论文总字数：14138字

摘 要

随着信息技术的发展，科学的进步，5G网络技术来到了我们的身边并不断推广，人们对信息技术的要求也越来越高。为此，我国企业不断开发5G小区，不断研究提升5G网络速度的方法。构建5G小区，需要应用相关的算法实现搜索等功能，以此满足小区居民对5G网络快速传输文件与搜索资料的需求。

现在5G手机已经走进了千家万户,但是5G手机如何能够感应到5G基站的存在呢?这就要依靠小区搜索这一过程来实现了,依靠这一过程，手机可以依靠自己所支持的频率来检测到基站的信号。因此小区搜索是联系终端与网络的的重要纽带,对我国网络结构的优化和改善具有重要的意义。本文通过研究5G小区搜索与算法的课题以及在不同的场景之下小区搜索的参数丰富了现有的5G小区搜索与算法理论，为我国5G小区的构建提供改进策略。

关键词：5G；小区搜索；算法；流程；接入

5G cell search and algorithm research

Abstract

With the development of network technology and the explosion of information, 5G network technology has entered our lives and has been supported by the majority of people. In the next ten years, 5G network technology has a vast space for development.

At present, my country's annual mobile broadband traffic has shown a double growth status, which puts forward higher requirements for the security and reliability of the transmission network. Now that 5G mobile phones have entered thousands of households, how can 5G mobile phones sense the existence of 5G base goodstations? This depends on the process of cell search, and relying on this process, mobile phones can rely on the frequencies they support. This article studies the research topics of 5G cell search and algorithm, as well as the cell search in different scenarios. The influence of search parameters enriches the existing 5G cell search and algorithm theory, provides improvement strategies for the construction of our 5G cell, and provides suggestions for Chinese residents to improve the speed of mobile networks. Keywords: 5G; cell search; algorithm; process; access.

Keywords: 5G,Cell search, Algorithm, Rocess，Access

目 录

小区搜索的算法与研究 I

摘 要 II

Abstract 3

第一章 引 言 4

第二章 小区搜索的定义与流程 5

2.1 小区搜索的定义 5

2.2 SSB（同步信号模块）的介绍 5

2.3 5G小区搜索流程 6

2.4各模块的特殊功能以及算法 7

第三章不同的场景对小区搜索的影响分析及参数设置 10

3.1场景划分 10

3.2场景的定义和特点 10

3.3各场景所涉及的重要参数及说明 11

第四章 连接态的小区搜索参数介绍 14

4.1同频测量与切换过程中的小区搜索介绍 14

4.2异频的重选与切换过程中的小区搜索介绍 15

第五章 典型场景的组合验证与分析 16

5.1 基站选择 16

5.2 测试设备及软件选择 16

5.3 验证步骤 16

5.4测试总结 18

第六章 结 论 19

致 谢 20

附 录 22

附录A 22

附录B 22

引 言

如今，5G网络技术的研究已经进入到了重要的阶段，尽管5G网络技术不断地被使用，但是受制于现阶段的科技水平，在全国甚至全世界范围内的普及还很难实现。本人所撰写的论文是通过对5G网络中小区的搜索与算法的研究为5G网络技术的研究提供参考意义。

第二章 小区搜索的定义与流程

2.1 小区搜索的定义

为了使5G基站和5G手机之间能够有效的配合工作，手机需要通过自己所支持的频段来搜寻，如果手机检测到某小区存在那么5G网络手机上的5G信号便可显示，也就是具备了使用5G的条件，这一过程被称为小区搜索。

2.2 SSB（同步信号模块）的介绍

小区搜索这一过程主要是依赖于某一信号，这种信号便是SSB(同步信号模块)。SSB模块的主要作用就在于使手机和基站能够协同工作。手机在收发数据之前必须要获得基站使用频率和当前帧号的信息，否则搜索将陷入混乱。同步信号模块是在某些时间段某些频率发送的，这个问题就涉及到两个重要的概念：RE(资源单元)和RB（资源块）。

