[4G&5G专题-36]：物理层-同步信号块SSB与小区主同步PSS、小区辅同步SSS

手机终端，通过小区搜索过程，从基站小区提供的广播信号和信道中获取了基站的时频资源在频域、时域的位置以及小区时频资源的分配关系，即小区信息。
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：主同步信号PSS、辅同步信号SSS、小区参考信号CRS、物理广播信道PBCH，但这个这四个“部门”是在时频资源的组织上，它们是相互独立的、相互隔离的。

在这里插入图片描述

在5G NR中，把这4个与小区同步相关的信号、信道所对应的时频资源，结构化的组织了在一起，形成一个新的资源块，称为同步信号块SSB。
LTE小区参考信号CRS被解调参考信号DMRS所替代，CRS是小区级别的，而DMRS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。

本文重点阐述，同步信号块SSB：

（1）SSB内部的结构与所包含的信道、信号

（2）无线信道、信号所在的时频资源

（3）无线信道、信号中发送内容（即所起的作用）

1.3 同步信号块SSB的来源和背景

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，主要原因是：

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。
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。
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。

因此，理解上述的技术背景，有助于理解5G的同步与4G的同步在设计上的差别。

1.4 理解本文的的所需要的前序知识

[4G&5G专题-34]：物理层-浅谈m序列的原理以及在NR PSS中的应用

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第2章 5G NR SSB内在的基本结构

2.1 SSB同步块的信道、信号组成结构

SSB：包含多个不同的同步信号、同步信道的无线资源的资源块。

其中包括：3个物理层的信号、1个物理层的信道。

（1）主同步信号PSS：10ms帧同步以及物理小区ID的第1个部分
（2）辅同步信号SSS：物理小区ID号的第2个部分
（3）信道参考信号：DMRS，用来替代小区参考信号CRS
（4）物理广播信道PBCH：MIB信息

2.2 SSB同步块的时频资源组成结构

（1）时域

SSB在时域上共占用4个OFDM符号，编号为0,1,2,3；

（2）频域

频域共占用240个子载波(20个PRB)，子载波编号为0~239。

PSS：位于符号0的中间127个子载波；
SSS：位于符号2的中间127个子载波；
保护带：为了保护PSS、SSS，它们的两端分别有一定数量的空闲子载波。
PBCH：位于符号1、2、3，其中符号1/3上占0~239所有子载波，符号2上占用除去SSS占用子载波及保护SSS的空闲子载波以外的所有子载波。
DMRS：位于PBCH内部，是PCHB信道内的参考信号。

第3章 5G NR SSB内容的解读

3.1 物理小区ID PCI

（1）什么是物理小区ID

PCI全称Physical Cell Identifier，即物理小区标识，LTE中终端以此区分不同小区的无线信号。在小区PPS/SSS信道之外的其他信道上数据的发送，都会用此物理小区标识进行加扰，可以说小区标识是对于进出小区的数据进行初步的身份标识的一种手段，避免不是小区的数据进入小区，避免干扰信号被当成小区信号！！！有点类似小区的通行证，只有持有小区通信证的载波数据，才会被基站的小区认可。

现实组网不可避免要对PCI 进行复用，可能造成相同 PCI 由于复用距离过小产生冲突（PCI 冲突），因此相邻同同频小区，要避免使用相同的PCI。

PCI规划（物理小区ID规划）的目的就是为每个eNB小区合理分配PCI，确保同频同PCI的小区下行信号之间不会互相产生干扰，避免影响手机正确同步和解码正常服务小区的导频信道。

