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4G EPS 中的小区搜索

2019-12-17 17:45  云物互联  阅读(1597)  评论(0)  编辑  收藏  举报

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《4G EPS 中的信道类型》
《4G EPS 中的消息类型》

小区搜索（Cell Search）流程

UE 开机后的第一件事情就是完成小区搜索，即完成和 eNB 的牵手。这是 UE 进行 PLMN 选择、小区选择以及随机接入之前必须要完成的工作。

UE 通过完成小区搜索来实现时、频同步，获得 PCI（Physical Cell Identity，物理小区标识），然后从 PBCH（物理广播信道）读取 SIB 系统信息，UE 继而获知系统帧号和带宽信息，以及 PHICH（物理 HARO 指示信道）的配置等系统消息。具体步骤如下：

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  1. UE 首先在可能存在的小区的频率范围内测量小区信号强度 RSSI （Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示），据此找到一个可能存在小区的中心频点；

  2. 然后在这个中心频点周围接受收 PSS（主同步信号）和 SSS（辅同步信号），这两个信号的系统带宽没有限制，配置是固定的，而且信号本身以 5ms 为周期重复发射，并且是 ZC 序列，具有很强的相关性，因此可以直接检测并接收到，据此可以得到 PCI，同时得到小区定时的 5ms 边界；

  3. 5ms 边界得到后，根据 PBCH（物理广播信道）的时频位置，使用滑窗方法盲检测，一旦发现 CRC 校验结果正确，则说明当前滑动窗就是 10ms 的帧边界，并且可以根据 PBCH（物理广播信道）的内容得到系统帧号和带宽信息，以及 PHICH（物理 HARO 指示信道）的配置；

至此，UE 实现了和 eNB 的定时同步。

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需要注意的是，当获取了 PBCH（物理广播信道）信息后，要获得更多的无线信道参数等还要接受其余的 SIB（System Information Blocks，多个系统消息块）系统信息，这些信息在 PDSCH（物理下行共享信道）上发送：

  1. 接收 PCFICH（物理控制格式指示信道），此时该信道的时频资源就是固定已知的了，可以接收并解析得到 PDCCH（物理下行控制信道）的 Symbol 数目；
  2. 根据 PBCH（物理广播信道）中指示的配置信息接收 PHICH（物理 HARO 指示信道）；
  3. 在控制区域内，在除去 PCFICH（物理控制格式指示信道）和 PHICH（物理 HARO 指示信道）的其他 CCE 上搜索 PDCCH（物理下行控制信道）并做译码；
  4. 检测 PDCCH（物理下行控制信道）的 CRC 中的 RNTI（RNTI Radio Network Tempory Identity，无线网络临时标识），如果为 SI-RNTI（系统消息，用于标识 SIB 的传输），则说明后面的 PDSCH（物理下行共享信道）是一个 SIB，于是接收 PDSCH（物理下行共享信道），译码后将 SIB 上报给高层协议栈；
  5. 不断接收 SIB，HLS 会判断接收的系统消息是否足够，如果足够则停止接收 SIB。

至此，UE 完成了这个小区搜索的流程。

PSS（主同步信号）与 SSS（辅同步信号）

同步信号分两种，PSS（主同步信号）和 SSS（辅同步信号）。信号必须依附于信道传播，所以同步信号是在同步信道这种物理信道上进行传播的。下图给出了主、次同步信道在无线帧上所处的位置。

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PSS 映射在频域上位于频率中心的 1.08MHz 的带宽上，包含 6 个RB，72 个子载波。实际上，PSS 只使用了频率中心周围的 62 个子载波，两边各留 5 个子载波用做保护波段。同样 SSS 也是在同样的频域位置。SSS 位于子帧 0 和子帧 5 的最后一个 Symbol，和 PSS 不同的是，位于这两处的 SSS 的序列是不一样的，显然，这样就能检测出 10ms 无线帧的位置。而 SSS 来源于 168 个的组集合，在 36.211 中，表 6.11.2.1-1 给出了映射关系。​UE 仅仅检测 1.08MHz 的频带上是否存在主同步信号。​

从物理形态上来说，PSS 是典型的 ZC 序列，而 SSS 是两个长度为 31 的 M 序列交叉级联得到的长度为 62 的序列​。检测 PSS 的基本原理是使用本地序列和接收信号进行同步相关，进而获得期望的峰值，根据峰值判断出同步信号位置。而 SSS 检测也是同样的原理，这些都是基本的通信原理。关于序列和序列同步，这边不再详细介绍，涉及到多数数学公式，不做这方面开发的，也没必要深究，只要懂得过程就可以。所以下面大致讲讲 PSS 以及 SSS 所起的作用。

当 UE 开机进行全频段搜索的时候，并不知道自己于广阔的无线世界之中处在怎样的位置。所以，此时的 UE 最优先的事情就是必须要找到自己的队列，并且最终于 eNB 完成同步。

