一種用于主動(dòng)探測(cè)4G終端存在的小基站自啟動(dòng)策略

黃巧蕓 陳東進(jìn) 覃蓮

【摘? 要】隨著4G網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端的大規(guī)模使用，在特定場(chǎng)合對(duì)4G終端進(jìn)行探測(cè)具有十分重要的意義，如地震救災(zāi)、考場(chǎng)作弊檢測(cè)等。為了提高終端探測(cè)的效率，提出了一種主動(dòng)式探測(cè)的小基站自啟動(dòng)策略。該策略是LTE基站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)到的公網(wǎng)信息，自動(dòng)選擇最優(yōu)的小區(qū)參數(shù)建立小區(qū)，以觸發(fā)該基站覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)終端快速重選到本小區(qū)。測(cè)試結(jié)果表明，該策略能夠提高LTE基站覆蓋區(qū)域用戶的接入率，從而提高特定區(qū)域內(nèi)4G終端的探測(cè)效率。

【關(guān)鍵詞】LTE基站;自啟動(dòng);重選;終端探測(cè)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.017? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.531

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）01-0094-05

引用格式：黃巧蕓，陳東進(jìn)，覃蓮. 一種用于主動(dòng)探測(cè)4G終端存在的小基站自啟動(dòng)策略[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（1）： 94-98.

A LTE Base Station Self-starting Strategy for Active Detection of 4G Terminals

HUANG Qiaoyun1， CHEN Dongjin2， QIN Lian2

（1. Wuhan Post and Telecommunications Science Research Institute， Wuhan 430074， China;

2. Wuhan Hongxin Telecommunication Technologies Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

[Abstract]?With the large-scale use of 4G networks and mobile terminals， the detection of 4G terminals is of great significance in specific scenarios such as earthquake relief and cheating detection. In order to improve the efficiency of terminal detection， a self-starting strategy for active detection of small base stations is proposed. According to the information in the public network， LTE base station automatically selects an optimal cell parameter to establish a cell and triggers the mobile terminals in the coverage of the base station to rapidly reselect the cell. The test results show that the strategy can improve the access rate of users in the coverage of LTE base stations， and improve the detection efficiency of 4G terminals in a specific area.

[Key words]LTE base station; self-starting; reselection; terminal detection

1? ?引言

目前探測(cè)移動(dòng)終端的方法分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式探測(cè)通過(guò)接收移動(dòng)終端發(fā)送的信號(hào)獲取其身份信息，缺點(diǎn)是無(wú)法探測(cè)到處于待機(jī)狀態(tài)的終端，而大多數(shù)情況下終端是處于待機(jī)狀態(tài)。主動(dòng)式探測(cè)是利用探測(cè)基站并采用誘發(fā)技術(shù)，使移動(dòng)終端主動(dòng)與探測(cè)基站聯(lián)系，以探測(cè)其存在。常用誘發(fā)技術(shù)是觸發(fā)終端進(jìn)行小區(qū)重選，有兩種觸發(fā)方式，一種是通過(guò)提高探測(cè)基站發(fā)射功率，增強(qiáng)本小區(qū)廣播信道信號(hào)質(zhì)量，使終端發(fā)起小區(qū)重選，從而連接到探測(cè)基站。另一種是通過(guò)設(shè)計(jì)干擾機(jī)，發(fā)射電磁波干擾終端所在基站，使該基站無(wú)法正常工作，迫使終端只能選擇接入探測(cè)基站。干擾機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜、能耗較大，而且對(duì)公網(wǎng)基站干擾較大，因此本文采用提高探測(cè)基站發(fā)射功率的方式。雖然國(guó)內(nèi)外研究提出了該方式，但對(duì)該方式的具體實(shí)施研究較少，通過(guò)對(duì)LTE小區(qū)重選機(jī)制的研究，本文給出了具體實(shí)施方法并進(jìn)行了優(yōu)化。

