LTE終端小區(qū)選擇方案設計及實現(xiàn)

馮 川,李小文

(重慶郵電大學通信與信息工程學院,重慶400065)

1 引 言

LTE項目是近年來3GPP啟動的最大的新技術研發(fā)項目,是未來移動通信發(fā)展的重要方向,憑著它所具有的低時延、高帶寬、高質(zhì)量服務,隨著3GPP LTE標準的逐步成熟,其商用價值也會明顯體現(xiàn)出來。而良好的小區(qū)選擇策略,是實現(xiàn)上的一個難點,也是熱點,對于終端來講,顯得尤為重要。只有選擇了適合小區(qū)駐留方可接受小區(qū)的正常服務,接受系統(tǒng)消息得以獲取系統(tǒng)配置,以及相應的跟蹤區(qū)信息,以便當網(wǎng)絡向這個跟蹤區(qū)內(nèi)的小區(qū)發(fā)起尋呼時,終端發(fā)起RRC(無限資源管理)連接,獲得連接模式下的正常業(yè)務。所以如何有效、正確地選擇小區(qū)駐留對于LTE終端研究及最終商用顯得非常重要?；谶@一點,本文從LTE終端小區(qū)選擇的高層協(xié)議入手,從適合小區(qū)和可接受小區(qū)駐留條件出發(fā),展開了對LTE終端小區(qū)選擇過程的研究。

2 小區(qū)選擇的兩種基本過程

對于小區(qū)選擇過程,分為兩種情況:有先驗信息的小區(qū)選擇過程和沒有先驗信息的小區(qū)選擇過程。這兩個過程對應小區(qū)搜索范圍不同,一個按照存儲的信息,比如頻點、物理小區(qū)ID等,加快小區(qū)的選擇;一個是全頻段盲搜,對應場景比如此時的USIM是一張新卡或者丟失覆蓋等。如果根據(jù)先驗信息沒有發(fā)現(xiàn)適合小區(qū),則進入沒有先驗信息的初始小區(qū)選擇過程,繼續(xù)選擇適合小區(qū)或任意小區(qū)駐留。如果沒有先驗信息,則直接進入初始小區(qū)選擇過程[1]。

2.1 適合小區(qū)駐留條件

這兩種小區(qū)選擇判斷小區(qū)正常駐留的條件相同,需滿足以下4個條件:所選小區(qū)屬于所選PLMN(公眾陸地移動電話網(wǎng))或NAS(非接入層)提供的其它被允許的PLMN;所選小區(qū)不屬于漫游被禁止的跟蹤區(qū);所選小區(qū)屬于沒有被bar;所選小區(qū)滿足小區(qū)選擇S準則[2]。以上4個條件依次通過接收到的SIB1(系統(tǒng)消息 1)中 PLMN標識列表 plmn-IdentityList、跟蹤區(qū)編碼 trackingAreaCode、小區(qū)被阻 cell-Barred、小區(qū)選擇參數(shù)cellSelectionInfo[3]等相關IE判斷得出是否滿足適合小區(qū)駐留。只有當以上4個條件同時滿足方可認為選擇的小區(qū)為適合小區(qū),即正常駐留。其中小區(qū)選擇的S準則[1]定義如下:

式中,Qrxlevmeas表示接收信號的RSRP(接收到的參考信號功率值);Qrxlev min表示接收信號的最小功率值;Qrxlev min offer表示當駐留在VPLMN下周期性地選擇高優(yōu)先級的PLMN時Qrxlevmin的偏移量;Pcompensation取值為max(PEMAX PUMAX,0),其中PEMAX表示終端進行上行傳輸時的最大發(fā)射功率等級,PUMA X表示終端最大射頻輸出功率。

從中可以看出,S準則不僅考慮了終端能接收到網(wǎng)絡發(fā)來的信號強度值,還考慮了網(wǎng)絡能成功接收終端發(fā)給的信號功率值。

2.2 方案設計

無論是先驗信息的小區(qū)選擇過程還是沒有先驗信息的小區(qū)選擇過程,要同時滿足前面所述的4個條件,方可正常駐留。在實現(xiàn)時處理方法大致相同,當增強型的分組系統(tǒng)移動管理(EMM)發(fā)送激活請求信號給RRC,RRC請求物理層(PHY)進行測量,PHY向RRC上報測量信息,之后PHY進行下行同步過程,讀取系統(tǒng)消息主信息塊(MIB),根據(jù)得出的系統(tǒng)幀號(SFN)完成幀同步過程。PHY通過MAC(媒體接入控制)以透明模式將SIB1上報給RRC[3]。

