1.4 小區(qū)同步機制

小區(qū)同步，指終端同步到服務小區(qū)。小區(qū)同步分為兩個步驟，終端首先與服務小區(qū)進行物理層的同步，之后終端經(jīng)過測量和判決過程后，駐留到服務小區(qū)，接收服務小區(qū)廣播的系統(tǒng)信息，實現(xiàn)信息同步。本節(jié)講的小區(qū)同步聚焦在物理層的同步。

終端與服務小區(qū)在物理層的同步包含兩項任務，一是終端實現(xiàn)與服務小區(qū)在時間上的同步；二是終端實現(xiàn)與服務小區(qū)在頻率上的同步，其中，時間上的同步尤為關鍵。因此，想要理解LTE終端的小區(qū)同步機制，我們還得先從LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)講起。

1.4.1 LTE的時間結(jié)構(gòu)

為了方便大家學習，這里我們先簡要回顧一下LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)。

在《LTE教程：結(jié)構(gòu)與實施》（第2版）一書中講到，LTE空中接口按雙工方式FDD和 TDD，分為兩種時間結(jié)構(gòu)。這里就引用《LTE 教程：結(jié)構(gòu)與實施》（第2版）一書的相關內(nèi)容，分別加以介紹。

1.FDD

圖1.17展示了FDD LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)。從圖1.17不難看出，F(xiàn)DD LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)分無線幀、子幀和時隙三個層次，無線幀的時長為10 ms，子幀的時長為1 ms，時隙的時長為0.5 ms。

每個無線幀都有編號，稱為系統(tǒng)幀編號（SFN），編號范圍從0～1023，不斷循環(huán)。SFN是終端定時的關鍵參數(shù)，前面講終端的DRX周期時已經(jīng)碰到了，后面還會在終端處理機制中經(jīng)常碰到。

另外，每時隙還由多個OFDM符號組成，每個OFDM符號的時長也是固定的，與基波頻率相關。在現(xiàn)網(wǎng)中，基波頻率為15 kHz，對應的OFDM符號時長為66.7 μs。66.7 μs等于2 048個Ts,Ts是采樣點時長，是LTE系統(tǒng)最小的一個時間單位。

每時隙包含的OFDM符號數(shù)量與OFDM符號的循環(huán)前綴CP長度相關，在現(xiàn)網(wǎng)中， CP一般設為常規(guī)CP，這樣每時隙包含7個OFDM符號。

2.TDD

圖1.18展示了TD-LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)。從圖1.18不難看出，TD-LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)中引入了半幀這樣一種結(jié)構(gòu)，分為無線幀、半幀、子幀和時隙四個層次，其中，半幀由5個連續(xù)的子幀組成，時長為5 ms。

另外，在 TDD 雙工方式下，各個子幀是有差別的，有些子幀用于下行，有些子幀用于上行。半幀的第1個子幀固定用于下行，其他子幀的用途可以配置。在LTE系統(tǒng)規(guī)范TS36.211中定義了7種配置，稱為上下行比例。

在子幀中，有一種子幀稱為特殊子幀，通常位于每個半幀的第二個子幀上。在特殊子幀中，既有上行部分又有下行部分。

特殊子幀上下行部分的時長也是可以配置的。在LTE系統(tǒng)規(guī)范TS36.211中定義了9種配置，稱為特殊子幀格式。

上下行比例和特殊子幀格式作為系統(tǒng)參數(shù)，都會在SIB1中廣播。

我們發(fā)現(xiàn)，盡管TD-LTE增加了一層時間結(jié)構(gòu)，并且引入了可變的上下行比例和特殊子幀格式，但是無線幀、子幀和時隙的時長以及時隙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與FDD LTE還是保持一致的，盡可能地實現(xiàn)兼容。

1.4.2 小區(qū)同步的過程

講完LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)后，我們不難想到，所謂時間同步，就是在終端側(cè)復制小區(qū)的時間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的方法就是同步機制。

當然，一個好漢三個幫，為了實施同步機制，終端還需要小區(qū)的幫助，提供一些信號，這些信號用于同步過程，稱為同步信號。

那么終端是怎么利用同步機制來復制這些時間結(jié)構(gòu)呢？這就是小區(qū)同步過程。LTE系統(tǒng)的小區(qū)同步過程繼承了 WCDMA 系統(tǒng)的小區(qū)同步過程，因此我們先簡單介紹一下WCDMA系統(tǒng)的小區(qū)同步過程。

附帶說一句，從同步過程中我們可以發(fā)現(xiàn)，LTE 系統(tǒng)是從 WCDMA 系統(tǒng)發(fā)展而來的，而不是從TD-SCDMA系統(tǒng)發(fā)展而來的。

