从手机开机流程介绍5G通信——大唐杯学习笔记一_系统消息块

上面是一份手机的初始开机流程，本文将围绕这个图片，展开讨论，在5G时代，我们的手机是如何进行通信的。同时，尽量串联大唐杯中相关的知识点，为大唐杯复习的同学提供帮助。

系统消息

在手机开机完成以后的第一件事情就是接收系统消息。系统消息中包含了网络中的一些基本参数包括：网络配置，操作参数，安全信息等。这件事情很好理解，打个比方就是当一个人突然来到一个陌生的地方的时候，第一件事情就是收集当前环境的信息以对当下的处境有一个基本的了解。

        （知识点）系统消息的分类：主要分为三类：最小系统消息（MSI），剩余最小消息(RMSI），和其他系统消息（OS）。其中最重要的就是最小系统消息。它们为终端设备提供了接入网络和进行基本通信所需的基础参数。

       信道

提到收集信息，就不得不先提到收集信息的渠道。顾名思义，信道，就是一个传输信息的媒介。信息通过它进行传播。一般来说，信道可以分为3个层次：物理信道、传输信道、逻辑信道。

        最开始看到这几种信道可能会比较难以理解，下面对这三个信道进行解释：（学过计算机网络的同学可能会觉得这部分内容比较熟悉，可以类比计算机网络的内容进行理解）

        物理信道：它值得是在无线通信系统重，实际用于传输信息的物理媒介。它就是我们实际上可以看得见摸得着的光缆，电线这类传输信息的物理媒介；

        逻辑信道：它是在物理信道的基础上，由协议层为了方便管理和使用而虚拟出来的信道。

        传输信道：它定义了空中接口上数据传输的方式和特性。

物理信道、逻辑信道和传输信道之间的关系可以从以下几个方面来理解：

1.层级关系：逻辑信道是在物理信道之上，是一种更为抽象的信道表示。而传输信道则介于物理信道和逻辑信道之间，是实现物理信道传输功能的中间层。

2.功能划分：物理信道负责信息的传输，逻辑信道负责信息类型的定义和数据处理，传输信道则定义了数据如何在这些逻辑信道上传输。它们共同构成了完整的通信流程。

（因为设计到后面协议栈的概念，以下内容第一次阅读较难理解，建议跳过，在之后再回来看）

3.映射关系：在物理层，不同的物理信道可能映射到同一个逻辑信道，或者一个逻辑信道可能映射到多个物理信道上。

4.交互作用：逻辑信道和传输信道的交互作用是通过MAC层进行的，MAC层可以根据需要将逻辑信道映射到不同的传输信道上，从而优化通信效率和效果。

5.性能影响：物理信道的质量直接影响到传输信道的性能，因为传输信道是基于物理信道资源来传输数据的。同样，逻辑信道的效率也会影响MAC层对传输信道的使用效率。

最小系统消息：

最小系统消息由主信息块（MIB）和系统消息块1（SIB1）两部分组成。最小系统消息是5G网络中最为基础且重要的信息，通过它们，UE能够完成网络的的初始附着和连接建立。这就相当于人来到陌生的城市，所需要的最基本信息有两样：在哪里住？在哪里解决吃饭问题？解决了吃住问题，才有能力考虑接下来的问题。

        主信息块（MIB）

        MIB通过物理广播信道（PBCH）传播，是用户设备最先读取的信息块同时它也是系统消息的核心部分。MIB中包含了解码SIB1所需的所有信息，如小区ID,子帧间隔（SCS），SIB1的PDCCH资源分配等。这里所指的小区，并不是我们做的那个小区，它是通信领域的一个概念。5G网络是通过基站发射的信号覆盖特定地理区域形成的，这些区域被称为小区。MIB的发送是周期性的，大概每80ms发送一次，确保所以的终端（UE）都能够接受到这些关键信息。