結(jié)合上面方案,設計出小區(qū)選擇的流程圖,如圖1所示。其中涉及到NULL、SEL、IDL 3個狀態(tài),分別表示空狀態(tài)、小區(qū)選擇狀態(tài),以及空閑狀態(tài),是在設計過程中根據(jù)狀態(tài)機原理自行定義的;另外,涉及到的部分層間原語源于協(xié)議,是根據(jù)上下層交互的需要而定義的。在以下的具體敘述中,將一一說明。

圖1 小區(qū)選擇的正常流程Fig.1 The normal process of cell selection

EMM發(fā)送請求信號EMM-ACT-REQ激活RRC,在此根據(jù)是否有先驗信息分為有先驗信息的和沒有先驗信息的小區(qū)選擇過程,可通過定義信號參數(shù) cellNumber判斷。當cellNumber=0,對應沒有先驗信息的小區(qū)選擇過程;反之,則對應有先驗信息的小區(qū)選擇過程。之后,RRC通過信號CPHYPOWER-REQ,請求PHY進行RSRP的測量,同時通過信號CMAC-ACT-REQ激活MAC,由狀態(tài)NULL跳轉(zhuǎn)到SEL。PHY將測量值及對應小區(qū)信息通過信號CPHY-POWER-IND一并上報給RRC。RRC將相應信息保存下來,根據(jù)RSRP大小,對小區(qū)排序,并請求PHY同步到最強小區(qū)(即RSRP最大小區(qū)),通過信號CPHY-IS-BCH-REQ請求PHY進行下行同步,接收系統(tǒng)消息。同步成功通過信號CPHY-ISBCH-IND指示給RRC,其中MIB、SIB1為固定調(diào)度[4]。

3 問題研究及實現(xiàn)

如前所述,小區(qū)正常駐留需要同時滿足4個條件,然而當4個條件不能全部滿足時,該怎么執(zhí)行后面的小區(qū)選擇過程,是不可回避的問題,尤其涉及到具體實現(xiàn)。根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境的實際情況,下面就條件不滿足的后續(xù)小區(qū)選擇深入研究,設計解決方案并給出相應的設計流程,并利用SDL和TTCN協(xié)議仿真,產(chǎn)生MSC圖,給出仿真結(jié)果。

3.1 小區(qū)駐留策略與方案設計

通過SIB1的解讀可判斷小區(qū)是否為適合小區(qū)。當SIB1正確解讀,立刻判斷該小區(qū)的PLMN標識和NAS選擇的PLMN是否一致,是否為漫游被禁止的跟蹤區(qū),是否被bar,根據(jù)小區(qū)選擇參數(shù)計算的S值是否滿足S>0。下面針對這4個條件滿足情況分別討論。這里,首先對沒有先驗信息的情況進行討論。

第一種情況:當RSRP最大,但該小區(qū)廣播消息解讀失敗。這種條件對應初始小區(qū)選擇過程。PHY將測量各個小區(qū)RSRP報給RRC,之后對最強小區(qū)(依據(jù)RSRP大小)解讀小區(qū)廣播消息時,出現(xiàn)連續(xù)CRC校驗失敗達最大次數(shù),則放棄該小區(qū),立刻選擇次強小區(qū)駐留;如果該小區(qū)為適合小區(qū),即小區(qū)選擇成功,躍遷到RRC IDL狀態(tài);如果該小區(qū)不是適合小區(qū),再一次解讀后面的次強小區(qū)。

這種情況設計針對一旦小區(qū)廣播消息無法解讀,得不到網(wǎng)絡任何信息時的處理。同時考慮到無線環(huán)境很糟糕,當所有小區(qū)廣播消息均無法解讀時的處理,保證終端后續(xù)動作有效完成。

第二種情況:當RSRP最大,小區(qū)沒被bar,S>0,但PLMN不允許或?qū)儆诼伪唤沟母檯^(qū)。這種條件對應滿足可接收小區(qū)駐留條件。當PHY同步到該小區(qū),解讀SIB1發(fā)現(xiàn)此小區(qū)的PLMN標志與MM送下來的PLMN標志不一致或?qū)儆诼伪唤沟母檯^(qū)時,RRC直接向PHY發(fā)送讀取下一個小區(qū)的請求,不再解讀其它系統(tǒng)消息。

這種處理是基于跟蹤區(qū)、PLMN范圍遠遠超出了小區(qū)所屬范圍,當PLMN不是所選PLMN或NAS允許的其它PLMN或漫游被禁止的跟蹤區(qū)時,此時系統(tǒng)消息中的鄰近小區(qū)列表已無可用價值。但要設置一個保存這類小區(qū)信息列表,即將可接受小區(qū)信息保存下來,這樣做的好處是避免找不到適合小區(qū)可直接選擇受限小區(qū)駐留,縮短小區(qū)選擇過程。