（2）物理小区ID的组成

在4G和5G中，把物理小区ID号分成N个组，组号记为N(1)_ID，在每个组内有分为组内标识，记着N(2)_ID。

4G LTE系统的PCI 号被分成N(1)_ID=168个组，每个组包括N(2)_ID=3个不同的组内标识，一共提供168*3=504个标识。

5G LTE系统的PCI 号被分成N(1)_ID=336个组，每个组包括N(2)_ID=3个不同的组内标识，一共提供336*3=1008个标识。

因此，物理小区ID（记为Ncell_ID）可以通过下面的公式计算得到：

其中，

物理小区PCI组内3种标识N(2)_ID通过主同步序列PSS来承载，

1008种组号N(1)_ID通过辅同步序列SSS来承载。

3.2 主同步信号m/zc序列PSS的内容

（1）PSS承载的数据信息：物理小区PCI组内3种标识N(2)_ID

PhyCellId

（2）PSS的同步序列

3种不同的用于同步的二进制序列：m序列

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3.3 辅助同步序列SSS的内容

（1）SSS承载的数据信息: 物理小区PCI id的N(1)_ID部分。

（2）辅助同步序列: m序列

N种不同的用于同步的二进制序列：m序列

备注：

LTE的辅同步序列SSS承载的数据为：168种组号N(1)_ID

NR的辅同步序列SSS承载的数据为： 336种组号N(1)_ID

3.4 物理小区广播信道PBCH

（1）5G PBCH信息的长度：32 Bits

（2）5G PBCH信息的来源

由RRC层提供的小区信息 (L3的MIB: Master system information block）
物理层自身提供信息（L1的同步）

（3）5G PBCH信息的内容

10ms系统帧号SFN （高位MSB, 低位LSB）
5ms半帧号0或1
SSB波束索引号：有两部分组成，低位部分在DMRS中承载，高位部分在PSS中承载。
SIB1的位置
信道参考信号的类型

关于PBCH相对比较独立，详细内容也比较多，下一篇文中探讨。

3.5 小区参考信号CRS的内容（4G only）

3.6 解调参考信号DMRS的内容（5G only）

后续文章，单独讨论。

第4章信号、信到的编码、调制方式

4.1 xPSK调制星座图

PSK调制，是指幅度恒定、频谱恒定、相位可变的一种数字调制方式。

如上图QPSK，每个幅度一致，频率相同的、相位不同的符号代表2个比特。

4.2 不同信号、信号的调制方式

（1）PSS：二进制m序列

调制：BPSK

（2）SSS：二进制m序列

调制：BPSK

（3）PBCH：

编码：Polar码
调制：QPSK

（4）DMRS：

调制：QPSK

第5章 SSB在整个时频资源中的位置

5.1 LTE PSS/SSS在频域上的位置

PSS和SSS信号在时频资源上的位置是固定的，位于小区中心频点的72个子载波上，即中心的6个RB上。

其中，不包含中心频点DC（DC其实也占用了一个Sc，因此对于更底层来说准确的应该是73）

5.2 5G SSB在频域上的位置

5G的SSB，占用20PBR的时频资源，其在整个带宽的时频资源上的位置，并不是固定的，主要原因如下：

5G单个物理小区的带宽非常大，可以到400M，子载波的个数增加了几十倍。
5G支持部分带宽BWP，不同终端，带宽不同，其中心频点的位置也不完全相同。
5G支持波束赋行，最大支持64个波束，不同的波束需要各自的SSB同步块。

有两个可配置参数，共同决定了SSB的在频域上的位置：

offset-ref-low-scs-ref-PRB：决定了 $N_{SSB}^{CRB}$ 的位置
Kssb：决定了SSB相对于 $N_{SSB}^{CRB}$ 的位置

5.3 LTE 同步信号在时域上发送周期的定义

PSS的周期：固定的5ms

SSS的周期：固定的5ms

PBCH的周期：固定的10ms

5.4 NR SSB同步块在时域上发送周期的定义

PSS/SSB/PBCH是一起的，因此它们的发送周期是相同的。

SSB的发送周期是发送周期可以定制的。
SSB默认的发送周期是20ms。
一个发送周期内连续发送的SSB的个数是可以定制的，上图的示意图中，一次发送4个连续的SSB，实际是一次发送4个波束的SSB.

第6章 SSB对波束的支持

SSB支持不同的波束，每个波束有自己独立的SSB。

SSB的索引号：PBCH DMRS的goden序列的类型（8种）+ PBCH MIB中的SSB辅助索引，共同构成SSB的索引号

中低频：最多波束8个波束，3bits，使用PBCH的DMRS的goden序列就可以区分。
高频：最多64个波束，使用PBCH中的DMRS信号+MIB消息区分，DMRS（3bit）+ MIB（3bit）=6bits，构成64个波束。

参考：

https://www.sohu.com/a/359560562_100191018

https://blog.csdn.net/u010658002/article/details/113067577

https://blog.csdn.net/qq_33206497/article/details/99209559