图2.1 SSB的结构图

如图2.1所示：5G的资源栅格与4G的资源栅格极其相似，都是基于OFDM（多载波调制）的，横轴为时域，单位是1毫秒。纵轴为频域，由多个子载波组成。5G与4G不同的是：5G的一个资源块由频域上的12个子载波组成而且5G是一维结构，它只有频域这一个维度。相同的是：5G和4G的RE(资源单元)都是由频域的一个子载波和时域的一个OFDM符号组成，这是无线资源的最小单位。

同步信号模块（SSB）由时域上的4个OFDM符号和频域上的20个RB组成，其中包含了三大信息模块分别是：PSS(主同步信号)、SSS(辅助同步信号)、PBCH(物理广播信道)。详细介绍如下：

PSS(主同步信号):全称为Primary SynchroniztionSingal，PSS在频域上占了127个子载波并且在第一个OFDM(多载波技术)符号上面发送信号。它包含了三个小区号。

SSS（辅助同步信号）：全称为Secondary SynchronizationSingnal，与PSS不同的是，它在SSB的第三个OFDM符号上发送，在频域上占127个子载波，其余的用于PBCH和隔离带。并携带了336个小区组号，它和PSS所携带的三个小区号结合决定了5G系统完整的物理小区号（PCI）,手机一旦顺利的检测到PSS和SSS就可以获得这个5G载波的完整的物理小区号。

PBCH(物理广播信道)：全称为Physical Broadcast Channel，PBCH(物理广播信道)在SSB的第二个和第四个OFDM的符号上面发送，同时也可以用SSS两端的48个子载波进行发送。

SSB的周期的变化范围在5ms到160ms之间，手机在检测某个频点时，时间不宜过长，等待时间默认为20ms。如果时间超过了20ms还未检测到，5G载波就会认为该频点不存在5G载波，就会自动跳到下一个频点继续尝试。

每次发送SSB的时刻被严格的限定在5毫秒的半帧之内，发送的重复次数在4到64次之间。

2.3 5G小区搜索流程

5G系统中的小区搜索是终端入网时与所处位置小区基站下行同步，获取小区 ID的过程，是5 G系统中小区搜索与基站建立通信的必要过程，小区搜索能力与整个通信系统的性能密切相关。整个5 G小区搜索过程中， UE启动后，需要结合 Global Synchronized信道号和中央频点公式，在支持的工作频段内联合搜索当前频点。在 UE获取中心频点等信息后就可以开始执行后续的定时同步等过程。论文主要研究在5G系统下UE获知频点后的一般小区搜索过程，因此频点搜索和广播信道解调暂不涉及，本文5G系统小区搜索流程如图2.2所示。

图2.2 5G小区搜索流程

2.3.1小区搜索流程详细介绍

1.给UE系统上电启动了之后，系统就会主动去检测到底哪些个中心频点会存在小区，小区存在的判断标准就是频点接收信号的强度，如果强度很大的话，这个频点就可能存在小区。如果强度不大，这个频点附近就不会存在小区。在关闭UE系统之前需要及时保存相关频点和运营商信息，这样的话在下一次开机之后，系统会自动的在上一次驻留的小区进行尝试。如果一不小心忘了保存相关频点和运营商信息，就需要进行全频扫描，去寻找有足够强度的信号频点并尝试。

2.在具有小区存在可能性的小区频点附近去接收PSS（主同步信号），在中心频带上它占了6个RB(资源块)它可以兼容整个系统的带宽。信号以5毫秒的半帧为一个周期不断地循环重复，在子帧#0发送，由于它极强的相关性，所以可以直接检测到，从而得到组内小区ID，这样就可以可以确定5ms的时隙边界，完成时隙同步。因为重复周期是5ms，只有半帧，所以这一步还是不能实现帧同步。