第三種情況:當RSRP最大,但該小區(qū)被bar或S<0。這種條件對應小區(qū)不允許駐留情況。將測量小區(qū)的RSRP保存下來,按值從大到小排序,得到最大RSRP對應小區(qū),然后進行如上所述的下行同步過程,完成MIB、SIB1的解讀,判斷該小區(qū)被bar或S<0,即該小區(qū)不允許駐留。由于此時已經(jīng)同步到該小區(qū),解讀出來SIB1,那么等待SIB3(系統(tǒng)消息3)到SIB8(系統(tǒng)消息8)收完并立刻解讀這些系統(tǒng)消息,得到鄰近小區(qū)信息列表,在此需要和初始小區(qū)列表相比較,篩選出相同小區(qū)。再通過從開始保存下來的測量信息計算S,找出S>0的這些小區(qū),并對S值從強到弱排隊,然后,RRC發(fā)送選擇下一個小區(qū)的請求,要求PHY解讀這個S值最大小區(qū)的廣播消息,重新進入小區(qū)選擇小區(qū)過程。如果篩選出來的鄰近小區(qū)都不滿足要求,則選擇開始搜索中沒有選擇過的小區(qū)駐留。如果該小區(qū)選擇成功,則RRC躍遷到IDL狀態(tài)。

由于第三種較前兩種情況復雜,下面給出相應的設計流程,如圖2所示。

圖2 小區(qū)被bar或S<0Fig.2 The design process when the cell is bar or S<0

這種方案處理是基于已經(jīng)下行同步完成,系統(tǒng)消息能正確解碼的考慮。明顯可以看出,與直接放棄不允許駐留小區(qū)而去選擇初搜時的下一個次強小區(qū)相比,不僅節(jié)約再次同步的時間,而且可通過當前小區(qū)判斷臨近小區(qū)是否滿足S準則,通過S準則篩選小區(qū),很大程度上提高了小區(qū)成功駐留的機會。

有先驗信息時的小區(qū)選擇與沒有先驗信息的小區(qū)選擇過程,只是對應小區(qū)搜索范圍不同,設計方案大同小異,在此由于篇幅有限,不再一一說明。

3.2 仿真結(jié)果

對于上述的討論,可以發(fā)現(xiàn)在小區(qū)選擇方案中,第三種情況具有典型性,在此采用Telelogic AB Tau的產(chǎn)品SDL and TCN Suite 3.4作為開發(fā)工具,給出相應的仿真結(jié)果,以便方案設計的有效性得到進一步證實。SDL and TCN Suite 3.4是一個集仿真、開發(fā)、測試于一體的軟件工具,完全滿足LTE終端協(xié)議開發(fā)和一致性測試的需求。利用SDL和TTCN協(xié)議仿真觸發(fā)信號流程,從SDL的MSC跟蹤圖中可以看出協(xié)議的執(zhí)行過程。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 RSRP最大小區(qū)不允許駐留時的MSC圖Fig.3 The MSC diagram when the largest RSRP cell does not allow

利用TTCN和SDL協(xié)議仿真,觸發(fā)信號流程,由圖3看出,協(xié)議的執(zhí)行過程以及狀態(tài)的躍遷直觀地表現(xiàn)在MSC圖上,與前面的方案設計情況一致。同時,對消息序列和數(shù)據(jù)流分析,協(xié)議一致性得到了驗證。從仿真結(jié)果來看,有效地完成了協(xié)議所要求的小區(qū)選擇功能。

4 結(jié) 論

小區(qū)選擇過程涉及問題較多也較復雜,而一個商用的終端必須可以適應各種復雜的地理條件。本文以3GPP LTE協(xié)議為基礎,對小區(qū)選擇過程中涉及的典型問題進行了研究,包括異常情況下的小區(qū)選擇,并給出了相應的解決方案及仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果來看,該方案有效地完成了協(xié)議所要求的小區(qū)選擇的功能,這也對LTE的商用化具有一定的參考價值。同時,隨著3GPP LTE協(xié)議的逐步成熟,LTE廣闊的研究與應用前景會進一步體現(xiàn)。

[1]3GPP.TS36.304 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);User Equipment(UE)procedures in idle mode[S].

[2]李小文,李貴勇,陳賢亮,等.TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)、信令及實現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社,2003:77-79.LI Xiao-wen,LI Gui-yong,CHEN Xian-liang,et al.The 3rd Genetation Mobile Communication System,Signaling and Implementation[M].Beijing:People′s Posts&Telecommunications Press,2003.(in Chinese)

[3]3GPP.TS36.321 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Medium Access Control(MAC)protocol specification[S].

[4]3GPP.TS36.331 V9.0.0,3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTR A);Radio Resource Control(RRC)[S].