1.WCDMA終端的小區(qū)同步過程

圖1.19展示了WCDMA終端的小區(qū)同步過程。可以看到，WCDMA終端借助主同步信道、輔助同步信道和導頻信道，分別實現(xiàn)了時隙同步和無線幀同步，最終復制了WCDMA空中接口的時間結(jié)構(gòu)。

2.LTE終端的小區(qū)同步過程

看完了WCDMA 終端的小區(qū)同步過程，我們再看LTE 終端的小區(qū)同步過程，就會發(fā)現(xiàn)兩種終端的同步過程如出一轍。

圖1.20展示了LTE終端的小區(qū)同步過程。可以看到，LTE的終端借助主同步信號（PSS）、輔助同步信號（SSS）、廣播物理信道（PBCH）和小區(qū)參考信號（CRS），最終也復制了LTE空中接口的時間結(jié)構(gòu)。

接下來，我們將介紹小區(qū)同步的具體過程，首先要介紹同步過程中發(fā)揮重要作用的各種信號與信道的時頻結(jié)構(gòu)。

1.4.3 小區(qū)同步的相關信號與信道

1.同步信號

毋庸置疑，同步信號是小區(qū)同步過程中最重要的信號。同步信號分為兩種：主同步信號和輔助同步信號。

主同步信號和輔助同步信號在時間上的分布與雙工方式相關，F(xiàn)DD和TDD有所區(qū)別。同步信號的時間分布如圖1.21所示。

從圖1.21可以看到，在FDD雙工方式下，主同步信號占用了每個無線幀的第0號和第5號子幀的第一時隙的最后一個 OFDM 符號。這一長串結(jié)構(gòu)聽起來很拗口，實際上說明主同步信號是以5 ms為循環(huán)周期的。

輔助同步信號的位置是主同步信號的前一個OFDM符號，也就是第0號和第5號子幀的第一時隙的倒數(shù)第二個OFDM符號，也是以5 ms為循環(huán)周期的。

在TDD雙工方式下，主同步信號占用了特殊子幀的第三個OFDM符號，輔助同步信號的位置是主同步信號的前三個OFDM符號，也就是第0號和第5號子幀的第二時隙的最后一個OFDM符號，也是以5 ms為循環(huán)周期的。

講完了時間分布，我們再來看頻率分布：主同步信號和輔助同步信號占用頻點中央6個RB的帶寬，可支持LTE最小的頻點帶寬（1.4 MHz）。

2.PBCH

從時間分布上看，LTE的廣播物理信道（PBCH）分布在每個無線幀的第0號子幀的第二時隙上，占用范圍從第一個OFDM符號到第四個OFDM符號，以10 ms為循環(huán)周期。廣播物理信道（PBCH）的時間分布如圖1.22所示。

從頻率分布上看，PBCH與同步信號類似，也占用頻點中央6個RB的帶寬，可支持LTE最小的頻點帶寬（1.4 MHz）。

3.小區(qū)參考信號

從時間分布上看，LTE 的小區(qū)參考信號分布在每時隙的第一個 OFDM 符號和倒數(shù)第三個OFDM符號上，以0.5 ms為循環(huán)周期。小區(qū)參考信號的時間分布如圖1.23所示。

從頻率分布上看，小區(qū)參考信號分布在整個頻點帶寬上。

最后，請大家思考一下：

LTE的同步信號不是每時隙都發(fā)送的，這樣做會有什么優(yōu)缺點？

答：

1.4.4 主同步信號

1.主同步信號的內(nèi)容

講解了同步信號的時頻結(jié)構(gòu)后，接下來我們來了解同步信號的內(nèi)容。我們先從主同步信號開始。

主同步信號的內(nèi)容是ZC（Zadoff-chu）序列，長度為62個碼元。

如果讀過《LTE教程：結(jié)構(gòu)與實施》（第2版）一書，你就不會對ZC序列感到陌生。ZC序列是一種偽隨機序列，類似于CDMA系統(tǒng)中廣泛應用的m序列，比m序列特性更好一些。

在LTE系統(tǒng)中，ZC序列得到了廣泛應用，比如上行方向上的隨機接入前導和上行參考信號都采用了ZC序列。在下行方向上，ZC序列用于主同步信號。

根指數(shù)是 ZC 序列的一個關鍵參數(shù)，用來描述和生成 ZC 序列，不同根指數(shù)的 ZC序列之間是可分辨的。

在LTE系統(tǒng)中，為主同步信號定義了三種ZC序列，根指數(shù)分別為25、29、34，每個小區(qū)會選用一種ZC序列，具體的根指數(shù)由小區(qū)PCI（小區(qū)物理層ID）中的NID2來決定。