        系统消息块1（SIB1）

        SIB1通过物理下行共享信道（PDSCH）周期性（160ms）广播并使用DCI format1_0进行分配调度。他包含了小区级别的配置信息，包括随机接入所需要的配置信息。这里所及讲的随机接入，可以暂时类比为——为电脑插上网线，连上网的过程。后期会对这个概念进行修正。总之，SIB1提供了网络的基本接入条件，包含了小区选择信息，小区接入相关信息，服务小区公共配置等。SIB1的传输不仅为UE提供了初始接入所需的信息，还包含了与其他SIB可用性和调度性的相关信息，这些信息对UE的正常工作和网络的稳定性至关重要。

概念拓展：理解了上面的概念，我们再回到信道，对它进行更进一步的介绍。

1.逻辑信道：逻辑信道关注的事传输的内容和类别。信息首先被分为两种类别：控制消息（控制面的信令，如广播类消息（如MIB,SIB1），寻呼类消息）和业务消息（业务平面的消息，承载着高层传来的实际数据）。因此逻辑信道又可以分为两类：控制信道，业务信道。

        按照信道内容和功能进行分类控制信道有可以分为：BCCH广播控制信道（广播系统消息），PDCH寻呼控制信道，CCCH公共控制信道，DCCH专用控制信道；业务信道主要是DTCH（专用业务信道）

2.传输信道：传输信道关注的事数据怎样传的问题。定义了空中接口（以下简称空口）中数据传输的方式和特征。通过形成传输块，不同的类型的传输信道对应空口上不同信道的处理方式。

        根据上下行不同可以分为：上行信道和下行信道。下行信道根据功能不同，又可分为PCH（寻呼信道），BCH（广播信道），DL-SCH（下行共享信道）；上行信道按照功能不同包括UL-SCH上行共享信道和RACH随机接入信道。

3.物理信道：物理信道是高层在无线环境中实际传送的方式，即空中接口的承载媒体。物理信道对应的事世界的射频资源，如时隙、子帧、子载波、天线端口。物理信道就是确定好承载编码交织方式，调制方式，在特定的频域、时域、空域上发送数据的无线通道。根据上下行不同，可以分为下行物理信道，上行物理信道。

按照功能不同，下行物理信道可以分为：

• PBCH物理广播信道，使用QPSK调制，广播系统消息（如MIB），天线端口号4000；
• PDCCH 下行控制信道，使用QPSK调制，传输下行控制信息，天线端口号2000；
• PDSCH 下行共享信道，使用QPSK或16,24,256QAM调制，传输下行数据，天线端口号1000

按照功能不同，上行物理信道可以分为：

• PRACH物理随机接入信道，QPSK调制，负责随机接入；
• PUCCH上行控制信道，QPSK调制，传输上行控制信息（可以反馈SR,如ACK/NAK）；
• PUSCH 上行共享信道，QPSK或16,24,256QAM调制，传输上行数据，

        概念答疑1

        到这里，关于系统消息的概念框架基本搭建起来了，但是这里有一个很微妙的问题——我们解释了一些旧概念却引入的许多新概念！有些概念在后续的讨论中对逐步解释，但有些概念却会在下面的讨论中经常用到或者对深入理解前面的内容十分有帮助，下面将将一 一介绍。

1.什么是上行，什么是下行？如何理解上下行的概念？

        所谓上行和下行，其实是通信中数据传输的两个方向。上行指的是终端到基站的通信方向，而下行则是从基站到终端的方向。一个简单的例子是，我们用手机浏览器查询资料，当我们在搜索框输入我们要查的东西，在按下enter键的时候，我们就在进行上行数据传输，当获得搜索结果兵显示在我们的手机上的时候，就是在进行下行数据传输。

2.什么是QPSK调制，256QAM调制

       所谓调制，就是把信号形式转换成适合在信道中传输的一种过程。QPSK调制，和256QAM调制就是调制的不同类型。

3.什么是NR？

        关于NR的解释，有一位博主解释的很好，把链接放在这里，大家可以去看看他的文章：什么是NR？为了影响后面的理解，这里也稍微解释一下。

        NR,全称是New Radio，中文译就是新空口。手机和基站之间的接口，因为是基站和手机之间通过电磁波在空气中传播的，因此就叫做“空口”。至于说“新”空口，意思就是它是不同于4G的新的空口技术。5G新空口是基于4G空口技术设计的，也使用了OFDM的调制方式，在帧结构上修正了4G的一些不合理之处，增加了对大连接和低时延的支持，因此更加灵活，频谱效率也更高了。

