PBCH 全解析（在 5G NR 中的技术与应用）

一、PBCH概述

1、PBCH的定义和功能

PBCH，即物理广播信道（Physical Broadcast Channel），是蜂窝小区的广播信道，主要用于传输系统信息，如小区ID、系统带宽等。PBCH的主要功能包括：

• 传输MIB消息：MIB（Master Information Block）包含了系统帧编号、子载波间隔、SSB（Secondary Synchronization Signal）子载波偏移等关键信息，这些信息对于UE（User Equipment）进行初始接入和系统配置至关重要。
• 提供L1同步信息：也被称作解调参考信号（DMRS），这是5G特有的，用于替代小区参考信号CRS。这个同步信息不是PBCH特有的，所有下行物理层信道都包含此类信号。

2、PBCH的技术特点

PBCH的技术特点包括：

• 数据传输：PBCH信道的主要目的是在小区内为多个用户提供高速数据传输服务。它通过将数据划分为不同的数据块（Block），然后在一个特定的时隙（Slot）内将这些数据块发送给接收器，实现了高速、高效和可靠的数据传输。
• 多用户传输：PBCH信道是一种多用户传输信道，它能够在同一时间内为多个用户提供服务，提高了频谱利用率和系统容量。
• 编码和解调技术：PBCH信道支持多种不同的数据编码方案和调制技术，如卷积编码、LDPC编码、Turbo编码、QPSK、16QAM和64QAM等，以适应不同的传输需求和环境条件。
• 前向纠错：为了提高数据传输的可靠性，PBCH信道还支持前向纠错（FEC）技术，可以在接收端对错误数据进行纠正，减少重传次数。

3、PBCH 的结构和时频位置

• 时域结构：一个 SSB 由 4 个 OFDM 符号组成。
• 频域结构：一个 SSB 由 240 个连续的子载波组成，子载波在 SSB 中按照 0~239 的升序排列编号。
• PBCH 时频位置：在时域上位于 SSB 的第二个 Slot 的前 4 个 OFDM 符号；在频域上占据 72 个中心子载波（不含 DC） 。

4、PBCH 的重要性

• 承载关键系统信息：PBCH 信道是 5G NR 中非常重要的一个信道，承载了系统信息的大部分内容。
• 助力 UE 接入网络：对 UE 接入网络起到了至关重要的作用。通过对 PBCH 信道的解调，UE 可以获得 MIB 信息。
• 为后续通信和同步奠基：UE 获取 MIB 信息后，能进一步了解系统的时频配置和物理层小区 ID 等信息，为后续的通信和同步打下基础。

5、PBCH 的编码和解调过程

• 时频同步：在 UE 接收到 PBCH 信号后进行解调获取 MIB 信息，时频同步是通过检测 PSS 和 SSS 信号来实现的。
• 解扰：解扰需要使用到 RNTI（Radio Network Temporary Identifier），该标识符可以用于区分不同的 UE 或者不同的小区。
• QPSK 解调和解码：QPSK 解调和解码过程可以使用到 CRC 校验来保证数据的可靠性。

二、PBCH的应用场景

PBCH（Physical Broadcast Channel，物理广播信道）在通信系统中的应用场景主要包括以下几个方面：

1. 传输系统信息

   • PBCH主要承载系统信息（MIB），这些信息对于用户设备（UE）接入网络至关重要。例如，MIB中包含的时隙配置、帧结构类型、SS/PBCH block的周期、物理层小区ID等参数，是UE进行初始接入和系统配置所必需的。
   • 除了MIB之外，PBCH信道还可以携带额外的PBCH负载，用于传输一些补充信息，以帮助UE更好地理解和利用网络资源。

2. 实现信号同步

   • PBCH中的L1同步信息（解调参考信号DMRS）用于替代小区参考信号CRS，帮助UE完成小区搜索、波束测量和选择等过程，实现信号的同步。

3. 支持多种编码和解调技术

   • PBCH信道支持多种不同的数据编码方案和调制技术，如卷积编码、LDPC编码、Turbo编码、QPSK、16QAM和64QAM等，以适应不同的传输需求和环境条件。

4. 支持前向纠错

   • 为了提高数据传输的可靠性，PBCH信道支持前向纠错（FEC）技术，可以在接收端对错误数据进行纠正，减少重传次数。

5. 支持多用户传输

   • PBCH信道是一种多用户传输信道，能够在同一时间内为多个用户提供服务，提高了频谱利用率和系统容量。

6. 适应不同频段

   • PBCH的结构设计考虑到了高频段的频偏问题，确保即使在高频频段（如毫米波频段）也能保持良好的相关性，从而减少错误检测的概率，保证了在不同频段下的信号稳定性和可靠性。

