5GNR UE开机到时间同步的全过程

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概要

本文用生动形象的例子说明下行同步的过程。
假如：

• 你在一栋楼里醒来，什么都不知道。
• 这栋楼有A座和B座，结构完全相同
• 你需要搞清楚：我在哪栋楼(SFN)？A座还是B座(半帧)？几楼(slot)？哪个房间(symbol)？

场景设定

基站配置:

• 30kHz SCS (numerology 1)
• PCI = 148 (NID1=49, NID2=1)
• SSB在SFN=83帧的后半帧发送
• SSB#2 (起始在半帧内符号16)

1 接收下行IQ数据

比喻: 你刚醒来，先确认眼睛能看到东西（有光/有信号）

UE开始接收下行IQ采样流:
…0000000000[有信号有信号有信号有信号有信号]00000…

检查: 整个IQ数据里面是否有数据（长度是否非零）？

2 检测CP确认符号边界

比喻:

你开始用手摸墙壁，找到了重复的花纹（CP是符号尾部的拷贝）

原理:
CP是OFDM符号尾部拷贝到开头的一段，找到重复就是符号边界

IQ流中某段:
[CP][数据尾部]
↑ ↑
这两段相同！

方法:
取一段采样，和距离FFT size后的采样做对比

• 相似度高 → 这里是CP开始的位置 → 符号边界！
• 相似度低 → 不是边界，继续滑动

位置100: 对比相似度 = 0.1 (低, 不是)
位置200: 对比相似度 = 0.2 (低, 不是)
…
位置4416: 对比相似度 = 0.95 (高!) → 找到一个CP！
位置6608: 对比相似度 = 0.93 (高!) → 又找到一个CP！
位置8800: 对比相似度 = 0.94 (高!) → 又一个！
位置10992: 对比相似度 = 0.92 (高!) → 又一个！

结果:找到了多个CP位置 → 哪个对比度高就当作CP位置，从而知道了符号边界在哪，但还不知道: 哪些符号是SSB？

3 寻找SSB → 连续4个符号确认为SSB block

比喻: 你发现走廊里有4扇连续的特殊门（和普通门不一样），这就是"公告栏区域"(SSB)
SSB的4个symbol是连续的，所以从找到的多个CP匹配结果中去寻找找是否有连续的4个符号，

找到的CP位置:
…| sym | sym | sym | sym | sym | sym | sym | sym |…
↑ ↑ ↑ ↑
CP✓ CP✓ CP✓ CP✓
连续4个！→ 这很可能是SSB！

4 从采样位置算出 slot 和 symbol → 确定"几楼几号房"

SSB的位置一旦确定后，就可以知道了采样点smaples的绝对位置。

• 1个slot是14symbol
• 14个symbols 包含长短symbol
• 所以1个slot samples长度 = 长symbol fftSize +CP + 13*(短symbols fftSize +CP) samples

例子：假如有如下设定：

• 找到的SSB的位置是： 35136 samples
• 1个slot = 30720 samples
• 长symbol长度(含CP) = 2224 samples
• 短symbol长度(含CP) = 2192 samples

计算slot位置= 35136/20720 =1
计算symbol位置= 35135%20720 = 4416samples =symbol2

• slot内：
  • sym0: 0~2223 → 不是
  • sym1: 2224~4415 → 不是
  • sym2: 4416~6607 → 在这里！ → symbol 2

确定SSB所在 半帧内符号编号 需要查表：不同numerology下SSB的候选起始符号位置

这里是slot=1, sym=2, 所以 = 1x14 + 2 = 16 → 查表 → SSB#2

结果:
✓ 半帧内 slot 1, symbol 2, SSB#2
✗ 但不知道是前半帧还是后半帧（A座还是B座？）

4.1 UE都已经找到了SSB，为什么还不知道是属于前半帧还是后半帧

38.213 ch4.1 给出了SSB的候选位置是5ms为周期定义。

For a half frame with SS/PBCH blocks, the first symbol indexes for candidate SS/PBCH blocks are determined according to the SCS of SS/PBCH blocks as follows, where index 0 corresponds to the first symbol of the first slot in a half-frame.

