5G初始同步和小区搜索流程

目前的下行同步信号的基本结构如图1所示。下行信标结构可以在一次burst中传输一次或多次。通常，在一个burst中传输多个基本信标单元（ beacon unit）是为了进行多波束部署。基本信标单元突发所占用的总时间称为信标持续时间。基本信标单元的两次burst之间的间隔称为信标间隔。这些参数可以调整以适应不同的开发场景。

此外，基本信标单元还可以通过其子载波间距来配置，以满足各种部署需求。图2显示了模拟中使用的基本信标单元的示意图。该单元包括第一同步信号xSS1、第二同步信号xSS2和用于承载基本系统信息的广播信道有效载荷。简而言之，xSS1占用一个符号，其作用类似于LTE中的PSS，而xSS2占用2个RB乘以两个子帧的资源区域，其作用类似于LTE中作为小区标识的SSS。此外，xSS2还用于高精度频率同步。这两个同步信号都是通过在少量资源元素中放置功率增强的导频符号来构造的。通过适当地放置这些导频RE，信号被赋予了它们的唯一性和相关性。

注意，在发射侧的双极化天线的情况下，两个极化发射相同的信号。在多个TRP和多个波束的情况下，所有TRP和波束传输相同的xSS1，但不同的xSS2。

接收机

图3显示了用于检测基本信标单元并与之同步的接收器处理的高级流程图。在接收到足够的数据样本后，接收机在使用FFT将接收到的样本转换到频域之后，通过执行导频REs的能量检测来尝试检测xSS1。这个过程可以动态执行，以避免过度的数据缓冲，因为它不涉及复杂的时域和频域相关性。

如果能量检测的输出超过某个阈值，则可能存在xSS1，并建立其粗略的时频同步。然后，在粗定时基准附近执行相干检测或等效的相关操作，以估计细定时偏移。

利用精细定时基准，确定OFDM符号边界，然后检测xSS2。至少有506个xSS2模式用于cell/TRP/波束识别。每一个都需要检测器进行假设检验。因为这些模式是通过放置功率提升的导频RE形成的，所以它们可以像xSS1一样被能量检测到。然后，在覆盖xSS1检测留下的残余不确定性的小时间和频率范围内，使用二维相关器再次相干检测通过能量检测的候选对象。最后，相关输出超过阈值的剩余候选被宣布为已发现小区，并且将继续对其携带的PBCH进行解调和解码。

注意，在接收侧的双极化天线的情况下，两个极化的接收信号经过相同的处理，能量检测和相关的输出被分集组合，并与阈值进行比较。

Sub 6 GHz

对于低于6GHz的情况，使用4GHz的载波频率进行模拟，子载波间距为15和60kHz。基本信标单元的配置如表1所示。由于它是单波束系统，因此每40毫秒只发送一个基本信标单元。信标持续时间和带宽按子载波间隔缩放，但两种情况下的RE总数相同。

图4至图6显示了AWGN信道中单个TRP的捕获时间、剩余定时误差和剩余频率误差的CDF，左侧为15 kHz子载波间隔，右侧为60 kHz。如果在4个信标中找不到正确的小区ID，或者如果剩余的定时误差大于CP长度，那就宣布漏检。可以看出，即使在-9 dB的信噪比下，通过观察单个信标，也可以获得概率接近1的信标。剩余频率误差与子载波间距成正比，因为频率分辨率与xSS1符号长度成正比。

在CDL_C信道中，由于多径衰落，性能显著下降，但在大多数情况下（>99%）UE可以在4个信标间隔（或160 ms）内获取小区，信噪比为-9 dB。对于两个子载波间隔，剩余定时误差在样本数量上大致相同。换句话说，它们在CP长度方面具有相似的计时精度。然而，在绝对时间内，60kHz子载波间隔的分辨率是15kHz的4倍，因为其xSS1的带宽是15kHz的4倍。

在多TRP情况下，有3个小区，其中两个具有相同的信号强度并在同一时间到达，而第三个小区较弱3dB，晚到600ns。所有3个小区传输相同的xSS1，但不同的xSS2。只有在检测到第一个小区时，才会宣布采集成功。AWGN信道的结果被忽略，因为它们与单一TRP情况的趋势相似。

由于干扰，多个TRP情况的性能进一步降低。xSS1的SFN传输增加了其检测的机会，但也会导致更大的剩余定时误差，如图11所示。

在AWGN信道中，模拟的5000次迭代中没有虚警，在图4所示的4个信标间隔窗口中，漏检的概率非常小。因此，仅显示CDL-C通道中的结果。对于所有SNR值，只有一个阈值，虚警概率保持在1%以下，如图13所示。

6GHz以上

对于6GHz以上，联发科模拟了30GHz的载波频率，子载波间距为60kHz。基本信标单元的配置如表1所示。每40毫秒发送8个基本信标单元，每个单元对应于（4,8,2）天线阵列形成的8个发射波束中的一个，如图14所示。

如果使用（4,8,2）天线阵列的多个面板或完全连接的端口映射，则可以在频域或空域中复用8个波束，以减少总信标持续时间。然而，在模拟中，假设TRP上只有一个TXRU，如图15（a）所示。同一列中两个极化的天线连接到一个移相器。8个移相器连接到相同的TXRU，信标通过该TXRU传输。8×8 DFT矩阵用于生成总共8个方位波束，这些波束在8个基本信标单元上一次扫描一个。请注意，天线元件和TXRU之间的映射只是信标传输的等效图示。数据链路可能具有不同的映射。

在UE，有两个TXRU，每个极化一个。它们与天线元件的映射如图15（b）所示。使用4×4 DFT矩阵在方位上生成总共4个UE波束，用于接收同步信号。UE在40ms的间隔内调谐到两个偏振的4个波束中的一个，然后在接下来的40ms内切换到另一个波束。两个分支在检测过程中被分集组合。因此，总共需要40×4=160 ms才能完成完整的发送和接收扫描。TRP和UE的阵列孔径相对。

由于评估假设中规定的高方向性增益（TRP时为8 dB，UE时为5 dB），即使在波束赋形之前，SNR值也已经非常高。因此，当检测到小区时，剩余的定时和频率误差与4ghz的误差非常一致。通过波束赋形，即使在TX和RX波束未对齐的情况下，也可以很容易地检测到小区。这如图16所示，绘制了在4个信标间隔内，在特定阈值下，所有32个可能（TX，RX）波束对的检测概率和虚警概率。波束对索引（1，1）对应于TX和RX波束对齐的情况。显然，当波束没有最佳对齐时，小区经常被检测到。使用更高的阈值，假警报的概率可以降低到零，但检测率会略微降低，如图17所示。

由于高SNR值和同步信号的设计，UE只能在1个信标间隔内获取小区，如图18所示。