR: the Next Generation Wireless Access Technology [6]: 3GPP TS 38.213, NR; Physical layer procedures for control [7]: http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_FrameStructure.html#SS_PBCH_FrequencyDomainResourceAllocation [8]: https://howltestuffworks.blogspot.com/search?q=SSB [9]: 5G NR: Architecture, Technology, Implementation, and Operation of 3GPP New Radio Standards [10]: https://blog.csdn.net/wowricky/article/details/102986189 [11]: https://blog.csdn.net/kakamilan/article/details/97616321 [12]: http://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_ResourceBlockIndexing.html [13]: https://blog.csdn.net/Graduate2015/article/details/118736654 [14]: https://blog.csdn.net/travel_life/article/details/110038572?spm=1001.2014.3001.5501

标签:kHz,OFDM,符号,rm,5G,NR,SCS,SSB
来源: https://blog.csdn.net/Graduate2015/article/details/118613213