LTE終端小區選擇方案設計及實現

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項目,是未來移動通信發展的重要方向,憑著它所具有的低時延、高帶寬、高質量服務,隨著3GPP LTE標準的逐步成熟,其商用價值也會明顯體現出來。而良好的小區選擇策略,是實現上的一個難點,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駐留方可接受小區的正常服務,接受系統消息得以獲取系統配置,以及相應的跟蹤區信息,以便當網絡向這個跟蹤區內的小區發起尋呼時,終端發起RRC(無限資源管理)連接,獲得連接模式下的正常業務。所以如何有效、正確地選擇小區駐留對于LTE終端研究及最終商用顯得非常重要。基于這一點,本文從LTE終端小區選擇的高層協議入手,從適合小區和可接受小區駐留條件出發,展開了對LTE終端小區選擇過程的研究。

2 小區選擇的兩種基本過程

對于小區選擇過程,分為兩種情況:有先驗信息的小區選擇過程和沒有先驗信息的小區選擇過程。這兩個過程對應小區搜索范圍不同,一個按照存儲的信息,比如頻點、物理小區ID等,加快小區的選擇;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。如果根據先驗信息沒有發現適合小區,則進入沒有先驗信息的初始小區選擇過程,繼續選擇適合小區或任意小區駐留。如果沒有先驗信息,則直接進入初始小區選擇過程[1]。

2.1 適合小區駐留條件

這兩種小區選擇判斷小區正常駐留的條件相同,需滿足以下4個條件:所選小區屬于所選PLMN(公眾陸地移動電話網)或NAS(非接入層)提供的其它被允許的PLMN;所選小區不屬于漫游被禁止的跟蹤區;所選小區屬于沒有被bar;所選小區滿足小區選擇S準則[2]。以上4個條件依次通過接收到的SIB1(系統消息 1)中 PLMN標識列表 plmn-IdentityList、跟蹤區編碼 trackingAreaCode、小區被阻 cell-Barred、小區選擇參數cellSelectionInfo[3]等相關IE判斷得出是否滿足適合小區駐留。只有當以上4個條件同時滿足方可認為選擇的小區為適合小區,即正常駐留。其中小區選擇的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絡發來的信號強度值,還考慮了網絡能成功接收終端發給的信號功率值。

2.2 方案設計

無論是先驗信息的小區選擇過程還是沒有先驗信息的小區選擇過程,要同時滿足前面所述的4個條件,方可正常駐留。在實現時處理方法大致相同,當增強型的分組系統移動管理(EMM)發送激活請求信號給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,讀取系統消息主信息塊(MIB),根據得出的系統幀號(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]。

結合上面方案,設計出小區選擇的流程圖,如圖1所示。其中涉及到NULL、SEL、IDL 3個狀態,分別表示空狀態、小區選擇狀態,以及空閑狀態,是在設計過程中根據狀態機原理自行定義的;另外,涉及到的部分層間原語源于協議,是根據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 小區選擇的正常流程Fig.1 The normal process of cell selection

EMM發送請求信號EMM-ACT-REQ激活RRC,在此根據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選擇過程,可通過定義信號參數 cellNumber判斷。當cellNumber=0,對應沒有先驗信息的小區選擇過程;反之,則對應有先驗信息的小區選擇過程。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NULL跳轉到SEL。PHY將測量值及對應小區信息通過信號CPHY-POWER-IND一并上報給RRC。RRC將相應信息保存下來,根據RSRP大小,對小區排序,并請求PHY同步到最強小區(即RSRP最大小區),通過信號CPHY-IS-BCH-REQ請求PHY進行下行同步,接收系統消息。同步成功通過信號CPHY-ISBCH-IND指示給RRC,其中MIB、SIB1為固定調度[4]。

3 問題研究及實現

如前所述,小區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,該怎么執行后面的小區選擇過程,是不可回避的問題,尤其涉及到具體實現。根據網絡環境的實際情況,下面就條件不滿足的后續小區選擇深入研究,設計解決方案并給出相應的設計流程,并利用SDL和TTCN協議仿真,產生MSC圖,給出仿真結果。

3.1 小區駐留策略與方案設計

通過SIB1的解讀可判斷小區是否為適合小區。當SIB1正確解讀,立刻判斷該小區的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,是否被bar,根據小區選擇參數計算的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,但該小區廣播消息解讀失敗。這種條件對應初始小區選擇過程。PHY將測量各個小區RSRP報給RRC,之后對最強小區(依據RSRP大小)解讀小區廣播消息時,出現連續CRC校驗失敗達最大次數,則放棄該小區,立刻選擇次強小區駐留;如果該小區為適合小區,即小區選擇成功,躍遷到RRC IDL狀態;如果該小區不是適合小區,再一次解讀后面的次強小區。

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

第二種情況:當RSRP最大,小區沒被bar,S>0,但PLMN不允許或屬于漫游被禁止的跟蹤區。這種條件對應滿足可接收小區駐留條件。當PHY同步到該小區,解讀SIB1發現此小區的PLMN標志與MM送下來的PLMN標志不一致或屬于漫游被禁止的跟蹤區時,RRC直接向PHY發送讀取下一個小區的請求,不再解讀其它系統消息。

這種處理是基于跟蹤區、PLMN范圍遠遠超出了小區所屬范圍,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時,此時系統消息中的鄰近小區列表已無可用價值。但要設置一個保存這類小區信息列表,即將可接受小區信息保存下來,這樣做的好處是避免找不到適合小區可直接選擇受限小區駐留,縮短小區選擇過程。

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

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下行同步完成,系統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而去選擇初搜時的下一個次強小區相比,不僅節約再次同步的時間,而且可通過當前小區判斷臨近小區是否滿足S準則,通過S準則篩選小區,很大程度上提高了小區成功駐留的機會。

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

3.2 仿真結果

對于上述的討論,可以發現在小區選擇方案中,第三種情況具有典型性,在此采用Telelogic AB Tau的產品SDL and TCN Suite 3.4作為開發工具,給出相應的仿真結果,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、測試于一體的軟件工具,完全滿足LTE終端協議開發和一致性測試的需求。利用SDL和TTCN協議仿真觸發信號流程,從SDL的MSC跟蹤圖中可以看出協議的執行過程。仿真結果如圖3所示。

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

利用TTCN和SDL協議仿真,觸發信號流程,由圖3看出,協議的執行過程以及狀態的躍遷直觀地表現在MSC圖上,與前面的方案設計情況一致。同時,對消息序列和數據流分析,協議一致性得到了驗證。從仿真結果來看,有效地完成了協議所要求的小區選擇功能。

4 結 論

小區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協議為基礎,對小區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選擇,并給出了相應的解決方案及仿真結果。從仿真結果來看,該方案有效地完成了協議所要求的小區選擇的功能,這也對LTE的商用化具有一定的參考價值。同時,隨著3GPP LTE協議的逐步成熟,LTE廣闊的研究與應用前景會進一步體現。

[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、信令及實現[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].