4.在不同信道传输的信号是不同的吗？不同的信道上都有哪些信号传输？

        不同信道传输所传输的信号一般来说都是不同的。

        比如前面讲的MIB，它就是就是通过PBCH进行传输的。从整体来看，它的映射顺序是BCCH-BCH-PBCH。对于PBCCH，我们有DCI（Downlink Control Information）下行控制信息在上面传输，DCI可以用于上行PUSCH的调度，可以用于传输PUCCH和PUSCH的功率控制指令。与之相对，PUSCH上有UCI（Uplink Control Information）.除此之外，还有用于不同信道信号解调的DMRS（解调参考信号），指示信道状态的CSI-RS信道状态参考信号等多种信号。可以看到，信道中存在多种不同的信号，它们有的负责数据传输，有的负责数据传输的控制，这些信号共同完成数据稳定传输这一艰巨的任务。

        这里，关于MIB还要在多讲几句，MIB其实是SSB同步信号块的一部分。SSB包含PSS（朱同步信号）、SSS（辅同步信号）以及MIB。SSB在5G网络中承担着多重角色，包括但不限于小区识别、时间同步、频率同步以及波束管理等。

5.什么是子帧，时隙，子载波？

        每一个子载波可以看做是一个信道，或者正准确的说法是子信道。虽然这些子信道相互之间是独立的但是上面承载的信息是相关的，比如让某（几）个子载波上传输某个用户的信息。总之，不严谨的说，子载波=子信道。

        而时频资源就是由子载波和时间组合而成的二维的矩阵。

其中，我们对时间进行划分：一个无线帧（10ms），一个半帧（5ms），一个子帧（1ms）。道理子帧再往下分就是时隙。

通过上面这张图，我们可以看到，在不同的子载波间隔下，时隙的长度不同。在子载波间隔为15KHz时，一个子帧有1个时隙；子载波间隔为30KHz时，一个子帧有2个时隙，子载波间隔为60KHz时，一个子帧有4个时隙以此类推。而时隙再往下分，就是OFDM符号。一般一个时隙由14个符号组成，这个记住就行了。

除此之外，关于时频资源，还有很多概念。为了方面参加大唐杯的同学学习，这里一一罗列出来。（1）RB

（数据信道资源分配的最小单位） 时域上为一个时隙，频域上为12个SC（子载波）。

（2）RG

RG 表示5G 物理资源栅格，上下行分别定义（对于给定的参数集）。RG 在时域表示1个子帧；在频域上表示传输带宽内可用RB 资源。

（2）RBG

RBG 为数据信道资源分配的基本调度单位，用于资源分配Type0，降低控制信道开销。频域可配置为2 个RB、4 个RB、8 个RB、16 个RB。

（3）RE

在一个RG 中，RE 是最小的资源单元。在频域上，1 个RE 由1 个SC（Sub-Carrier，子载波）组成；在时域上，1 个RE 由1 个OFDM 符号组成，这一点与LTE 系统相同。

（4）REG

在频域上，1 个REG 由1 个RB 组成；在时域上，1 个REG 由1 个OFDM 符号组成，这一点与LTE 系统不同。

（5）CCE

CCE 是承载PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）的基本单位，用于承载DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）。1 个CCE 频域上占用6个REG，72 个RE。聚合等级：1,2,3,8,16。在72 个RE 中，有18 个用于DMRS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号），54 个用于DCI 传输。

6.关于栅格

      5G通信技术中的栅格（Raster）是指一系列预先定义好的频率点，这些频率点用于帮助无线设备在启动时快速定位到正确的频率位置，以便进行小区搜索和同步。栅格在5G中承担着重要的角色，因为它决定了网络的频谱利用效率以及设备的接入速度。  5G NR中栅格有如下几种：全局栅格（Global Raster），信道栅格（Channel Raster），同步栅格（Synchronization Raster）。