3.在5ms的时隙同步完成之后，以PSS（主同步信号）为基础，继续搜索SSS,SSS前后半帧的映射完全相反，只需两个SSS就可以确定10ms的边界。从而帧同步就完成了。SSS包含了336个小区组号，它和PSS所携带的三个小区号结合决定了5G系统完整的物理小区号（PCI）,手机一旦顺利的检测到PSS和SSS就可以获得这个载波的完整的小区号。从而下行参考信号的结构信息就可以被手机获得。

4.在帧同步完成了之后，接下来就可以去读PBCH(物理广播信道)了，解调前两步所获得的下行参考信号从而使得所获得的时隙与频率同步更加精确。同时为解调PBCH做信道估计。PBCH在子帧#0的slot#1上发送，就是紧靠PSS然后调制PBCH获得系统帧号和与带宽有关的信息以及天线配置，从而完成定时同步。

5.由于PBCH所携带的系统信息量不是很大，所以单纯的依赖PBCH还是远远不够的，而SIB（系统消息模块）携带了数量更大，数据更详细的系统信息。所以还需要再接收SIB即UE承载在PDSCH(物理下行共享通道)上的BCCH(广播信号通道)的信息。

为此需要进行以下步骤的操作：

接收PCFICH(物理控制格式指示信道),这时可以通过物理小区的ID推算出该信道的时频资源。接收解码从而获取PDCCH的信号数目。

在PDCCH(物理下行控制通道)的信道域的公共空间去搜寻发送到SI-RNTI(系统消息)的PDCCH,如果找到了恰当的PDCCH并且顺利通过了CRC(循环冗余)的校验，这就可以说明相关的SIB消息是存在的，这样系统就能够接收PDSCH(物理下行共享通道)信号了，译码了之后系统会主动的将SIB上报到高层协议栈，UE不断地接收SIB。

2.4各模块的特殊功能以及算法

2.4.1 PSS粗定时同步

下行的粗定时同步要求定时同步点处于循环前缀保护范围内，不影响数据的正常解调。

在5 G的初始同步阶段没有先验信息，如果要在频域内进行检测，需要进行多次 FFT运算才能对数据进行解调，增加了算法的复杂性，而且主同步信号（PSS）组数比辅同步信号（SSS）组数要少得多，从时间复杂度和实现难度两方面考虑，下行粗定时同步是利用 PSS信号在时域内进行相关实现。采用 m序列的5 G系统 PSS信号具有很好的相关性，其抗频偏性能也优于 LTE系统。本文参照 LTE系统的小区搜索方案，采用5 G系统的相关 PSS算法实现定时同步^［1］。

PSS频偏估计：通过对系统进行 PSS粗定时同步，终端可以提前完成整频偏检测，对整频偏进行补偿，从而降低系统的残留频率偏。因为5 G系统中的 PSS是由 m序列产生的，所以它具有很好的相关性，可用于小数频偏估计。

使用 PSS进行频偏估计的具体步骤如下：

从接收到的 PSS信号中根据当前时序同步位置提取 PSS信号，再由已知小区组中的 ID号确定相应的本地 PSS信号。由两组 PSS时域信号逐点共轭相乘而成的新序列 y （k）如下所示：

6y(k)=r(k)*s(k)公式（1-1）

式中，r（k）表示接收的PSS信号，s（k）表示本地PSS信号，k=0,1,2,...,N-1.PSS信号共轭相乘是为了消除PSS信号本身幅值大小和相位的影响，仅仅留下一个和频偏相关的式子。