所以上一个章节中的SSB sample inde位置只是“半帧内的相对位置”，不是”帧内的相对位置“，即UE不知道这个5ms窗口是帧的哪个5ms：这同一个slot和symbol来自前半帧或者后半帧都有可能。

帧(10ms):|─────── 5ms ────────|─────── 5ms ────────|前半帧(slot0~9)后半帧(slot10~19)情况A: SSB在前半帧的slot1, sym2 → 帧内slot1 情况B: SSB在后半帧的slot1, sym2 → 帧内slot11

Note:

• 只有解码MIB才能确认前/后半帧
• 前后半帧原始是哪里得到的: 是GNB告诉UE是前还是后半帧，GNB在发送SSB时把halfRadioFrame这个bit编码在PBCH里， UE解码后读到

5 解码SSB符号1 — PSS检测 → 确定NID2

比喻: 走进SSB区域的第1扇门，墙上写着"子小区编号=1"

方法: 对SSB第1个符号做相关检测

接收信号 x PSS_0 → corr = 0.3 (小)
接收信号 x PSS_1 → corr = 7.8 (大!超门限) ← 匹配！
接收信号 x PSS_2 → corr = 0.1 (小)

结果:
✓ NID2 = 1

6 解码SSB符号3 — SSS检测 → 确定NID1

比喻: 走进第3扇门，墙上写着"小区组=49"

方法: 利用已知NID2=1，遍历336个候选SSS序列做相关

NID1=48: corr = +1.2 (小)
NID1=49: corr = +7.6 (大!超门限) ← 匹配！
NID1=50: corr = -0.3 (小)

结果:
✓ NID1 = 49
✓ PCI = 49x3 + 1 = 148

7 解码SSB符号2+4 — PBCH/MIB → 确定"哪栋楼、A座还是B座"

比喻:

你在一栋楼里醒来，发现自己在"3楼左边第二个房间"。
但这栋楼有A座和B座，结构完全相同。
你不知道自己在A座还是B座。
然后你看到门上贴着标签：“第83栋B座”。 ← 这就是MIB！

方法:

用PCI=148解调PBCH → 极化码解码 → CRC校验 → 提取字段 → 信道估计 → 均衡 → QPSK解调 → 解扰 → 解码 → CRC通过!

MIB内容:

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│ mibSfnMsb = 5 → SFN高6位 │
│ sfnLsb = 3 → SFN低4位 │
│ halfRadioFrame = 1 → 后半帧 (B座!) │
│ ssbBlockIndex = 2 → SSB#2 │
│ pdcchConfigSIB1 = 0x4A → 去哪找SIB1 │
│ cellBarred = 0 → 允许接入 │
└─────────────────────────────────────────────────┘

计算SFN：

SFN = (5 << 4) | 3 = 83

结果:

✓ SFN = 83 → “第83栋楼”
✓ 后半帧 → “B座”
✓ SSB#2 → beam编号
✓ 知道去哪找SIB1

最终结果: 时间同步完成！
UE现在完全知道

┌─────────────────────────┐
│ 小区身份: PCI = 148 │
│ 帧号: SFN = 83 │
│ 半帧: 后半帧 (5~10ms) │
│ 位置: slot 11, symbol 2 (帧内) │
│ beam: SSB#2 │
└─────────────────────── ─┘

对应到帧结构：SFN=83:

┌──────────────────────────────────────┬
│ 前半帧(A座) │ 后半帧(B座) │
│ slot 0 ~ 9 │ slot 10~19 │
│ │ ╔═════╗ │
│ │ slot11 ║SSB #2║ ← 你在这！ │
│ │ sym2 ╚═════╝ │
└──────────────────────────────────────┴

8 UE开始接入小区

完成下行同步后，后续过程如下，章节会持续更新。。。

时间同步完成
↓
监听PDCCH (pdcchConfigSIB1告诉了位置)
↓
接收SIB1 (获取完整小区配置)
↓
随机接入 (上报SSB#2给基站，告诉基站用beam#2和我通信)
↓
连接建立 ✓ 可以打电话/上网了

9 总结对照表