2017年12月，經過了一整年辛勤的工作，3GPP (3rd Generation Partnership Project)正式宣告完成了新世代無線(New Radio, NR)通訊的規格制定。新的無線通訊標準預期在未來的十年為人類的生活帶來更豐富多樣的體驗，許多人好奇，新的無線通訊規格到底引進了哪些新的技術呢？不同以往的追求頻寬及流量，無線寬頻的應用應該能有更多的面向，新的標準在規劃時期便試圖預見未來不同的需求，期望新的系統能夠彈性的支援資料量(data rate)、時延(latency)、可靠度(reliability)、能源消耗(energy consumption)以及元件成本(device cost)等不同的應用需求，以支持人類追求更便利安全的科技生活。事實上，這些需求部分是隨著長期演進技術(Long Term Evolution, LTE)的標準進化(LTE, LTE Advanced, LTE Advanced Pro)過程中所獲得的經驗。可以想像的，如此彈性的系統其複雜度將較以往複雜許多。因此，我們規劃了一系列的文章，與讀者們一起分享學習這個新系統的運行概念。

首先，讓我們想像一下，當你手機剛開機時要如何找到可以服務你的基地台呢？以物理層(Physical layer)的角度來說，用戶端首先需要透過一些無線訊號來判斷一個基地台是否存在附近並且能夠提供服務。這些信號最好是能夠同時提供用戶端進行接收信號時必須的時序(timing)與頻率(Frequency)相關的偵測與校準。由於NR的下行信號調變技術與LTE相同，採用正交分頻多工（Orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）技術。因此，主同步信號(Primary synchronization, PSS)與次同步訊號(Second synchronization signal, SSS)的設計概念便延續下來，用來提供用戶端在搜尋基地台時能夠同時進行時序與頻率的同步依據，並且進一步偵測基地台的細胞識別碼(cell identity)。與上個世代不同的是，新的同步訊號提供了兩倍的識別碼範圍，自原本的504個識別碼擴增至1008。這使得小型基站的布建更方便，可以避免細胞識別碼因為布建過於密集，不敷使用而造成的細胞間干擾。承襲LTE的設計概念，細胞識別碼() 可由以下方式組成：

其中以及的訊息分別被放置於SSS以及PSS信號序列中。 PSS與SSS在NR皆利用偽雜訊序列(Pseudo-Noise Sequence)來產生，其中PSS詳細的訊號(d_PSS(n))結構如下：

其中x序列的產生方式為 x(i 7) = (x(i 4) x(i))mod2，並且 [x(6) x(5) x(4) x(3) x(2) x(1) x(0)] = [1 1 1 0 1 1 0]

而SSS的訊號(d_SSS(n))結構則為：

其中

x₀(i 7) = (x₀(i 4) x₀(i))mod2

x₁(i 7) = (x₁(i 1) x₁(i))mod2

並且

[x₀(6) x₀(5) x₀(4) x₀(3) x₀(3) x₀(2) x₀(1) x₀(0)] = [0 0 0 0 0 0 1]

[x₁(6) x₁(5) x₁(4) x₁(3) x₁(3) x₁(2) x₁(1) x₁(0)] = [0 0 0 0 0 0 1]

以上簡單介紹完同步信號的基本概念，若讀者對LTE的同步信號有做過研究的話不難發現概念其實非常類似，主要的設計考量為最小化不同細胞間同步信號的相關性(correlation)，以增加信號偵測時的可靠度，其中當然也考慮到頻率偏移與都普勒效應的影響。而信號長度為127則考量到覆蓋範圍等因素。

而PSS與SSS在傳送時的配置關係又是如何呢？另外，千萬不要忘記了還有重要的系統廣播訊息在細胞搜尋時也需要去了解一番。下圖是NR新設計的同步信號與廣播通道的區塊(SS/PBCH block)。顧名思義，這個區塊包含了同步訊號以及廣播通道(Physical broadcast channel, PBCH)。並且，在資源上的定義為時間上佔了四個OFDM symbols，頻率域上則使用了240子載波(subcarrier)。或者，以LTE的定義又可以定義為240 資源單元(resource elements, REs)。其中PSS與SSS分別被定義在此區塊的第一個及第三個OFDM symbol，而PBCH則傳送在第二、四個OFDM symbols的完整240 REs，以及第三個OFDM symbol的兩端各48個REs，當然這當中必須包含一定比例(四分之一)的解調變訊號。這樣子的區塊設計其實考量了各種因素。例如在時間域上不要佔據太長的時間，讓基地台在高頻運作時可以同時考量波束成型(beamforming)以及波束掃動(beam sweep)時傳送此區塊的效率。而SSS配置於PBCH之間可藉由SSS信號得到相關資源的通道訊息，以進一步增加PBCH的偵測可靠度。而區塊中其餘未被定義的部分則假設未被配置任何信號。

圖一：SS/PBCH block架構圖 

今天向大家介紹了NR在物理層設計的同步信號與廣播通道的架構。而廣播通道的詳細內容以及相對應的傳送行為又是如何設計的？我們在之後的文章陸續跟大家說明。

Reference:

TS 38.211          NR; Physical channels and modulation, v1.3.0 (2017-12)