2? ?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1? 系統(tǒng)基本原理

移動(dòng)終端在開(kāi)機(jī)后，會(huì)搜索周圍公網(wǎng)小區(qū)的廣播信道，通過(guò)比較信道信號(hào)的強(qiáng)弱選擇一個(gè)最優(yōu)的小區(qū)進(jìn)行駐留，之后，若無(wú)業(yè)務(wù)發(fā)起則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。處于待機(jī)狀態(tài)的終端，會(huì)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)側(cè)的系統(tǒng)廣播，也會(huì)周期性地對(duì)本小區(qū)的公共控制物理信道進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量和鄰區(qū)的頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，決定是否啟動(dòng)鄰區(qū)測(cè)量。當(dāng)鄰區(qū)頻點(diǎn)為高優(yōu)先級(jí)時(shí)，終端會(huì)啟動(dòng)鄰區(qū)測(cè)量，無(wú)需考慮信號(hào)質(zhì)量的好壞即可進(jìn)行重選;當(dāng)鄰區(qū)頻點(diǎn)為相同優(yōu)先級(jí)時(shí)，只有在小區(qū)重選時(shí)間內(nèi)，鄰區(qū)信號(hào)質(zhì)量一直高于當(dāng)前服務(wù)小區(qū)信號(hào)質(zhì)量與重選遲滯值之和，終端才會(huì)重選至鄰區(qū)。而當(dāng)鄰區(qū)頻點(diǎn)為低優(yōu)先級(jí)時(shí)，要先確認(rèn)無(wú)可用的高優(yōu)先級(jí)和同優(yōu)先級(jí)鄰區(qū)，且在重選時(shí)間內(nèi)，服務(wù)小區(qū)信號(hào)質(zhì)量低于門限值而鄰區(qū)信號(hào)質(zhì)量高于門限值，才會(huì)進(jìn)行重選。由此可見(jiàn)，終端是否重選至鄰區(qū)，在于鄰區(qū)的頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和信號(hào)質(zhì)量。

設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)原理如圖1所示，探測(cè)小基站通過(guò)偵聽(tīng)公網(wǎng)基站的廣播信道，解碼其系統(tǒng)消息獲取公網(wǎng)鄰區(qū)信息，選擇合適的小區(qū)參數(shù)完成探測(cè)基站的小區(qū)建立，發(fā)射廣播消息，使該廣播信道信號(hào)最強(qiáng)，誘發(fā)終端進(jìn)行小區(qū)重選。由于該小區(qū)與公網(wǎng)小區(qū)跟蹤區(qū)域碼設(shè)置不同，終端會(huì)啟動(dòng)跟蹤區(qū)更新，向網(wǎng)絡(luò)匯報(bào)其存在。根據(jù)小區(qū)重選機(jī)制，本文在兩種常規(guī)自啟動(dòng)策略基礎(chǔ)上，即RSRP（Reference Signal Received Power，參考信號(hào)接收功率）/RSRQ（Reference Signal Receiving Quality，參考信號(hào)接收質(zhì)量）最強(qiáng)和優(yōu)先級(jí)最高策略，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)公網(wǎng)環(huán)境綜合考慮RSRP/RSRQ及優(yōu)先級(jí)的策略。

2.2? 系統(tǒng)模型

本文設(shè)計(jì)的LTE基站自啟動(dòng)流程如圖2所示，該系統(tǒng)模型包括掃頻模塊、配置讀取模塊和算法決策模塊。

掃頻模塊完成鄰區(qū)掃描并上報(bào)鄰區(qū)信息。當(dāng)LTE基站上電后，將射頻設(shè)置為偵聽(tīng)模式，下發(fā)掃頻列表信息包括頻帶、頻點(diǎn)列表和PLMN，掃描公網(wǎng)內(nèi)各鄰近小區(qū)的信息。得出鄰區(qū)的頻點(diǎn)和PCI，計(jì)算出RSRP和RSRQ值，解碼系統(tǒng)消息，解析出重選優(yōu)先級(jí)等鄰區(qū)的關(guān)鍵信息。掃描結(jié)束后，掃頻模塊將掃描結(jié)果上報(bào)。

配置讀取模塊獲取鄰區(qū)信息。根據(jù)偵聽(tīng)到的各鄰近小區(qū)的信息，按照優(yōu)先級(jí)大小和RSRP強(qiáng)度排序，獲取本基站的鄰區(qū)列表。

算法決策模塊決策采用的策略。根據(jù)鄰區(qū)列表中的重選優(yōu)先級(jí)和RSRP及RSPQ強(qiáng)度，選擇合適的策略，完成本基站的工作頻點(diǎn)、PCI、擾碼、最大發(fā)射功率等小區(qū)參數(shù)的自動(dòng)配置，建立小區(qū)，實(shí)現(xiàn)LTE基站的自啟動(dòng)流程。

