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
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
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.
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)
3GPP TS 38.211
3GPP TS 38.212
3GPP TS 38.213
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》