  • PSS 时，UE 获取到小区（Cell）的组内 ID 以及 5ms 的半帧位置；
  • HSS 时，UE 获取小区的组号。

可见，小区搜索过程中通过检索 PSS 和 SSS 二者相结合来确定具体的小区 ID。这就是 PSS 和 SSS 的工作了。这样，UE 就得到了小区的 PCI（Physical Cell Identifier，物理小区标识，LTE 中终端以此区分不同小区的无线信号，小区总共有 3x168=504 个），同时也知道了无线帧的位置。至此，UE 侧就完成了于 eNB 的时隙同步，知道如何跟随 eNB 每 10ms 一个的无线帧。

对于 UE 来说，如果它同时支持 FDD/TDD，那就在可能的 FDD/TDD 制式中，可能出现的 SSS 位置都要去搜索，当然，如果只支持 TDD 的，就只在 TDD 出现的位置上搜索。这样，网络是 FDD 还是 TDD 就能确定。其次，CP 位置也能确定，因为普通 CP 和扩展 CP，对于 SSS 出现的位置是不一样的。

需要注意的是，PSS 和 SSS 这两个步骤还只是粗同步。因为 UE 仍未知道整个小区的细节，这就需要后面逐步读取小区的广播信息（MIB、SIBs）来获取更精确的内容了，做到最终的同步。

DL-RS（下行参考信号）

UE 接收 DL-RS（下行参考信号）来进行精确的时频同步。

因为 CRS（Cell-specific Reference Signal，小区特定参考信号，小区专用信号）是和 PCI 对应的，所以 UE 可以通过在 DL-RS 内查小区的 PCI 来确定 CRS 的位置。对于频率偏差、时间提前量、链路衰落情况，UE 都从这里了解的，然后在时间和频率上紧跟 eNB 的步伐，完成时隙和频率（时频资源的位置）的精确同步。同时，UE 还可以为解调 PBCH 做信道估计（就是从接收数据中将假定的某个信道模型的模型参数估计出来的过程）。

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  • 时域位置：通过上述公式可知，时域位置与循环前缀（Cyclic Prefix） 类型以及天线端口（Antenna port）号有关。
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  • 频域位置：与小区 PCI 以及天线端口（Antenna port）有关。同天线端口，在同一 Symbol 对应的频域上 2 个 CRS 的间隔是 6 个子载波。
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PBCH（物理广播信道）

当 UE 通过主、次同步信道以及 DL-RS，同步到无线帧，和基站牵手成功后，下一步就需要拿到更多的的小区的细节信息。这依赖 eNB 广播的系统信息来获取，所以 UE 下一步就是通过 PBCH 来读取 MIB 系统消息。MIB 是 UE 同步后，拿到的第一个系统信息。MIB 包括有限个最重要、最常用的传输参数：

  • 下行系统带宽，UE 通过这个来了解 eNB 的工作带宽。LTE 中分别有 1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz；​
  • PHICH（物理 HARO 指示信道）配置；
  • 系统帧号，其实是系统帧号的前 8 位，最后 2 位是在 PBCH 盲检的时候得到的，总共 10 位；

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PBCH 在时域上位于子帧 #0 的第 2 个 Slot 的前 4 个 OFDM Symbol，频域上占据 72 个中心子载波。PBCH 的加扰采用 GOLD 序列，调制采用 QPSK。​通过盲检 PBCH，除了得到上述的 MIB 信息，还可以得到如下信息：

  • 通过 40ms 内不同的 10ms 的 PBCH 的信息，可以得到 SFN（系统帧号）的低 2 位比特信息，这样就能组成完整的 SFN 值；
  • 使用 3 种不同的 CRC mask 来盲检 PBCH，可得到天线端口数目（1, 2, 4）；
  • 得到天线端口数目后，就可以知道传输分集模式：
    • 1 天线端口：无；
    • 2天线端口：SFBC；
    • 4天线端口：combined SFBC/FSTD。

所以，在盲检 PBCH 时，需要在 40ms 内检查到 MIB，同时使用 3 种不同 CRC mask 来确定天线端口数目，总共就有 12 种组合。

PDSCH（物理下行共享信道）

我们知道 LTE 的系统信息有 MIB 和 SIBs，通过信道的映射关系可以看见：PBCH 最终承载的只是 MIB，而 SIB 在 PHY 都走在 PDSCH 了。

PCFICH（物理控制格式指示信道）

前面讲述到搜索 SIBs 系统消息的时候，必然要解 PDSCH 中的 BCCH 信息。所以有必要知道 UE 是如何得到相关信息，最终顺利解出 SIB 信息，这里就必须了解下 PCFICH。

PCFICH的功能比较单一，简单来说，PCFICH 就是用来承载 CFI 的。LTE中，如果采用普通 CP，那么 1ms 的无线帧中，最多可以有 14 个 Symbol。协议规定，位于最前面的最多 4 个 Symbol 可以用于发送控制消息，这部分又叫控制区域，包括：L1/L2 的一些控制信息，如：PCFICH/PHICH/PDSCH，剩下的就是数据区域，如：PDSCH/PBCH/PSS/SSS。所谓 CFI，就是指示了前面究竟有几个 Symbol 用于发送控制消息的（1、2、3、4）。

3GPP 36.211 6.7-1表中，对 PCFICH 的符号个数做了如下规定：

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