1.4 小区同步机制

小区同步，指终端同步到服务小区。小区同步分为两个步骤，终端首先与服务小区进行物理层的同步，之后终端经过测量和判决过程后，驻留到服务小区，接收服务小区广播的系统信息，实现信息同步。本节讲的小区同步聚焦在物理层的同步。

终端与服务小区在物理层的同步包含两项任务，一是终端实现与服务小区在时间上的同步；二是终端实现与服务小区在频率上的同步，其中，时间上的同步尤为关键。因此，想要理解LTE终端的小区同步机制，我们还得先从LTE空中接口的时间结构讲起。

1.4.1 LTE的时间结构

为了方便大家学习，这里我们先简要回顾一下LTE空中接口的时间结构。

在《LTE教程：结构与实施》（第2版）一书中讲到，LTE空中接口按双工方式FDD和 TDD，分为两种时间结构。这里就引用《LTE 教程：结构与实施》（第2版）一书的相关内容，分别加以介绍。

1.FDD

图1.17展示了FDD LTE空中接口的时间结构。从图1.17不难看出，FDD LTE空中接口的时间结构分无线帧、子帧和时隙三个层次，无线帧的时长为10 ms，子帧的时长为1 ms，时隙的时长为0.5 ms。

每个无线帧都有编号，称为系统帧编号（SFN），编号范围从0～1023，不断循环。SFN是终端定时的关键参数，前面讲终端的DRX周期时已经碰到了，后面还会在终端处理机制中经常碰到。

另外，每时隙还由多个OFDM符号组成，每个OFDM符号的时长也是固定的，与基波频率相关。在现网中，基波频率为15 kHz，对应的OFDM符号时长为66.7 μs。66.7 μs等于2 048个Ts,Ts是采样点时长，是LTE系统最小的一个时间单位。

每时隙包含的OFDM符号数量与OFDM符号的循环前缀CP长度相关，在现网中， CP一般设为常规CP，这样每时隙包含7个OFDM符号。

2.TDD

图1.18展示了TD-LTE空中接口的时间结构。从图1.18不难看出，TD-LTE空中接口的时间结构中引入了半帧这样一种结构，分为无线帧、半帧、子帧和时隙四个层次，其中，半帧由5个连续的子帧组成，时长为5 ms。

另外，在 TDD 双工方式下，各个子帧是有差别的，有些子帧用于下行，有些子帧用于上行。半帧的第1个子帧固定用于下行，其他子帧的用途可以配置。在LTE系统规范TS36.211中定义了7种配置，称为上下行比例。

在子帧中，有一种子帧称为特殊子帧，通常位于每个半帧的第二个子帧上。在特殊子帧中，既有上行部分又有下行部分。

特殊子帧上下行部分的时长也是可以配置的。在LTE系统规范TS36.211中定义了9种配置，称为特殊子帧格式。

上下行比例和特殊子帧格式作为系统参数，都会在SIB1中广播。

我们发现，尽管TD-LTE增加了一层时间结构，并且引入了可变的上下行比例和特殊子帧格式，但是无线帧、子帧和时隙的时长以及时隙的内部结构与FDD LTE还是保持一致的，尽可能地实现兼容。

1.4.2 小区同步的过程

讲完LTE空中接口的时间结构后，我们不难想到，所谓时间同步，就是在终端侧复制小区的时间结构，实现的方法就是同步机制。

当然，一个好汉三个帮，为了实施同步机制，终端还需要小区的帮助，提供一些信号，这些信号用于同步过程，称为同步信号。

那么终端是怎么利用同步机制来复制这些时间结构呢？这就是小区同步过程。LTE系统的小区同步过程继承了 WCDMA 系统的小区同步过程，因此我们先简单介绍一下WCDMA系统的小区同步过程。

附带说一句，从同步过程中我们可以发现，LTE 系统是从 WCDMA 系统发展而来的，而不是从TD-SCDMA系统发展而来的。

1.WCDMA终端的小区同步过程

图1.19展示了WCDMA终端的小区同步过程。可以看到，WCDMA终端借助主同步信道、辅助同步信道和导频信道，分别实现了时隙同步和无线帧同步，最终复制了WCDMA空中接口的时间结构。

2.LTE终端的小区同步过程

看完了WCDMA 终端的小区同步过程，我们再看LTE 终端的小区同步过程，就会发现两种终端的同步过程如出一辙。

图1.20展示了LTE终端的小区同步过程。可以看到，LTE的终端借助主同步信号（PSS）、辅助同步信号（SSS）、广播物理信道（PBCH）和小区参考信号（CRS），最终也复制了LTE空中接口的时间结构。

接下来，我们将介绍小区同步的具体过程，首先要介绍同步过程中发挥重要作用的各种信号与信道的时频结构。

1.4.3 小区同步的相关信号与信道

1.同步信号

毋庸置疑，同步信号是小区同步过程中最重要的信号。同步信号分为两种：主同步信号和辅助同步信号。

主同步信号和辅助同步信号在时间上的分布与双工方式相关，FDD和TDD有所区别。同步信号的时间分布如图1.21所示。

从图1.21可以看到，在FDD双工方式下，主同步信号占用了每个无线帧的第0号和第5号子帧的第一时隙的最后一个 OFDM 符号。这一长串结构听起来很拗口，实际上说明主同步信号是以5 ms为循环周期的。

