2.1.1 全新的广播信道波束设计
——SS/PBCH

系统消息设计是无线通信系统中的重要概念之一，小区级系统消息主要为了配置小区驻留、用户接入、互操作等一系列重要参数。5G NR对系统消息进行了一定程度的简化，相比4G，在同步信号以及系统消息方面都进行了完全不同的设计，因此有必要重新认知。

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（Synchronization Signal，SS）与物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）进行了某种程度的耦合，以SS/PBCH资源块的形式出现，简称为SSB。在4G系统中，主辅同步信号占用基带频域的位置是固定的，例如主辅同步信号PSS/SSS固定占用整个频域带宽中间连续62个RE的位置，PBCH固定占用整个频域带宽中间6个连续PRB的位置，而5G NR中SSB占用频域资源20个连续PRB，最多共计240个连续RE资源，其中主辅同步信号分别占用SSB中第1个和第3个OFDM符号中连续的127个RE资源，如图2-1所示。

5G使用全体频率信道格栅（Global Fre⁃quency Channel Raster）定义了射频参考频率的集合。射频参考频率可以用来表征射频信道、SSB中心频率以及其他一些频率对象。实际的射频参考频率（如2524.95 MHz）不会直接通过空口信令进行传递，而是用NR绝对射频信道码（NR-ARFCN，NR Absolute Radio Frequency Channel Number）进行表征。二者的映射关系可以用公式 F _REF = F _REF-Offs +Δ F _Global （ N _REF - N _REF-Offs ）表示，其中 F _REF 是射频参考频率， F _REF-Offs 是射频参考频率计算偏置， N _REF 是NR-ARFCN， N _REF-Offs 是NR-ARFCN计算偏置，Δ F _Global 是全体频率信道格栅的最小颗粒度间隔。基于全体频率信道格栅集合的概念，协议进一步定义了信道格栅（Channel Raster），信道格栅是全体频率信道格栅的子集，信道格栅表征了在某一工作频段上可用的NR-ARFCN集合（详见TS 36.101-15.4.2），通过信令下发SSB的中心频点（如NSA模式下或者NR载波聚合中辅载波的SSB配置）可以从信道格栅中选取合适的进行配置，而针对需要UE盲检锁频SSB的中心频点实现同步的情况（例如SA模式），为了加快UE的搜网效率，协议又额外定义了同步格栅（Synchronization Raster）的概念，同步格栅以另外一种码号GSCN（Global Synchronization Channel Number）的方式映射SSB中心频率（详见TS 36.101-15.4.3），值得注意的是，GSCN在实际使用中并不通过信令下发，如果需要信令下发，应该转换为NR-ARFCN的编码方式，全体频率信道格栅、信道格栅与同步格栅三者的关系可参见图2-2说明。

5G NR系统组网中，每个小区的SSB频域中心位置尽管都可以进行差异化灵活配置，但为了避免与业务信道的干扰，在实际组网规划中建议各个小区的SSB中心频点统一设置。尽管5G系统在频域上可能配置多个SSB，但是包含有效MIB信息的SSB只有一个，并且该SSB的中心频点设置应遵循如下几个准则。

1）NSA模式下SSB的中心频点与PointA通过RRC重配通知UE，SSB的中心频点满足channel raster设置准则即可。

2）SA模式下SSB的中心频点需同时满足channel raster以及synchronization raster（GSCN）。

3）CORESET 0与包含MIB信息的SSB会在频域重叠复用，协议规定CORESET 0下沿要比SSB下沿低一个偏置（详见TS 36.21313），因此CORESET 0的频域下沿至少要不低于公共参考点Point A。

4）子载波偏置 k _SSB 在有效取值范围之内。

5G系统中允许频域设置多个SSB的作用主要是为了测量或者辅助进行频域同步，协议规定这些SSB的中心频点设置都要使得SSB起始RB的起始子载波（subcarrier 0）中心频率与公共参考点Point A满足条件offsetToPoint×（12×15kHz）+ k _SSB ×15kHz（FR1频段）或offsetToPoint×（12×60kHz）+ k _SSB ×subCarrierSpacingCommon（FR2频段），如图2-3所示，其中offsetToPointA是以15kHz为子载波间隔的RB级偏置， k _SSB 是子载波级偏置，这两个系数均为整数，offsetToPointA通过解码SIB1消息体之后获取，subCarrierSpacingCommon是MIB消息体中的参数，表征了CORESET0/SIB1、初始接入期间Msg2/4、寻呼和系统消息SI的子载波间隔， k _SSB 在解码了MIB消息体通过参数ssb-SubcarrierOffset获取（针对SSB类型B）或者额外结合PBCH载荷比特获取（针对SSB类型A），如图2-4所示。SSB类型A定义为SSB子载波间隔为15kHz或者30kHz，对应了FR1频段，对于包含了有效MIB消息体的SSB， k _SSB 的有效取值范围为 k _SSB ∈{0，1，2，…，23}，SSB类型B定义为SSB子载波间隔为120kHz或者240kHz，对应了FR2频段， k _SSB 的有效取值范围为 k _SSB ∈{0，1，2，…，11}，如果UE解码检测到 k _SSB 不在有效取值范围内，则认为搜索检测到的SSB并不含有有效MIB消息体（不含与之对应的SIB1和CORESET#0），可以根据 k _SSB 实际取值继续频域范围内下一个SSB的搜索检测，具体流程详见TS 38.21313。值得一提的是，对于有些特殊情况，例如不含有效MIB消息体的SSB，即使ssb-SubcarrierOffset不出现，协议规定UE也应该能够根据SSB与Point A的频率差推算出 k _SSB 。