2.4.2 SSS(辅助同步信号)的功能及算法

此次针对SSS的信号检测在频域进行，只需对127点频域数据进行互相关，大大减少了计算量。

公式（1-2）

公式（1-3）

其中，N=127为SSS频域数据的长度，R（n）为接收SSS频域信号，SSS_i（n）表示本地SSS频域信号，i=0，1，335。

通过公式（1-3）获得336组序列的互相关值，然后搜索互相关结果峰值。峰值对应的序列号即为所求的小区组号N_ID。

虽然频率域SSS检测在计算复杂度上相对较小，但是该检测算法在硬件资源占用方面仍有优化空间。降低了乘法器的使用。本论文改进和优化了SSS同步检测算法的硬件设计。本地SSS序列在5G系统中都取1或-1。将局部序列的相乘运算转化为局部序列的极性判断。以下是具体的优化步骤：

将接收到的时域信号用于数据提取。用粗同步位置作为基点。隔两个OFDM符号，再取降采样256点SSS时域数据。

获得256点时域信号进行FFT变换的方法。

局部SSS信号的长度是127，因此需要提取SSS频域256点信号的前63点和后64点数据。再结合，得到127点的频域序列。

判定局部序列每点数据的极性，处理接收到的127点频域数据。局部序列一一对应于接收到的频域数据。在值为正时，循环判断336组本地序列中每点数据的符号。将当前读到的接收信号进行加法处理。不然就做减法，直到完成对本地序列127点的判断处理。累积值即是每组序列的相互关系值。写成corr。

对336组相关的结果corr，进行模拟值运算.然后搜索其最大值，其最大值对应的序列号为所求N。

2.4.3 PBCH（物理广播信道）内容及传输过程^［2］

PBCH内容：PBCH中包含了NR的系统信息，承载了小区最基本的信息解码以及其他参数。PBCH在设计的过程之中尽量的减少载荷从而达到降低PBCH所用系统资源开销的成本的目的，提高刚接入时PBCH解码成功率，扩大5G网络在小区内的覆盖面积并且让网络边缘的接收更加的稳定，可靠。传输过程如下：

1.高层的24字节的BCCH-BCH（广播控制信道）与物理层时间相关信息（8字节）完美有效

结合从而形成PBCH的有效载荷（32字节）。

通过对有效载荷进行交织、第一次加扰、添加CRC等过程从而形成56字节PBCH载荷。

1.通过激化编码、速率匹配、第二次加扰等步骤从而形成432位的PBCH序列。

2.PBCH序列与PBCH DM RS（解调参考信号）序列一同进入SSB。

PBCH在传输的过程中有特点如下：

1.PBCH DM-RS的符号占总符号的1/4;

2把PBCH的有效载荷的加扰序列分成4段，由于PBCH信号之间存在一定的相关性，从而要

通过加扰来降低小区之间相互干扰的影响，其中一段表示SFN（单频网）的2bit，这被称为第一次加扰。UE在做PBCH解码时，只利用不曾加扰的第二段和第三段来获取加扰子序列。

第三章不同的场景对小区搜索的影响分析及参数设置

3.1场景划分

随着5G网络的建设与发展，组网结构开始场景多样化，不同的场景有着不同的特点，对参数的设置也有着不同的要求。我针对中国的电信网络结构列举出了三个不同的场景：1.高速运动场景；2.高话务场景；3.物联网场景。

3.2场景的定义和特点

3.2.1高速运动场景

随着我国经济水平和工业技术的进步，我国的高速公路还有铁路不断地发展。各大铁路公路如雨后春笋般的出现在了我国的大小城镇。高速移动下的火车、地铁等等都携带了大量的信息。因此，如何在高速移动的地铁或火车车厢内给乘客提供更高质量的通讯服务一直都是运营商和网络工程师们研究的重点。要想提供更优质的服务就必须清楚的了解高速运动场景的特点。高速运动场景的特点可以概括如下：

1)移动速度飞快，我国目前的高铁速度正常都在200km/h~300km/h.一列火车经过某人身边的时候，汽笛声的声调会变低，这一现象我们称之为多普勒效应。火车高速移动的时候所带来的多普勒频移会严重的降低终端设备和基站的解调性，严重的干扰了网络的性能，使得用户的感知变差；

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