辅助同步信号的位置是主同步信号的前一个OFDM符号，也就是第0号和第5号子帧的第一时隙的倒数第二个OFDM符号，也是以5 ms为循环周期的。

在TDD双工方式下，主同步信号占用了特殊子帧的第三个OFDM符号，辅助同步信号的位置是主同步信号的前三个OFDM符号，也就是第0号和第5号子帧的第二时隙的最后一个OFDM符号，也是以5 ms为循环周期的。

讲完了时间分布，我们再来看频率分布：主同步信号和辅助同步信号占用频点中央6个RB的带宽，可支持LTE最小的频点带宽（1.4 MHz）。

2.PBCH

从时间分布上看，LTE的广播物理信道（PBCH）分布在每个无线帧的第0号子帧的第二时隙上，占用范围从第一个OFDM符号到第四个OFDM符号，以10 ms为循环周期。广播物理信道（PBCH）的时间分布如图1.22所示。

从频率分布上看，PBCH与同步信号类似，也占用频点中央6个RB的带宽，可支持LTE最小的频点带宽（1.4 MHz）。

3.小区参考信号

从时间分布上看，LTE 的小区参考信号分布在每时隙的第一个 OFDM 符号和倒数第三个OFDM符号上，以0.5 ms为循环周期。小区参考信号的时间分布如图1.23所示。

从频率分布上看，小区参考信号分布在整个频点带宽上。

最后，请大家思考一下：

LTE的同步信号不是每时隙都发送的，这样做会有什么优缺点？

答：

1.4.4 主同步信号

1.主同步信号的内容

讲解了同步信号的时频结构后，接下来我们来了解同步信号的内容。我们先从主同步信号开始。

主同步信号的内容是ZC（Zadoff-chu）序列，长度为62个码元。

如果读过《LTE教程：结构与实施》（第2版）一书，你就不会对ZC序列感到陌生。ZC序列是一种伪随机序列，类似于CDMA系统中广泛应用的m序列，比m序列特性更好一些。

在LTE系统中，ZC序列得到了广泛应用，比如上行方向上的随机接入前导和上行参考信号都采用了ZC序列。在下行方向上，ZC序列用于主同步信号。

根指数是 ZC 序列的一个关键参数，用来描述和生成 ZC 序列，不同根指数的 ZC序列之间是可分辨的。

在LTE系统中，为主同步信号定义了三种ZC序列，根指数分别为25、29、34，每个小区会选用一种ZC序列，具体的根指数由小区PCI（小区物理层ID）中的NID2来决定。

PCI有如下的表达式：

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

根据PCI的表达式，NID2可以由PCI模三后得到，这也就是LTE系统中著名的模三干扰的由来。所谓模三干扰，就是指相邻小区的PCI模三后相同，于是根指数相同， ZC序列相同，终端与小区同步就麻烦大了。

为了避免相邻小区 ZC 序列的冲突，在现网中，通常一个基站的三个小区的根指数必须设为不同，紧邻小区的根指数尽量设为不同，这就要求我们仔细规划和设置小区的PCI。

最后，请大家思考一下：

如果相邻小区的PCI模三后相同，是否意味着终端不能接收主同步信号？

答：

2.主同步信号的映射

基站根据PCI得到了62个码元的ZC序列后，该如何把ZC序列映射到主同步信号的时频结构中呢？FDD主同步信号的映射过程如图1.24所示，该图以FDD双工方式为例，告诉了我们答案，映射的方法就是《LTE教程：结构与实施》（第2版）中讲到的各就各位。

首先，在FDD双工方式下，基站在每个无线帧的第0号和第5号子帧上，找到第一时隙的最后一个OFDM符号，做好时间上的定位；而在TDD双工方式下，基站找到特殊子帧的第三个OFDM符号，同样做好时间上的定位。

接下来是频率上的定位。前面讲了，主同步信号只占用频点中心的6个RB带宽的子载波。6个RB带宽对应72个子载波，不过主同步信号只占用这72个子载波中央的62个子载波，剩下的10个子载波，一边5个，用于频率保护。

