NR初始接入流程分析

黃韜 魏垚 詹文浩

【摘? 要】小區搜索、小區同步、系統消息獲取是NR終端與NR網絡進行通信前必須經歷的關鍵過程，NR中引入了許多新的特性，設計上十分靈活。根據3GPP TS38系列協議技術規范，通過與LTE進行對比，重點分析了NR小區搜索、NR小區同步和NR系統消息的獲取流程，分享5G標準化的最新成果。

【關鍵詞】NR小區搜索;NR小區同步;NR小區系統消息獲取

中圖分類號：TN915.04

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0031-06

[Abstract]?Cell search， cell synchronization and system message acquisition are the key processes before NR terminals communicate with NR networks. Many new features are introduced into NR that make design flexible. According to the technical specification of 3GPP TS38 series protocol， by comparison of LTE， NR cell search， NR cell synchronization and NR system message acquisition are analyzed. The latest achievements on 5G standardization are shared.

[Key words]NR cell search; NR cell synchronization; NR system message acquisition

1? ?引言

NR作為第五代移動通信技術，支持eMBB、uRLLC和mMTC三大類型業務，為了能夠滿足各種不同的業務需求，NR在設計上十分靈活。小區搜索與同步、系統消息獲取作為NR終端與NR網絡進行通信前必須經歷的關鍵過程，其設計與LTE相比有一些相同之處，但在LTE基礎上進行了優化并引入了許多新的特性。NR中引入了SSB概念，將同步信號與廣播信道捆綁發送，加快了UE與小區進行同步和駐留的速度;NR中PCI的數量提升為LTE中PCI的兩倍，以應對未來5G基站設備小型化后PCI干擾多的問題;NR中系統消息的調度上也較LTE有更多的選擇。文章先分析NR的廣播信道，再以LTE的初始接入為基礎，結合NR新的特性分析終端在NR小區開機之后的一系列流程，主要包括NR小區搜索與同步、NR系統消息獲取兩部分。

2? ?NR同步信號與廣播信道設計

2.1? SSB定義

為輔助小區搜索，LTE和NR中的下行鏈路都會傳輸2個特殊的信號，PSS（Primary Synchronization Signal，

主同步信號）和SSS（Secondary Synchronization

Signal，輔同步信號）。

在LTE系統中，PSS、SSS和MIB消息按各自的周期獨立傳輸。而在NR系統中，NR的PSS、SSS與PBCH（Physical Broadcast Channel，物理廣播信道）將組成一個SSB（SS/PBCH Block，同步/廣播塊）捆綁傳輸[1]，可以加快UE開機后與小區進行同步并獲取小區系統消息的速度。

2.2? SSB頻域位置

在LTE系統中，一個載波的帶寬最大為20 MHz，其PSS、SSS和PBCH信道占用載波中心頻率的72個子載波[2]，而載波中心頻率位于100 kHz channel raster的整數倍上，UE在開機之后以channel raster 100 kHz的間隔搜索，直到檢測到PSS和SSS，最終完成與LTE小區的頻率同步、符號同步和幀同步。

在NR系統中，一個載波的帶寬最大為100 MHz（低頻）或400 MHz（高頻），遠大于LTE的最大載波帶寬。UE如果按照LTE中以channel raster 100 kHz的間隔進行同步信號的搜索，UE與小區同步的時延將會很大。所以在NR系統中引入了synchronization raster的概念，SSB在頻域上的位置放置于synchronization raster的整數上，低頻段時可能會有一些偏移，UE將以synchronization raster的間隔進行同步信號的搜索。當載波頻段處于0 GHz～3 GHz時，synchronization raster為1.2 MHz，SSB相對于synchronization raster的偏移可能為50 kHz、150 kHz和250 kHz;當載波頻段處于3 GHz～24.25 GHz時，synchronization raster為1.44 MHz[3];當載波頻段處于24.25 GHz～100 GHz時，synchronization raster為17.28 MHz[4]。GSCN（Global Synchronization Channel Number，全球同步柵格信道號）頻點號對應的synchronization raster由表2給出：

2.3? SSB時域位置

在LTE系統中，FDD制式下PSS和SSS在子幀0和子幀5發送，周期為5 ms;TDD制式下PSS在子幀1和子幀6發送，SSS在子幀0和子幀5發送，周期為5 ms;FDD制式和TDD制式的MIB周期都為40 ms[5]。

在NR系統中，SSB將以一個半幀5 ms為單位，進行周期發送，包含SSB的半幀周期可為{5 ms， 10 ms， 20 ms， 40 ms， 80 ms， 160 ms}[6]。一個半幀中SSB可以重復多次發送，最大的重復次數為L次。L的值由NR載波所在的頻段決定，SSB的索引記作0到L-1：