3? ?自啟動(dòng)策略

3.1? 常規(guī)自啟動(dòng)策略

（1）重選優(yōu)先級(jí)策略

與2G和3G網(wǎng)絡(luò)不同，LTE系統(tǒng)引入了重選優(yōu)先級(jí)的概念，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可根據(jù)不同頻率劃分優(yōu)先級(jí)，最終通過(guò)對(duì)小區(qū)優(yōu)先級(jí)的劃分實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)小區(qū)間的選擇。通過(guò)配置各頻點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)能方便地引導(dǎo)移動(dòng)終端往高優(yōu)先級(jí)頻點(diǎn)駐留。

重選優(yōu)先級(jí)策略是探測(cè)基站通過(guò)解碼公網(wǎng)鄰區(qū)系統(tǒng)消息SIB3和SIB5獲取同頻和異頻鄰區(qū)的頻點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，若存在同頻優(yōu)先級(jí)為7的小區(qū)，則任意選擇一個(gè)優(yōu)先級(jí)為7的同頻小區(qū)參數(shù)完成本基站的自動(dòng)配置。若不存在，則任意選擇一個(gè)優(yōu)先級(jí)為7的異頻小區(qū)參數(shù)，否則任意選擇一個(gè)次高優(yōu)先級(jí)的小區(qū)參數(shù)。

（2）RSRP/RSRQ最大值策略

RSRP是指在測(cè)量帶寬內(nèi)，承載了參考信號(hào)的所有資源粒子上接收到的信號(hào)功率的平均值，用以衡量某個(gè)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度。RSRQ是判斷信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)測(cè)量值，可以指示當(dāng)前信道質(zhì)量和干擾水平。

如果UE當(dāng)前服務(wù)小區(qū)為R9協(xié)議且在系統(tǒng)消息中下發(fā)了RSRQ相關(guān)參數(shù)，則UE更容易重選到RSRQ較好的鄰區(qū)，即信道質(zhì)量較好、干擾較小的鄰區(qū)。

RSRP/RSRQ最大值策略是探測(cè)基站根據(jù)掃描得到的公網(wǎng)鄰區(qū)信息，包括PCI、頻點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的RSRQ/RSRP等小區(qū)參數(shù)，判斷鄰區(qū)是否下發(fā)RSRQ，若是，則選擇RSRQ最大值對(duì)應(yīng)的小區(qū)參數(shù)，否則，選擇RSRP最大值對(duì)應(yīng)的小區(qū)參數(shù)。

（3）優(yōu)先級(jí)和RSRP/RSRQ策略的優(yōu)缺點(diǎn)

重選優(yōu)先級(jí)策略充分利用LTE系統(tǒng)引入的重選優(yōu)先級(jí)的概念，通過(guò)配置小基站頻點(diǎn)為當(dāng)前區(qū)域內(nèi)最高優(yōu)先級(jí)，引導(dǎo)移動(dòng)終端重選到本基站小區(qū)。該策略由于需要獲取系統(tǒng)消息并進(jìn)行解碼，因此掃描時(shí)間較長(zhǎng)，且由于不考慮信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量，會(huì)出現(xiàn)服務(wù)小區(qū)信號(hào)質(zhì)量較好而本小區(qū)質(zhì)量較差的情況，導(dǎo)致終端駐留在服務(wù)小區(qū)或者反復(fù)發(fā)起重選。

RSRP/RSRQ最大值策略由于只需要對(duì)周圍鄰區(qū)進(jìn)行小區(qū)搜索獲取信號(hào)強(qiáng)度，而不需要解碼系統(tǒng)消息，因此大大縮短了掃描時(shí)間。但根據(jù)該策略選擇的小區(qū)頻點(diǎn)有可能優(yōu)先級(jí)低于終端服務(wù)小區(qū)，導(dǎo)致終端需先向高優(yōu)先級(jí)鄰區(qū)發(fā)起重選測(cè)量，加長(zhǎng)了鄰區(qū)測(cè)量時(shí)間，增大了重選難度。