小区搜索过程

        讲到这里，我想，有的读者开始有点头疼了。但先别急，我们通过一下这么一个过程，来把我们上面所讲的概念串联起来，它就是小区搜索。

        所谓小区搜索指用户设备（UE）在启动或移动到一个新的位置时，通过无线电信号搜索并定位到合适的5G网络小区的过程。这个过程对于确保UE能够成功连接到网络至关重要，因为它涉及到时间和频率的同步以及小区身份信息的解码。

        5G小区搜索主要依赖于同步信号块（ SSB）中的主同步信号（ PSS）和辅助同步信号（SSS）。SSB包含了PSS、SSS以及物理广播信道（PBCH），它们共同构成了SSB。SSB在时域上持续4个OFDM符号，在频域上则持续240个子载波，形成一个特定的时频结构。

在5G NR（New Radio）系统中，小区搜索的过程大致可分为以下几个步骤：

1. 时频资源的配置与准备；
2. PSS/SSS检测：UE尝试检测SSB中的PSS和SSS信号。检PSS,SSS实现了终端（UE）的时间同步和频率同步，并获取物理小区标识，这位PBCH解码提供了必要的信息，如MIB信息。
3. 解调DMRS，如前所诉，它是解调参考信号，通过DMRS，UE可以解码出小区的物理ID。
4. 检测PBCH：通过检测PBCH得到最小系统消息MIB。
5. 读MIB：如前所述，MIB中包含了小区搜索所必须的消息。
6. 读PDCCH读PDSCH：如此前面的准备步骤之后，可以开始准备接受数据了。这里读PDCCH是为了获取下行控制信息，，这些信息会告诉UE如何接受并解码数据信道PDSCH最终得到SIB1消息。

随机接入

如果说刚在讲的小区搜索是为了完成下行同步，让基站可以顺利的讲信息传输到终端，那么接下来讲的随机接入，就是为了完成上行同步，让终端获得与基站通信的能力。

        概念定义：5G网络中的随机接入过程是一种用于终端（UE）和基站（gNB）之间进行上行同步的方法，以确保两者在开始通信之前处于相同的频率和时间位置。

        原理：随机接入过程主要基于前导码（Preamble）的传输，这些前导码是由预先定义好的（ZC）序列经过循环移位生成的。前导码的传输旨在让基站能够估计终端的到达时间（Timing Advance, TA），从而进行上行授权（UL Grant）的分配，确保终端能够在正确的时间发送消息。

        步骤：

随机接入过程一般包含以下步骤：

1. 前导码传输（MSG1）：UE根据网络的随机接入配置和下行测量结果，选择一个或多个前导码进行传输。这些前导码是预先定义好的，用于请求随机接入。

2. 响应传输（MSG2）：gNB在接收到UE的前导码后，会发送一个或多个响应消息。这些响应中包含了对前导码的确认以及后续消息（MSG3）的调度信息和资源分配（即上行授权，UL grant）。 MSG2中的UL grant会指示MSG3的传输定时，确保UE能够在正确的时间发送MSG3。

3. 消息3传输（MSG3）：UE使用gNB在MSG2中分配的资源来发送MSG3，通常包含必要的身份信息，如国际移动用户识别码(IMSI)或者唯一标识符，以便网络能够识别并处理该UE的接入请求。

4. 竞争解决（MSG4）：如果多个UE同时尝试接入网络，并且使用了相同的前导码，则会发生竞争。网络将通过MSG4来解决这种竞争，确保只有一个UE能够成功完成接入流程。竞争解决是通过UE在MSG3中发送的身份信息来实现的，网络会根据这些信息来判断是否有冲突发生，并通过MSG4通知UE竞争解决的结果。

下面列出了基于竞争的接入发生的情况：

• 初始接入；
• RRC重建
• 上行数据发送但网络没有同步；
• 没有足够的调度请求资源

非竞争的随机接入通常发生在网络已知UE的情况下，如切换或寻呼，网络可以通知UE准确的接入时机和使用的前导码，从而避免重读。