课程视频前面两个小节我们讨论了PBCH的基本功能与信道映射PBCH承载MIB消息其逻辑信道为BCCH、传输信道为专属的BCH。本节将进一步深入PBCH的物理层内部具体讲解MIB内容是如何一步步经过比特拼接、加扰、信道编码、速率匹配、调制最终转化为可在SSB中传输的576个资源单元RE的完整处理过程。一、SSB完整索引号的合成高位与低位的巧妙分工在正式讲解处理流程之前我们先补充一个此前遗留的重要问题手机究竟是如何获得完整的SSB索引号波束编号的我们在上一小节曾提到PBCH载荷中包含若干比特用于表示SSB索引的高位但这仅仅是完整索引号的一部分。终端首先会检测并成功解码主同步信号PSS与辅同步信号SSS。SSS序列本身携带着物理小区标识PCI的一部分信息但3GPP标准还巧妙地设计了SSS序列结合PBCH DMRS的映射规则使得终端能够从中推导出SSB索引的低3位——换言之不同的SSS序列模式天然对应着不同的低3位组合这一具体的映射关系可以从PBCH DMRS在TS 38.211中的定义推导得出。随后终端在解调PBCH时可以从PBCH载荷成功解码后所携带的字段中提取出SSB索引的高位部分。最终终端将通过SSS/PBCH DMRS间接获取的低位与从PBCH载荷直接获取的高位组合起来从而得到完整的SSB索引号。图7.2.2.3.3-1 SSB索引号高低位合成关系示意原讲义配图1.1高位比特随场景灵活复用PBCH载荷中用于承载SSB索引高位的比特数量是固定的3个比特但其具体含义会依据载波频率所处的范围FR1或FR2而有所不同频率范围SSB最大数量3比特的具体用途FR2高于6GHz毫米波最多64个全部3个比特都用于表示SSB索引号的高3位结合低3位共6位可表示0~63FR1低于6GHz最多8个仅需2个比特表示SSB索引号的高2位结合低3位共5位理论上已足够表示0~7但规范仍预留3位区间剩余1个比特转而复用为kSSB参数的最高位扩展精度之所以在FR1场景下会把“多余”的1个比特挪用给kSSB是因为FR1频段的子载波间隔相对更小15/30 kHzSSB相对CRB栅格的精细偏移就需要更高的表示精度而在FR2场景下由于波束数量本身多达64个3个比特全部用于索引编号都恰好用完没有余量可以挪用。这正是我们在上一小节讨论kSSB字段时留下的一个伏笔——kSSB字段在MIB中只有4个比特0~15但配合PBCH载荷中挪用而来的这1个额外比特在FR1场景下kSSB实际上可以扩展到5个比特的精度0~31。1.2低位比特通过DMRS间接检测获得SSB索引号的低3位FR1场景则是低3位中的部分位并不是通过PBCH载荷中的显式比特字段直接给出的而是通过一种更为间接、也更为巧妙的方式来传递——PBCH DMRS序列本身的生成参数。图7.2.2.3.3-2 PBCH DMRS序列与SSB索引低位的间接关联示意原讲义配图PBCH DMRS本质上是一段伪随机序列其生成依赖于一个初始化种子参数通常记为c_init。这个初始化种子的具体取值与物理小区标识PCI、以及本节所讨论的SSB索引号低位等参数密切相关——不同的SSB索引号会对应不同的c_init取值进而生成不同的DMRS序列。手机并不会直接“读出”c_init中的比特内容而是通过相关运算correlation的方式将接收到的DMRS信号与本地依据各种可能的候选参数预先生成好的一系列参考DMRS序列逐一比对找出相关性最强的那一个从而反推出正确的低位取值。这与我们在此前小节讨论Zadoff-Chu序列相关特性时所介绍的检测原理是一致的思路——都是依靠相关运算从有限的候选集合中挑选出与接收信号最匹配的那一个。二、MIB从MAC层到RRC层的通知机制MIB消息本身产生于MAC层但其中的部分信息如系统帧号SFN等需要被RRC层所利用。因此MAC层生成MIB之后还需要将这些相关信息回传通知给RRC层作为后续相关RRC流程的基础设置依据。这里需要再次强调MIB字段中一个此前反复提及的设计细节MIB中的SFN字段只包含系统帧号10个比特中的高6位而低4位的精确数值需要在物理层中、MIB字段以外的位置额外添加。MIB的完整ASN.1结构如下所示供读者对照回顾MIB :: SEQUENCE {systemFrameNumber BIT STRING (SIZE (6)),subCarrierSpacingCommon ENUMERATED {scs15or60, scs30or120},ssb-SubcarrierOffset INTEGER (0..15),dmrs-TypeA-Position ENUMERATED {pos2, pos3},pdcch-ConfigSIB1 INTEGER (0..255),cellBarred ENUMERATED {barred, notBarred},intraFreqReselection ENUMERATED {allowed, notAllowed},spare BIT STRING (SIZE (1))}其中subCarrierSpacingCommon指明了后续CORESET0与SIB1所采用的子载波间隔pdcch-ConfigSIB1则是对CORESET0的具体定义这部分内容将在下一小节详细展开。