3? ?NR小區搜索與同步流程

3.1? 獲得小區PCI

由于NR頻段高于LTE頻段，NR室外宏基站覆蓋室內的效果將不如LTE。所以對于NR室內覆蓋，可能會使用大量室內小基站進行覆蓋。在NR設計時，基站不同PCI的數量從LTE中的504個提升到了1 008個。PCI集合被進一步分為336個小區標識群，對應336個SSS序列。每個標識群包含3個小區標識，對應3個PSS序列。當UE接收到其中一個SSB時，首先可以通過檢測PSS和SSS序列獲得序列對應PSS和SSS的值，再通過公式NIDcell=3NID? ?（1）+NID? ? （2）獲得小區的PCI，其中PSS的值對應NID? ? （2）∈{0，1，2}，SSS的值對應NID? ? （1）∈{0，1，……，335}。

3.2? 獲得小區同步

UE在獲得小區PCI之后，就可以獲得PBCH信道的DMRS頻域的偏移v=NIDcellmod4，知道DMRS的頻域位置信息從而完成對PBCH信道的解調。MIB消息中攜帶了6 bits的SFN（System Frame Number，系統幀號）信息，而SFN一共10 bits，UE需要獲得剩下4 bits信息才能夠得到SFN。

在NR中，MIB傳輸塊在到達物理層之后，在進行編碼時將會增加額外8 bits與定時相關的有效載荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7[8]。其中，有效載荷的低

4 bits，即α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3對應SFN的4個LSB，與MIB消息中攜帶的SFN的6個MSB一起組成系統幀號。

有效載荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7中α-A-+4對應半幀位，指示攜帶SSB的半幀為一個幀的前半幀或后半幀。

為了獲得與小區完整的時間同步，UE還需要知道自己接收到的SSB在一個半幀中的具體位置。SSB索引信息的獲取方式與一個半幀中SSB的最大數量L相關：

（1）當L=64時，SSB索引為6 bits，有效載荷α-A-，α-A-+1，α-A-+2，α-A-+3，…，α-A-+7中高3 bits，即α-A-+5，α-A-+6，α-A-+7對應SSB索引的3個MSB，SSB索引剩下的3個LSB和PBCH中DMRS序列的索引成一一映射關系。

（2）當L=8時，SSB索引為3 bits，通過與PBCH中DMRS序列索引之間的映射關系獲得，此時α-A-+5對應kSSB的MSB，α-A-+6，α-A-+7保留。

（3）當L=4時，SSB索引為2 bits，通過與PBCH中DMRS序列索引之間的映射關系獲得，此時α-A-+5對應kSSB的MSB，α-A-+6，α-A-+7保留。

在獲得SSB的ID之后，UE將能獲得該SSB距離半幀起始OFDM符號的距離，SSB的時域位置信息已在本文第2.3章節描述。至此，UE已獲得小區的頻率同步、符號同步和幀同步，完成與小區的同步過程。

3.3? 獲取MIB消息

NR小區MIB消息的獲取主要在于搜索到相應的SSB信息，SSB的時頻位置信息已在本文第2.3節中描述。

3.4? 獲取SIB1消息

UE在完成小區同步并獲得MIB消息之后，還需要獲得一些其他必須的系統消息，以駐留小區并能夠發起隨機接入。在NR系統中，這些其他必須的系統消息在物理層稱為RMSI（Remaining Minimum System Information，剩余最小系統消息），同時在RRC層稱為SIB1消息。

UE通過MIB消息獲得承載SIB1調度的PDCCH信道信息，在PDCCH上進行盲檢獲得SIB1的PDSCH占用的時頻資源等信息。在NR中，PDCCH信道也稱為CORESET（Control Resource Set，控制資源集）。承載SIB1調度信息的PDCCH信道為CORESET 0，對應的搜索空間為公共搜索空間Type0 CSS（Common Search Space，公共搜索空間）。CORESET 0的時頻資源和SSB的時頻資源存在3種復用方式，如圖3所示。

與LTE中SIB1采用固定的PDCCH和固定的搜索空間不同，NR中通過MIB消息中8 bits的pdcch-ConfigSIB1參數指示CORESET 0相關的配置信息[6]：

（1）pdcch-ConfigSIB1的高4 bits指示CORESET 0占用的RB數和OFDM符號數、SSB和CORESET 0的復用方式以及CORESET 0的起始RB和SSB的起始RB之間的頻域偏移。

（2）pdcch-ConfigSIB1的低4 bits指示Type0 CSS的相關參數配置。

在NR中頻域上可以放置多個SSB，但只有一個SSB會攜帶CORESET 0，這個SSB也稱為Cell-defining SSB（其他SSB只用于終端進行測量，所以不需要攜帶CORESET 0）。Cell-defining SSB所在的資源塊在頻域上的位置由SIB1中的offsetToPointA參數指示[6]。