PCI有如下的表達式：

其中，NID1的取值為0～167,NID2的取值為0～2,PCI的取值為0～503。

根據(jù)PCI的表達式，NID2可以由PCI模三后得到，這也就是LTE系統(tǒng)中著名的模三干擾的由來。所謂模三干擾，就是指相鄰小區(qū)的PCI模三后相同，于是根指數(shù)相同， ZC序列相同，終端與小區(qū)同步就麻煩大了。

為了避免相鄰小區(qū) ZC 序列的沖突，在現(xiàn)網(wǎng)中，通常一個基站的三個小區(qū)的根指數(shù)必須設為不同，緊鄰小區(qū)的根指數(shù)盡量設為不同，這就要求我們仔細規(guī)劃和設置小區(qū)的PCI。

最后，請大家思考一下：

如果相鄰小區(qū)的PCI模三后相同，是否意味著終端不能接收主同步信號？

答：

2.主同步信號的映射

基站根據(jù)PCI得到了62個碼元的ZC序列后，該如何把ZC序列映射到主同步信號的時頻結(jié)構(gòu)中呢？FDD主同步信號的映射過程如圖1.24所示，該圖以FDD雙工方式為例，告訴了我們答案，映射的方法就是《LTE教程：結(jié)構(gòu)與實施》（第2版）中講到的各就各位。

首先，在FDD雙工方式下，基站在每個無線幀的第0號和第5號子幀上，找到第一時隙的最后一個OFDM符號，做好時間上的定位；而在TDD雙工方式下，基站找到特殊子幀的第三個OFDM符號，同樣做好時間上的定位。

接下來是頻率上的定位。前面講了，主同步信號只占用頻點中心的6個RB帶寬的子載波。6個RB帶寬對應72個子載波，不過主同步信號只占用這72個子載波中央的62個子載波，剩下的10個子載波，一邊5個，用于頻率保護。

基站再將ZC序列的每個碼元，逐一映射到62個子載波對應的RE上，這樣就完成了主同步信號的時頻映射，用于生成OFDM符號，也就是基帶信號。

最后，承載有同步信號的基帶信號經(jīng)過上變頻和功放，射頻信號由基站的天線發(fā)射出來，覆蓋范圍內(nèi)的終端就可以接收到。

3.主同步信號的作用

終端接收到主同步信號后，可以發(fā)揮以下4個方面的作用。

（1）獲得5 ms同步（半幀）

很明顯，由于主同步信號每5 ms出現(xiàn)一次，因此終端可以獲得5 ms的同步，也就是半幀同步。

（2）獲得頻率同步

由于主同步信號分布在62個子載波上，這些子載波的頻率是嚴格確定的，因此只有終端的頻率與小區(qū)同步，終端才可以正確接收主同步信號。

（3）獲得OFDM符號同步

這個作用很容易理解，因為主同步信號是由 OFDM 符號來承載的。如果能正確接收到主同步信號，也就意味著終端與小區(qū)實現(xiàn)了OFDM符號的同步。

（4）獲得NID2

前面講了，主同步信號對應的ZC序列有三種，終端通過匹配，可以發(fā)現(xiàn)主同步信號是哪種ZC序列。根據(jù)ZC序列的種類，終端就知道了小區(qū)的NID2。

1.4.5 輔助同步信號

1.輔助同步信號的內(nèi)容

講解了主同步信號的發(fā)送和接收后，我們再來了解輔助同步信號。

輔助同步信號對應的還是62個碼片的偽隨機序列，但不是ZC序列，而是m序列的組合，主要原因是ZC序列的數(shù)量還不夠多。

這62個碼片的偽隨機序列由2個31碼片的偽隨機序列組合而成，而兩個偽隨機序列來源于同一個31比特長度的m序列1，利用不同的循環(huán)移位長度得到。

循環(huán)移位的長度可以理解為 m 序列1的起始相位，兩個序列的循環(huán)移位的長度在規(guī)范TS36.211中分別稱為m0和m1。m0的取值范圍是0～29,m1的取值范圍是1～30，規(guī)范 TS36.211中共定義了168種 m0和 m1的組合，與 NID1一一對應。因此，知道了m0和m1，就知道了NID1，反之亦然。