三、PBCH完整处理流程从24比特到576个RE厘清了SSB索引号的合成方式与MIB的基本结构后我们正式进入本节的核心内容——PBCH在物理层的完整处理流程。整个流程可以概括为以下几个连贯的步骤步骤处理内容比特/符号数量变化①来自高层的24比特BCCH-BCH信息含1比特消息类型指示 23比特MIB字段与来自物理层的8比特SSB传输时间相关信息SFN低4位 半帧指示1位 SSB索引MSB 3位组合24 8 32 bitPBCH有效载荷②32比特PBCH有效载荷经历交织Interleaving32 bit顺序重排比特数不变③第一次加扰32 bit比特数不变④附加CRC等过程32 24 56 bitPBCH载荷⑤信道编码——通过极化编码Polar Coding、速率匹配、第二次加扰56 bit → 864 bit⑥QPSK调制每符号2比特864 ÷ 2 432个符号⑦432个PBCH符号与144个PBCH DMRS符号一起映射到SSB中用于传输PBCH的物理RE资源432 144 576 RE下面结合一张流程图更直观地梳理这一比特数量演变的完整链条图7.2.2.3.3-3 PBCH从MIB到RE映射的完整比特/符号数量演变流程自制补充图3.1为什么需要两次加扰细心的读者可能已经注意到上述流程中出现了两次独立的加扰操作——第一次发生在净荷Payload形成、正式信道编码之前第二次则发生在信道编码与速率匹配之后。这两次加扰虽然名称相同但作用的阶段与目的并不完全相同两个加扰步骤是互补的分别满足干扰管理以及与小区标识、波束成形特定定时相关信息传输的不同需求。通过将这两类不同的需求分离处理5G网络得以确保终端UE在初始同步与接入阶段既能获得可靠、又能获得高效的处理效果。知识拓展为什么PBCH的信道编码冗余度远高于普通业务信道PBCH原始净荷只有32比特加上CRC后是56比特但最终却要通过Polar编码膨胀到864比特——冗余度编码后比特数与编码前比特数之比高达约15倍以上这一比例远超绝大多数业务信道的编码配置。这背后的原因在于PBCH所承载内容的极端重要性它是手机接入小区必须获取的第一份、也是唯一没有其他备份获取渠道的关键信息一旦PBCH解码失败手机将无法继续后续的SIB1检测与随机接入流程。因此即便PBCH原始信息量很小3GPP依然愿意为它分配远超常规比例的冗余度用充裕的编码增益换取极高的解码可靠性确保即便在信号质量欠佳的小区边缘手机也有较大概率成功解调出MIB。3.2576个RE的具体构成PBCH最终占用576个RE这一结果同样可以结合SSB的物理资源结构直观地推算出来576 240×2 48×2。其中SSB内部承载PBCH的两个完整OFDM符号不含PSS/SSS的两个符号每个符号占满全部20个PRB20×12240个子载波因此贡献240×2480个RE而在承载SSS的那个符号中由于SSS本身占据了中间部分的子载波PBCH只能占用两侧剩余的子载波每侧48个子载波因此贡献48×296个RE。二者相加48096576与前述432个PBCH符号加144个PBCH DMRS符号的总数完全吻合——因为PBCH数据符号与其DMRS参考信号本来就是按照一定的间隔比例约3:1共享分布在这576个RE位置上的。图7.2.2.3.3-4 SSB内部PBCH资源单元RE分布示意图原讲义配图576 240×2 48×2四、本节小结本节围绕PBCH的物理层处理过程展开系统讲解了以下内容SSB完整6比特索引号的合成机制——高位2或3比特由PBCH载荷字段直接携带并因FR1/FR2场景不同而与kSSB精度产生巧妙复用低位3比特则通过PBCH DMRS序列的间接相关检测获得MIB从MAC层生成后向RRC层的通知机制及其完整ASN.1字段结构回顾以及PBCH从24比特高层信息经过物理层8比特追加、交织、两次加扰、CRC、Polar信道编码与速率匹配、QPSK调制最终映射到576个RE资源单元的完整处理链条并结合自制流程图与原讲义配图对每一个关键节点的比特/符号数量变化做了详细说明。至此我们已经从“生成什么内容”“如何在信道架构中映射”“具体经过怎样的物理层处理”这三个层次较为完整地讲解了PBCH的核心知识体系。下一小节“7.2.2.3.4 PBCH的接收和解调”我们将转换视角从终端接收端的角度讲解手机究竟是如何一步步反向解调出PBCH内容、最终还原出MIB消息的。