在頻域上，SSB所在的位置遵從Synchronization Raster，而小區載波中心頻率所在的位置遵從Channel Raster。所以SSB子載波0的頻域位置和子載波0的頻域位置可能存在偏移，MIB中使用4 bits的ssb-SubcarrierOffset參數用來表示這個偏移，也稱作kSSB。

對于6 GHz以下頻段，kSSB取值為0～23個子載波，子載波間隔為15 kHz，但MIB中4 bits的信息只能支持0～15的取值范圍，此時還需要3.2節提到的有效載荷中α-A-+5來輔助，構成5 bits的kSSB信息，可支持0～31的取值范圍。對于6 GHz以上頻段，kSSB取值為0～11個子載波，子載波間隔為60 kHz。

kSSB除了指示偏移外還有另一個作用。因小區中只有一個SSB攜帶了CORESET 0，UE會根據kSSB的值判斷該SSB是否包含CORESET 0，并進行不同的行為：

（1）6 GHz以下頻段0≤kSSB≤23或6 GHz以上頻段0≤kSSB≤11時，則表示當前SSB包含CORESET 0。

（2）6 GHz以下頻段kSSB>23或6 GHz以上頻段kSSB>11時，則表示當前SSB不包含CORESET 0。

（3）當UE發現該SSB不攜帶CORESET 0時，將在最近的GSCN上搜索下一個SSB，查看是否存在CORESET 0。6 GHz以下頻段24≤kSSB≤30或6 GHz以上頻段12≤kSSB≤14時，下一個SSB對應的GSCN頻點為+。其中，為當前SSB的GSCN頻點，為下一個GSCN頻點偏移，的值由kSSB和MIB消息中8 bits的pdcch-ConfigSIB1共同決定。如果UE在第二個SSB上還是沒有獲得CORESET 0，則UE停止搜索其他GSCN。

（4）6 GHz以下頻段kSSB=31或6 GHz以上頻段kSSB=15時，則表示該SSB所在的[-， +]這一段GSCN范圍內的所有SSB都不攜帶CORESET 0。其中，和分別對應pdcch-ConfigSIB1的4 bits MSB和4 bits LSB。

（5）UE在一段時間內（由UE決定）沒有搜索到包含CORESET 0的SSB時，則UE在小區搜索中忽略與SSB位置相關的GSCN信息。

3.5? 獲取其他SIB消息

在NR系統中，其他SIB消息也稱為OSI（Other SI，其他系統消息）。NR定義了從SIB2至SIB9一共8種其他SIB消息。MIB消息、SIB1消息和其他SIB消息的作用由表5給出[9]。

與LTE中其他SIB消息只能通過SIB1獲取不同，NR中其他SIB消息的獲取方式有兩種。第一種方式和LTE中一致，其他SIB消息為小區廣播的，調度信息由SIB1指示。第二種方式則是通過專用的方式提供的，可以由網絡觸發也能通過UE觸發，主要是為了給RRC_IDLE態和RRC_INACTIVE態的UE使用。

4? ?結束語

本文介紹NR中廣播信道的結構，以LTE的初始接入為基礎，對比分析NR小區搜索流程，包括獲得小區PCI和獲得小區同步，再結合NR新特性分析NR小區系統消息的獲取流程，包括MIB消息、SIB1消息和其他SIB消息的獲取。由于NR設計的十分靈活，從SSB的發送方式到系統消息的參數配置都存在多種情況，在實際部署中，需要根據實際環境和需要從中選擇一套合理的參數配置。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 38.211. Physical channels and modulation V15.3.0[S]. 2018.

[2] 朱敏，堵久輝，嫪慶育，等. 4G移動通信技術權威指南LTE與LTE-Advanced[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2015： 238-240.

[3]? 3GPP TS 38.101-1. User Equipment （UE） radio transmission and reception Part 1： Range 1 Standalone V15.3.0[S]. 2018.

[4]? 3GPP TS 38.101-2. User Equipment （UE） radio transmission and reception Part 1： Range 2 Standalone V15.3.0[S]. 2018.

[5] 3GPP TS 36.211. Physical channels and modulation V14.1.0[S]. 2016.

[6] 3GPP TS 38.331. Radio Resource Control （RRC） protocol specification V15.3.0[S]. 2018.

[7] 3GPP TS 38.213. Physical layer procedures for control V15.3.0[S]. 2018.

[8] 3GPP TS 38.212. Multiplexing and channel coding V15.3.0[S]. 2018.

[9] 3GPP TS 38.300. NR and NG-RAN Overall Description V15.3.0[S]. 2018.