3.2? 自啟動(dòng)策略改進(jìn)方案

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用前兩種策略移動(dòng)終端接入率只能達(dá)到95%，為了提高接入率，考慮到實(shí)際組網(wǎng)中復(fù)雜的鄰區(qū)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)方案，即結(jié)合小區(qū)優(yōu)先級(jí)和信號(hào)強(qiáng)度的綜合參數(shù)策略，具體算法流程如圖3所示：

探測(cè)基站經(jīng)過(guò)小區(qū)搜索和系統(tǒng)消息解碼，得到鄰區(qū)信息后，判斷鄰區(qū)列表中是否存在同頻優(yōu)先級(jí)為7的小區(qū)，若存在，則判斷該小區(qū)是否下發(fā)RSRQ且大于門限值，選擇滿足門限的RSRQ最大值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)及其他小區(qū)參數(shù)，否則選擇滿足門限的RSRP最大值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)及其他小區(qū)參數(shù)。若不存在優(yōu)先級(jí)為7的同頻小區(qū)或者該小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度低于門限，則進(jìn)行下一步。

判斷鄰區(qū)列表中是否存在優(yōu)先級(jí)為7的異頻小區(qū)，若存在，則判斷該小區(qū)是否下發(fā)RSRQ，若下發(fā)RSRQ且大于門限值，或者只有RSRP且大于門限，則優(yōu)先選擇滿足門限的小區(qū)默認(rèn)band配置的頻點(diǎn)，若有多個(gè)，選擇其中RSRQ或RSRP最大值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)及其他小區(qū)參數(shù)。若不存在優(yōu)先級(jí)為7的異頻小區(qū)或者該小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度低于門限，則進(jìn)行下一步。

遍歷鄰區(qū)表，選擇其中RSRP最大值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)及其他小區(qū)參數(shù)。

根據(jù)該策略選擇的小區(qū)參數(shù)，完成本小區(qū)的自動(dòng)配置。

3.3? 改進(jìn)方案實(shí)現(xiàn)

（1）步驟1：?jiǎn)?dòng)REM（Radio Environment Monitoring，無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)）掃描進(jìn)程。基站上電后，OAM（Operation Administration and Maintenance，操作維護(hù)管理）讀取預(yù)設(shè)掃描信息，下發(fā)掃頻列表信息給REM進(jìn)程，REM進(jìn)程通過(guò)消息隊(duì)列發(fā)送消息給L3，L3轉(zhuǎn)發(fā)給L1，配置L1進(jìn)入LTE偵聽(tīng)模式。

（2）步驟2：RTWP測(cè)量。RTWP（Received Total Wideband Power，寬帶接收總功率）是小區(qū)接收的總寬帶功率，反映了一個(gè)小區(qū)中的總噪聲。為了縮短掃描時(shí)間，先對(duì)下發(fā)的頻點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)功率估計(jì)，排除信號(hào)弱的鄰區(qū)。根據(jù)測(cè)量得到的小區(qū)總寬帶功率receivedTotalWidebandPower，計(jì)算得到RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示），根據(jù)RSSI門限上報(bào)信號(hào)強(qiáng)的鄰區(qū)頻點(diǎn)列表，其中，RSSI是指在測(cè)量帶寬內(nèi)接收到的所有信號(hào)功率的平均值，包括本小區(qū)有用信號(hào)以及鄰區(qū)干擾與熱噪聲等，RSSI門限為-112 dBm，RSSI的計(jì)算公式如下：

RSSI=recivedTotalWidebandPower/10-112? ? ? ?（1）

（3）步驟3：小區(qū)搜索。REM進(jìn)程收到L1上報(bào)的鄰區(qū)頻點(diǎn)列表后，按照RSSI從大到小進(jìn)行排序，針對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行小區(qū)搜索，搜索內(nèi)容包括鄰區(qū)的PCI、RSRP、RSRQ、頻偏以及MIB信息，MIB信息又包括發(fā)送天線數(shù)和系統(tǒng)下行帶寬。若MIB解碼失敗，則系統(tǒng)帶寬默認(rèn)為5 MHz。保存滿足門限的鄰區(qū)信息，將鄰區(qū)RSRP和RSRQ按照從大到小進(jìn)行排序。