UE通过搜频实现SSB同步之后，解码物理广播信道中的MIB系统消息块。在LTE系统中小区除了配置MIB消息，还需要按照固定传输周期配置系统消息SIB1，以及通过SIB1传递解析一系列系统消息SIB2-SIBN所需的必要参数配置，而5G NR提供了一种系统消息配置的优化机制，即按需配置（on-demand）。例如，NSA组网模式下SIB1中携带的小区级相关配置信息与参数可以通过LTE锚点侧RRC专属信令携带下发，协议甚至还规定了SA组网模式下除了SIB1的其他系统消息SIBs可以不用周期式占用公共小区资源下发，SIB1中明确了仅支持on-demand模式的其他系统消息，UE可以通过发起SI请求在随机接入阶段获取系统消息。另外，UE在RRC连接态下，网络侧也可以通过专属RRC重配信令（RRC Reconfiguration）来提供系统消息（参见TS 38.3315.2.1），这样设计的好处就是增加了资源调配的灵活性，节省不必要的资源开销，同时终端也可以一定程度上降低周期侦听系统消息所带来的功耗抬升。5G NR中通过MIB消息中的参数ssb-SubcarrierOffset来决定SIB1是否配置在PDCCH公共搜索空间CORESET#0，该参数表征SSB的频域起始子载波中心频率相对于SSB交叠最小的RB的起始子载波中心频率之间的偏差，针对FR1（sub 6GHz）频带的5G小区载频，终端结合PBCH附加表征时域载荷1比特 联合确定SSB起始位置相对Point A的子载波级偏置 k _SSB （见图2-3），取值范围0～31，如果该值不大于23，UE则认为该小区配置了系统消息SIB1，否则SIB1承载内容可能不以系统消息方式出现；针对FR2频带的5G小区载频，终端仅通过参数ssb-SubcarrierOffset判定子载波偏置，其取值范围为0～15，如果该值不大于11，UE则认为该小区配置了系统消息SIB1，否则SIB1承载内容可能不以系统消息方式出现。

LTE中广播信道采取周期传输的机制提升解调成功率，5G NR在时域传输中也承袭了这一设计思路，但有所不同的是，LTE的广播信道是无波束赋形技术的传统广播宽波束，而5G NR引入了赋形窄波束的理念，波束的发送样式没有明确规定，协议定义了以一个无线半帧（5ms）作为一个SSB突发（SSB-burst），在这一期间内通过将不同候选传输时刻与SSB发送的赋形窄波束进行关联，使得时域传输与空域的波束赋形实现了统一，如图2-5所示。

协议规定SSB传输块最大为80ms产生一个，这意味着至少在80ms高层调度周期内，SSB承载的高层内容不会改变。SSB的物理层传输周期可通过高层参数ssb-periodicitySer⁃vingCell进行配置，取值范围{5ms，10ms，20ms，40ms，80ms，160ms}，设置SSB重复周期主要是为了对SSB传输速率匹配进行考量，周期越大意味着SSB占用时域资源越少，终端侦听周期可能相应调整拉长，如果该参数不配置，则终端默认SSB传输周期为5ms。协议规定，在初始小区选择时，终端可以假定以20ms为周期搜索包含SSB的半帧，按照这样的假设，现网将ssb-periodicityServingCell配置为20ms是一种比较均衡的考量。针对不同子载波间隔，每传输半帧SSB的候选位置定义如下。

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，共4个候选时刻；而针对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；而针对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，5GFDD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，共4个候选时刻；而针对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；5G TDD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；而针对FR1频带内大于2.4GHz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，如图2-5所示。

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0，2，4，6，10，12，14，16，20，22，24，26，30，32，34，36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的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，但是否有必要差异化配置有待于在实际组网环境下验证。SA模式下，终端在开机搜网同步时，根据NR的T作频段可以盲检出SSB的子载波间隔以及SSB候选传输位置式样(A/B/C/D/E)，如表2-1所示。如果异频载波SSB的子载波间隔通过高层信令（如NSA模式或者载波聚合）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中的NR工作频带。表2-1中涉及SSB子载波间隔为30kHz也适用于同频段15kHz中对应的频率。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，详见TS 38.2134.1。

针对在半帧内（SSB-burst）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的高德伪随机初始序列索引成一一对应的关系，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32bit，包含承载RRC内容23bit，这23bit中有6bit作为计算无线帧的高位6bit，如图2-4所示的MIB消息体中参数systemFrameNumber（6bit），除了这23bit之外，物理层额外与传输时刻相关4bit作为计算无线帧的低位4bit，1bit作为无线帧中的半帧标识，3bit作为确定SSB索引的高位3bit，剩余1bit协议没做规定，MAC层实体为了与传输字节对齐进行填补。

5G NR广播信道通过大规模阵列天线实现了窄波束赋形空域扫描，相比传统LTE定向大角度广播波束覆盖是否会出现终端下行同步侦听SSB不及时导致脱网？按照一组最极端网络参数设置进行评估，假定基站侧采取毫米波频带（FR2）进行覆盖，SSB传输周期160ms，并且在5ms半帧内64个SSB波束扫描方向各不相同，那么终端至少需要160ms完成一次窄波束搜网同步，以高铁最快车速300km/h计算，在此期间，终端移动了13.33m的距离，按照毫米波基站覆盖有效距离150～180m评估仍然有相当大的规划余量，因此协议针对SSB的参数配置选择至少在理论上足以支撑5G无线通信系统的实际规划需求。 NNPsCadLcJ9bsnMP/A4QINR21nhZiJl02SGDEXWs8UBjnPl1AaAoub35WL62W0w7