基站再将ZC序列的每个码元，逐一映射到62个子载波对应的RE上，这样就完成了主同步信号的时频映射，用于生成OFDM符号，也就是基带信号。

最后，承载有同步信号的基带信号经过上变频和功放，射频信号由基站的天线发射出来，覆盖范围内的终端就可以接收到。

3.主同步信号的作用

终端接收到主同步信号后，可以发挥以下4个方面的作用。

（1）获得5 ms同步（半帧）

很明显，由于主同步信号每5 ms出现一次，因此终端可以获得5 ms的同步，也就是半帧同步。

（2）获得频率同步

由于主同步信号分布在62个子载波上，这些子载波的频率是严格确定的，因此只有终端的频率与小区同步，终端才可以正确接收主同步信号。

（3）获得OFDM符号同步

这个作用很容易理解，因为主同步信号是由 OFDM 符号来承载的。如果能正确接收到主同步信号，也就意味着终端与小区实现了OFDM符号的同步。

（4）获得NID2

前面讲了，主同步信号对应的ZC序列有三种，终端通过匹配，可以发现主同步信号是哪种ZC序列。根据ZC序列的种类，终端就知道了小区的NID2。

1.4.5 辅助同步信号

1.辅助同步信号的内容

讲解了主同步信号的发送和接收后，我们再来了解辅助同步信号。

辅助同步信号对应的还是62个码片的伪随机序列，但不是ZC序列，而是m序列的组合，主要原因是ZC序列的数量还不够多。

这62个码片的伪随机序列由2个31码片的伪随机序列组合而成，而两个伪随机序列来源于同一个31比特长度的m序列1，利用不同的循环移位长度得到。

循环移位的长度可以理解为 m 序列1的起始相位，两个序列的循环移位的长度在规范TS36.211中分别称为m0和m1。m0的取值范围是0～29,m1的取值范围是1～30，规范 TS36.211中共定义了168种 m0和 m1的组合，与 NID1一一对应。因此，知道了m0和m1，就知道了NID1，反之亦然。

图1.25展示了辅助同步信号的生成过程，从中可以发现它与主同步信号的最大差别是，辅助同步信号还要进行加扰，甚至还是多次加扰。

第1次加扰过程采用的扰码序列也是个m序列，即m序列2。基站对m序列2进行循环移位，循环移位长度由NID2决定。第1次加扰的目的是绑定主同步和辅助同步信号，让终端知道这两个信号来自同一个小区。

加扰后得到的序列，有一半的码片还要用第3个m序列来进行第2次加扰，基站将m序列3也进行循环移位，循环移位的长度根据m0和m1来确定。这个加扰过程用于帮助终端加快匹配m0和m1的速度。

值得注意的是，不同子帧上的辅助同步信号的内容是不同的，图1.25中用#0代表映射到第0号子帧的内容，用#5代表映射到第5号子帧的内容。

2.辅助同步信号的映射

接下来我们介绍辅助同步信号的映射过程，如图1.26所示，该图给出了这个过程的简化示意图，简化掉了加扰的过程。

首先，在FDD双工方式下，基站在每个无线帧的第0号和第5号子帧上，找到第一时隙的倒数第二个OFDM符号，做好时间上的定位；而在TDD双工方式下，基站找到第0号和第5号子帧的第二时隙的最后一个OFDM符号，做好时间上的定位。

接下来是频率上的定位。与主同步信号类似，辅助同步信号同样只占用频点中心72个子载波中央的62个子载波，剩下的10个子载波，一边5个，用于频率保护。

最后，基站明确OFDM符号上各个子载波的内容，也就是RE的内容。基站将扰码后得到的两个序列的每个码片，逐一交错地映射到62个子载波对应的RE上，这样就完成了辅助同步信号的映射。

辅助同步信号映射结束后，由基站发射出来，覆盖范围内的终端就可以接收到。

从图1.26中我们还注意到，由于第0号和第5号子帧的交错映射方式完全不同，再加上生成过程的差别，同一无线帧上第0号和第5号子帧上的辅助同步信号（SSS）的内容是完全不同的。

3.辅助同步信号的作用

终端接收到辅助同步信号后，可以发挥以下6方面的作用。

（1）获得10 ms同步（无线帧）

很明显，由于相同的辅助同步信号每10 ms出现一次，因此终端可以获得10 ms的同步，也就是实现无线帧同步。

（2）与主同步信号建立关联

通过相同的NID2，终端可以关联到主同步信号。

（3）区分FDD与TDD

通过主同步信号与辅助同步信号的时间差，终端可以判断系统的双工方式。

（4）明确子帧的起点

确定双工方式后，终端就可以推算出子帧的起点。

（5）获得子帧的编号

根据辅助同步信号的内容，终端不难发现第0号和第5号子帧的位置，这样所有子帧的位置都知道了。

（6）获得NID1和NID2

通过扰码序列，终端可以匹配到NID1和NID2，进而得到关键参数PCI。

4.后续工作

终端在明确时间结构、实现频率同步以及获得PCI参数后，就可以接收广播物理信道的内容，为后续接收系统信息广播打下基础。

终端还可以根据PCI找到小区参考信号，并开始测量小区参考信号的强度。

1.4.6 小结：小区同步的过程

最后，在图1.20的基础上，小结一下LTE小区同步的过程与内容，如图1.27所示。

图1.27增加了每个环节的作用，比如利用主同步信号，我们可以得到部分PCI；再利用辅助同步信号，我们得到了无线帧位置、时隙位置和PCI。

借助时间结构和PCI，我们可以解调出广播物理信道，从而获得下行带宽等关键参数，而利用下行带宽和PCI，终端监测小区参考信号，才能得到RSRP和RSRQ，为后续的判决提供数据。

当然，在物理层实现同步后，终端需要接收系统信息，实现信息同步：系统信息由基站按小区来广播，下一节我们将介绍小区广播的方法和内容。