（4）步驟4：解碼系統(tǒng)消息。REM模塊針對(duì)滿足門限的鄰區(qū)，向L1請(qǐng)求讀取對(duì)應(yīng)鄰區(qū)的SIB1消息，收到L1上報(bào)的碼流后根據(jù)攜帶的系統(tǒng)消息類型，解碼SIB1得到鄰區(qū)的cellId、PLMN等小區(qū)參數(shù)，解碼SIB3得到同頻小區(qū)重選優(yōu)先級(jí)，解碼SIB5得到異頻鄰區(qū)的載頻信息和重選優(yōu)先級(jí)。如果系統(tǒng)消息全部解碼正確，則停止讀取系統(tǒng)消息;如果系統(tǒng)消息全部解碼錯(cuò)誤，則重復(fù)發(fā)送5次解碼請(qǐng)求;如果只有SIB1解碼正確，則重新發(fā)送SIB解碼請(qǐng)求。超時(shí)結(jié)束SIB解碼過(guò)程。

（5）步驟5：退出REM進(jìn)程。配置L1進(jìn)入正常工作模式，停止LTE空口偵聽(tīng)過(guò)程，將掃描結(jié)果上報(bào)給OAM。遍歷鄰區(qū)表，若掃描到的cellId和PLMN在鄰區(qū)表中不存在，則添加進(jìn)鄰區(qū)表。

（6）步驟6：小區(qū)頻點(diǎn)選擇。L3讀取鄰區(qū)表，優(yōu)先選擇SIB3中重選優(yōu)先級(jí)為7的頻點(diǎn)，若存在多個(gè)頻點(diǎn)，則選擇RSRQ或者RSRP最大的頻點(diǎn);若SIB3中不存在優(yōu)先級(jí)為7的頻點(diǎn)，則選擇SIB5中優(yōu)先級(jí)為7的頻點(diǎn)，若存在多個(gè)，則選擇本小區(qū)默認(rèn)band配置的頻點(diǎn);若不存在優(yōu)先級(jí)為7的頻點(diǎn)，則選擇RSRQ或RSRP最大的頻點(diǎn)。

（7）步驟7：小區(qū)PCI選擇。為了減少對(duì)公網(wǎng)鄰區(qū)的干擾，本小區(qū)PCI采用模3方式設(shè)置，且避免與鄰區(qū)PCI沖突。根據(jù)所選頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PCI，重新設(shè)置新的PCI'值。計(jì)算公式如下：

PCI'=（PCI/3+n）×3+（PCI mod 3+1）? ? ? （2）

其中，初始n=1，當(dāng)新的PCI'值與鄰區(qū)列表中PCI沖突時(shí)，n加1。

（8）步驟8：其他小區(qū)參數(shù)配置。若所選頻點(diǎn)存在解碼系統(tǒng)消息，則按照系統(tǒng)消息中小區(qū)參數(shù)進(jìn)行配置，否則采用系統(tǒng)默認(rèn)小區(qū)參數(shù)配置。

4? ?測(cè)試結(jié)果與分析

用TM500對(duì)三種自啟動(dòng)策略進(jìn)行大用戶測(cè)試，模擬500個(gè)終端用戶，測(cè)試結(jié)果如表1所示。采用策略1即重選優(yōu)先級(jí)建立的小區(qū)，接入用戶數(shù)為466。采用策略2即RSRQ/RSRP值最大策略建立的小區(qū)，接入用戶數(shù)為476。采用改進(jìn)的策略3即綜合參數(shù)策略建立的小區(qū)，接入用戶數(shù)為496。通過(guò)50次測(cè)試，采用三種自啟動(dòng)策略建立的小區(qū)接入的用戶數(shù)如圖4所示。對(duì)比分析可知，采用綜合參數(shù)策略建立的小區(qū)能夠大大提高用戶的接入率。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)如何提高終端探測(cè)效率，提出了一種通過(guò)小基站主動(dòng)觸發(fā)終端重選，接入本基站網(wǎng)絡(luò)以探測(cè)其存在的方案。為了提高小基站用戶接入率，提高終端探測(cè)的可靠性，分析比較了三種自啟動(dòng)策略。通過(guò)TM500大用戶測(cè)試可得出，采用結(jié)合小區(qū)優(yōu)先級(jí)和RSRQ/RSRP的策略能夠使小基站建立當(dāng)前最優(yōu)小區(qū)，更易觸發(fā)終端進(jìn)行重選，提高了探測(cè)的可靠性和效率。

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