5G RRC小区搜索（Cell Search）和系统捕获（System Acquisition）流程

Posted 2023-01-20 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

小区搜索（Cell Search）和系统捕获（System Acquisition）流程

       小区搜索是UE发起的一个流程，目的是与该小区获得时间和频率的同步，并解码该小区的Cell ID。在5G NR中，小区搜索的概念与LTE中的类似，就是利用主同步信号（PSS，Primary Sync Signal）和辅同步信号（SSS，Secondary Sync Signal）解码为物理小区ID （PCI，Physical Cell ID）。

UE可以通过两种方式接入5G-NR小区：

• 非独立模式（NSA，Non Stand Alone）部署：EUTRA - NR双连接【EN-DC】；
• 独立（SA，Stand Alone ）部署：NR Only Cell；

       在EN-DC中，网络通过LTE eNB的RRC重配消息提供小区搜索信息，例如频率（NR-ARFCN）、Cell ID、RACH参数等。终端可以尝试RACH接入NR小区。

在SA下，NR小区搜索流程步骤如下：

• UE调整到特定频率；
• UE尝试检测PSS、SSS信号，以获取频率和时间同步；
• 一旦UE成功检测到PSS、SSS，它将获得关于同步和物理小区ID （PCI）的信息，现在UE准备解码PBCH；
• 在成功解码PBCH后，UE尝试解码PDCCH和PDSCH以获取RMSI和OSI；

       UE在同步光栅上扫描该频带（该频带由3GPP 38.104节5.4.3.3定义），以调整特定频率。同步光栅指示同步块的频率位置，当没有明确的同步块位置信令时，UE可以使用该同步块的频率位置进行系统捕获。同步光栅和同步块的子载波间隔取决于每个频带。

       下一步，UE解码主同步信号和辅同步信号以获取位于同步光栅上的物理小区ID （PCI）和PBCH DMRS。PSS、SSS和NR-PBCH在一个同步信号块（SS Block）中传输。SSB由4个符号组成，其中1个符号是PSS、1个符号是SSS，另外2个符号PBCH。通过PSS、SSS可以实现符号级（symbol-level）和slot 级的时间同步以及频率同步。

       NR最多支持1008个PCIs，是LTE的2倍。一共有336个独一无二的小区组，每个组包含3个独一无二的小区，对应的小区ID计算公式如下：

       $N_{ID}^{cell}=3N_{ID}^{(1)}+N_{ID}^{(2)}$

其中：

• $N_{ID}^{(1)}$：辅同步信号（SSS），其取值范围为0,1,…,335；
• $N_{ID}^{(2)}$：主同步信号（PSS），其取值范围为0,1,2;

       SSB是通过形成一个SS Burst（每个波束都有一个SSB）进行批量传输的，波束扫描期间会用到SS Burst，每次SSB传输后都会改变波束的传输的方向。UE使用波束扫描（Beam Sweeping）机制来测量和识别一个最佳波束。

       SS Burst的集合被称为SS Burst Set。SS Burst和SS Burst Set都可以包含一个或多个元素，而SS Burst中的最大SSB数量取决于频率，它可以是4（低于3 GHz）、8（3 ~ 6 GHz）或64（6 ~ 52.6 GHz）。SSB的周期由网络配置，而默认的传输周期用于初始小区选择，在所有频率范围内SS Burst Set的周期默认为20 ms（即2个NR系统帧）。这一间隔是LTE的4倍（LTE中是5 ms），目的是为了减少“always-on”的传输开销。frame和slot定时是由SSB的标识符定义，并由UE获取。

       gNB在一个无线帧内定义了多个SSB的候选位置，以及每个位置上对应的某一方向上辐射的波束数。每个SSB都可以通过一个称为SSB index的唯一编号来识别，而哪个SSB被检测到取决于UE所在的位置。UE会测量其在一定周期内检测到的每个SSB（一个SSB集的周期）的解调参考信号（PBCH DMRS）的信号强度。UE可以从测量结果中识别出信号强度最强的SSB index。这个具有最强信号强度的SSB就是该UE的最佳波束。

上图显示了两个UE的例子，UE #1发现SB #1是最好的，UE #2发现SB #4是最好的波束：

• UE选择最好的波束并解码PBCH MIB的内容信息，如SFN、SSB index、光栅偏移、默认DL numerology、RMSI配置、DM-RS位置和小区禁止信息等；
• 如果该小区没有被屏蔽掉，UE尝试解码后续的PDCCH以获得PDSCH资源的频点位置，以准备接收SBI1信息；
• RMSI的PDCCH配置由PBCH提供。RMSI的控制资源集（CORESET，COntrol REsource SET）配置与SSB Burst Set中的SSB相关联。PBCH中使用1 bit 信息字段指示RMSI和OSI的SCS，以及用于初始随机接入流程的其它信息；
• UE从SIB# 1读取剩余最小系统信息，并解码PLMN ID，小区选择参数，RACH参数；
• 如果网络的PLMN ID与终端提供的可用PLMN ID列表匹配，则执行小区选择流程；否则UE将获取另一个5G小区并重新开始上面的流程；
• UE尝试去验证的另一个参数是qRxmin，如果UE检测到的信号满足qRxmin级别，则小区选择流程成功，UE可以尝试发起RACH流程以完成上行同步；
• 如果小区选择失败，则UE会尝试获取另一个小区并重新开始上面的流程。

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