三、5G NR中PBCH信道的主要功能是什么

在5G NR（New Radio）中，PBCH（Physical Broadcast Channel）信道扮演着重要角色。其主要功能包括：

• 传输MIB信息：PBCH信道用于传输最小系统信息块（Master Information Block，MIB），这是RRC（Radio Resource Control）层的一个概念。MIB包含了系统帧编号、子载波间隔、SSB（Secondary Synchronization Signal）子载波偏移等关键信息，这些信息对于UE（User Equipment）进行初始接入和系统配置至关重要。
• 提供额外的PBCH负载：除了MIB之外，PBCH信道还可以携带额外的PBCH负载，这部分负载通常用于传输一些补充信息，以帮助UE更好地理解和利用网络资源。
• 支持高速数据传输：PBCH信道通过将数据划分为不同的数据块，并在特定的时隙内发送给接收器，实现了高速、高效和可靠的数据传输。
• 支持多用户传输：PBCH信道是一种多用户传输信道，它能够在同一时间内为多个用户提供服务，提高了频谱利用率和系统容量。
• 支持多种编码和解调技术：PBCH信道支持多种不同的数据编码方案和调制技术，如卷积编码、LDPC编码、Turbo编码、QPSK、16QAM和64QAM等，以适应不同的传输需求和环境条件。
• 支持前向纠错：为了提高数据传输的可靠性，PBCH信道还支持前向纠错（FEC）技术，可以在接收端对错误数据进行纠正，减少重传次数。

综上所述，PBCH信道在5G NR中承担着传输关键系统信息、支持高速数据传输、多用户传输以及多种编码和解调技术的重要职责，是5G网络中不可或缺的组成部分。

四、PBCH信道在5G NR中的时频位置有哪些特点

在5G NR中，物理广播信道（PBCH）是与同步信号块（SSB）捆绑在一起的，它们共同构成了SSB-Synchronization Signal and PBCH block。每个SSB通常占用4个OFDM符号，而PBCH则跨越3个OFDM符号和240个子载波。具体来说，PBCH的时频位置具有以下特点：

时域特性：

• PBCH在时域上占用SSB块中的第1个、第2个和第3个OFDM符号位置。
• 在第1个和第3个OFDM符号上，PBCH占据所有240个子载波，除了用于传输DMRS的子载波。
• 在第2个OFDM符号上，PBCH占据子载波0到47以及子载波192到239，同样排除用于传输DMRS的子载波。

频域特性：

• PBCH在频域上覆盖整个SSB块，即240个子载波，但在第2个OFDM符号上，中间的48至191号子载波用于传输DMRS，因此实际上用于PBCH数据传输的只有96个子载波。
• 在第1个和第3个OFDM符号上，每隔4个子载波就有一个DMRS信号，而DMRS信号的起始位置取决于小区号与4之间求模的结果。
• 在第2个OFDM符号上，DMRS信号的起始和终止位置以及取值范围也有所不同，但其位置排布关系相似。

保护带设计：

• 在第0个OFDM符号上，子载波0到55和183到239号被用作保护带，不用于传输PBCH数据。
• 在第2个OFDM符号上，子载波48到55和183到191号也被用作保护带，以防止SSS和PBCH信号之间的干扰。

这些特点使得PBCH能够有效地在有限的时频资源内传输必要的系统信息，同时保证信号的质量和可靠性。

五、如何通过PBCH信道获取5G NR系统的基本参数

在5G NR系统中，PBCH（Physical Broadcast Channel）是一个重要的信道，它用于传输MIB（Master Information Block）消息，该消息包含了一系列用于初始接入和系统信息获取的关键参数。通过PBCH信道，UE（User Equipment）可以获取以下基本参数：

• 系统帧号（System Frame Number, SFN）：SFN是用来标识无线帧的编号，它在MIB中占6位，另外4位作为CRC校验码的一部分在PBCH传输块中传送。
• 子载波间隔（Subcarrier Spacing Common）：这个参数指示了SIB1、Msg-2/4的子载波间隔，用于SI消息的初始接入、寻呼和广播。在MIB内，这个参数占1位，用于区分FR1为15kHz或30kHz，以及FR2为60kHz或120kHz的子载波间隔。
• SSB子载波偏移（SSB Subcarrier Offset）：这个参数对应于kSSB，它是SSB与整个资源块网格之间子载波数量的频域偏移。对于FR1，kSSB的4个LSB从MIB参数ssb-SubcarrierOffset获得，并且在PBCH内编码附加位(MSB)以表示24个值。对于FR2，kSSB的4个LSB从MIB参数ssb-SubcarrierOffset中获取，代表12个值。
• 第一个DM-RS的位置（dmrs-TypeA-Position）：这个参数定义了下行链路（PDSCH）和上行链路(PUSCH)的第一个DM-RS符号的位置。在MIB内，这个参数占1位。
• SIB1参数集（SIB1 Parameters Set）：这个参数指示了SIB1的子载波间隔，占1位。
• 公共资源块网格偏移（Public Resource Block Grid Offset）：这个参数指示了公共资源块网格的偏移量，对于FR2，这个参数占5位。
• 半帧比特（Half-frame Bit）：这个参数指示了SSB位于10ms帧的前5ms还是后5ms，与SSB时间索引一起，用于UE确定小区的无线帧边界，实现帧同步。这个值在PBCH payload中。
• Cell Barred Flag：这个参数包含2bits，第1个bit指示UE是否可以接入该小区，第2个bit表示同频重选标示，指示是否允许UE接入同频的其他小区。

通过解码PBCH，UE可以获取上述信息，进而根据这些信息来获取其余的系统信息，如SIB1等。