圖1.25展示了輔助同步信號的生成過程，從中可以發(fā)現(xiàn)它與主同步信號的最大差別是，輔助同步信號還要進行加擾，甚至還是多次加擾。

第1次加擾過程采用的擾碼序列也是個m序列，即m序列2。基站對m序列2進行循環(huán)移位，循環(huán)移位長度由NID2決定。第1次加擾的目的是綁定主同步和輔助同步信號，讓終端知道這兩個信號來自同一個小區(qū)。

加擾后得到的序列，有一半的碼片還要用第3個m序列來進行第2次加擾，基站將m序列3也進行循環(huán)移位，循環(huán)移位的長度根據(jù)m0和m1來確定。這個加擾過程用于幫助終端加快匹配m0和m1的速度。

值得注意的是，不同子幀上的輔助同步信號的內(nèi)容是不同的，圖1.25中用#0代表映射到第0號子幀的內(nèi)容，用#5代表映射到第5號子幀的內(nèi)容。

2.輔助同步信號的映射

接下來我們介紹輔助同步信號的映射過程，如圖1.26所示，該圖給出了這個過程的簡化示意圖，簡化掉了加擾的過程。

首先，在FDD雙工方式下，基站在每個無線幀的第0號和第5號子幀上，找到第一時隙的倒數(shù)第二個OFDM符號，做好時間上的定位；而在TDD雙工方式下，基站找到第0號和第5號子幀的第二時隙的最后一個OFDM符號，做好時間上的定位。

接下來是頻率上的定位。與主同步信號類似，輔助同步信號同樣只占用頻點中心72個子載波中央的62個子載波，剩下的10個子載波，一邊5個，用于頻率保護。

最后，基站明確OFDM符號上各個子載波的內(nèi)容，也就是RE的內(nèi)容。基站將擾碼后得到的兩個序列的每個碼片，逐一交錯地映射到62個子載波對應的RE上，這樣就完成了輔助同步信號的映射。

輔助同步信號映射結(jié)束后，由基站發(fā)射出來，覆蓋范圍內(nèi)的終端就可以接收到。

從圖1.26中我們還注意到，由于第0號和第5號子幀的交錯映射方式完全不同，再加上生成過程的差別，同一無線幀上第0號和第5號子幀上的輔助同步信號（SSS）的內(nèi)容是完全不同的。

3.輔助同步信號的作用

終端接收到輔助同步信號后，可以發(fā)揮以下6方面的作用。

（1）獲得10 ms同步（無線幀）

很明顯，由于相同的輔助同步信號每10 ms出現(xiàn)一次，因此終端可以獲得10 ms的同步，也就是實現(xiàn)無線幀同步。

（2）與主同步信號建立關聯(lián)

通過相同的NID2，終端可以關聯(lián)到主同步信號。

（3）區(qū)分FDD與TDD

通過主同步信號與輔助同步信號的時間差，終端可以判斷系統(tǒng)的雙工方式。

（4）明確子幀的起點

確定雙工方式后，終端就可以推算出子幀的起點。

（5）獲得子幀的編號

根據(jù)輔助同步信號的內(nèi)容，終端不難發(fā)現(xiàn)第0號和第5號子幀的位置，這樣所有子幀的位置都知道了。

（6）獲得NID1和NID2

通過擾碼序列，終端可以匹配到NID1和NID2，進而得到關鍵參數(shù)PCI。

4.后續(xù)工作

終端在明確時間結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)頻率同步以及獲得PCI參數(shù)后，就可以接收廣播物理信道的內(nèi)容，為后續(xù)接收系統(tǒng)信息廣播打下基礎。

終端還可以根據(jù)PCI找到小區(qū)參考信號，并開始測量小區(qū)參考信號的強度。

1.4.6 小結(jié)：小區(qū)同步的過程

最后，在圖1.20的基礎上，小結(jié)一下LTE小區(qū)同步的過程與內(nèi)容，如圖1.27所示。

圖1.27增加了每個環(huán)節(jié)的作用，比如利用主同步信號，我們可以得到部分PCI；再利用輔助同步信號，我們得到了無線幀位置、時隙位置和PCI。

借助時間結(jié)構(gòu)和PCI，我們可以解調(diào)出廣播物理信道，從而獲得下行帶寬等關鍵參數(shù)，而利用下行帶寬和PCI，終端監(jiān)測小區(qū)參考信號，才能得到RSRP和RSRQ，為后續(xù)的判決提供數(shù)據(jù)。

當然，在物理層實現(xiàn)同步后，終端需要接收系統(tǒng)信息，實現(xiàn)信息同步：系統(tǒng)信息由基站按小區(qū)來廣播，下一節(jié)我們將介紹小區(qū)廣播的方法和內(nèi)容。