[4G&5G专题-76]：流程 - 4G LTE PLMN选择扫频小区搜索系统消息读取小区选择过程

Posted 2021-05-15 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 L3层信令架构

1.1 RAN协议栈

1.2 信令流与数据流

1.3 信道映射

1.4 连接管理

1.5 手机附着的整体流程

第2章 PLMN运营商选择流程

2.1 PLMN概述

2.2 PLMN类型

2.3 PLMAN选择的阶段

2.4 PLAN选的策略与优先级

2.5 PLAN选择流程

2.6 开机流程

第3章 小区搜索流程

3.1 小区搜索概述

3.2 扫频

3.3 小区搜索流程

第4章 读取系统消息MIB

4.1 系统消息概述

4.2 读取系统消息MIB

第5章 读取系统消息SIB

5.1 MIB与SIB的关系

5.2 SIB消息分类

5.3 SIB1消息

第6章 小区选择与驻留

6.1 小区选择流程

6.2 小区选择的类型

6.3 UE在进行小区选择时，目标小区需满足以下条件

6.4 小区选择S准则

后续：

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第1章 L3层信令架构

1.1 RAN协议栈

 

1.2 信令流与数据流

 

1.3 信道映射

 

1.4 连接管理

 

1.5 手机附着的整体流程

 

第2章 PLMN运营商选择流程

2.1 PLMN概述

公共陆地移动网（Public Land Mobile Network，简称：PLMN，移动电话），由政府或它所批准的经营者，为公众提供陆地移动通信业务目的而建立和经营的网络。

该网路通常与公众固定交换电话网（PSTN，固定电话）互连，形成整个地区或国家规模的通信网。

具体到我们国家，每个移动通信运营商的网络算一个PLMN，因此中国移动、中国联通和中国电信的网络是不同的PLMN。

随着虚拟运营商的兴起，虚拟运营商也可以算成是一个PLMN。

从结构上看，PLMN标识分为两部分，一部分称为MCC（国家代码），另外一部分称为MNC（移动网络网络代码）

PLMN = MCC + MNC。

在单模的手机中，手机的运营商由SIM卡决定的，而支持多模的手机中，手机可以选择多个不同的运营商。

PLAN的选择是接入到无线网络中的第一步。

 

2.2 PLMN类型

所有Home PLMN：就是你的SIM卡的开户运营商。

Visited PLMN：在手机漫游到境外时，或者漫游到Home运营商没有网络覆盖的地方，有其他签约的运营商时候使用。

RPLMAN：记录在手机侧，之前注册过的PLMN.

 

2.3 PLMAN选择的阶段

 

2.4 PLAN选的策略与优先级

 

2.5 PLAN选择流程

2.6 开机流程

 

PLMN的选择的算法比较简单：

• 优先选择上次成功接入的PLMN
• 根据用户的设置的PLMN优先级list进行选择
• 从SIM卡中读取PLMN信息

 

第3章 小区搜索流程

3.1 小区搜索概述

我们在装入SIM卡，打开手机后，通常不能立即接打电话，而是要经历短暂的“搜信号”过程。当运营商的信号图标出现在手机顶部后，才可以正常的通讯。这个短暂的“搜信号”动作，其实就包含了小区搜索、读取系统广播和网络侧注册登记。这些过程结束了，手机上的信号标识出现，说明此时UE已经驻留到该小区，后续UE就可以在该小区进行业务操作了。小区搜索是移动通信系统中非常关键的步骤，也是终端与网络侧建立通信链路的第一步，如图所示。

小区搜索的目的是要保证终端获得系统的时间同步和频率同步，从而能读取系统信息（小区ID号，系统带宽及其他小区广播信息等）和进行后续的数据传输，如图所示。

小区搜索就是UE与多个不同的覆盖小区取得时间和频率同步，并检测物理小区ID PCI的过程。
小区搜索会获取多个小区的信息，作为后续小区选择的依据。

主要的达成的目标为：

• 获取每个小区的时隙位置
• 获取每个小区的载频
• 获取每个小区的PCI 
• CP（Cyclic Prefix，循环前缀）长度
• 帧同步

 

3.2 扫频

在指定频点、小区或者候补频点、小区搜索失败或者这些信息不存在时，会进行全频段扫描，搜索 UE 能力支持频段范围内存在的所有小区。

物理层会将 RRC 下发的扫描频段分成单位 100KHz 的小频段进行扫描，并根据可能存在小区的可能性进行排序，每个扫描结果上报将最高可能性的频带上报给 RRC 。

然后 RRC 会根据上报的结果指示物理层进行指定频点的小区搜索。

 

3.3 小区搜索流程

在移动通信系统应用中，终端开机后必须尽快搜索到一个合适的小区（如从射频连接器端测得的功率最大的小区），然后与这个小区达到时隙和频率上的同步，才能获取本小区的详细信息。

终端只有在attach到小区后才能使用网络的服务。

通常把从开机搜索到登录到合适小区的过程定义为小区初始搜索（initial cell search）过程，简称小区初搜。

同步是小区初搜中的一个关键步骤，指的是从开机到与小区达到时间同步和频率同步的过程。

（1）搜索和解析主同步信号PSS

• 通过PSS信道的时频资源中固定的位置，确定0.5ms时隙slot对
• 通过PSS信道和SSS信道在RE矩阵中时域位置的不同，来区分FDD和TDD

• 通过三种ZC序列，确定物理小区ID PCI的低3位

 

（2）搜索和解析辅同步信号SSS

• 通过SSS信道的二进制m序列，获取确定物理小区PCI的高位；不同的序列，代表不同的物理小区PCI高位。
• 通过SSS获取CP（Cyclic Prefix，循环前缀）长度，
• 通过SSS获取帧同步。

（3）小区参考信号CRS与RSRP/RSRQ

• 小区参考信号CRS的时频资源

• 小区参考信号CRS的数据内涵RSRP/RSRQ

RSRP (Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率) 是LTE网络中可以代表无线信号强度的关键参数以及物理层测量需求之一，是在某个符号内承载参考信号的所有RE(资源粒子)上接收到的信号功率的平均值。

RSRQ（Reference Signal Receiving Quality）表示LTE参考信号接收质量，这种度量主要是根据信号质量来对不同LTE候选小区进行排序。这种测量用作切换和小区重选决定的输入。

 

第4章 读取系统消息MIB

4.1 系统消息概述

系统信息是由基站侧不断的重复广播的，这样无论UE什么时候开机，都能及时的获取到系统信息。

UE从默认的时频资源处读取系统消息，并使用读到的消息对UE的L1，L2进行配置，之后才能小区的选择和驻留。

系统消息分为1个主MIB消息，1个SIB1消息 + 12个其他SIBx消息组成。如下图所示：

4.2 读取系统消息MIB

（1）MIB小区的物理信道

如上图所示，MIB信道为：PBCH->BCH ->BCCH.

PBCH时频资源：

频域：位于小区带宽的中央的6个RB, 即72个子载波。

时域：第二个时隙slot的符号0-3为PBCH信道。

 

（2）MIB消息的发送周期

MIB在时域上是周期发送的，调度周期固定是40ms，且所有的MIB消息都只在0号子帧发送，如下图所示。

如果系统帧号SFN满足（SFN mod 4 = 0）条件，那么该系统帧的0号子帧是第一次传输（first transmission ）MIB消息，同一个MIB周期内的其他3个0号子帧时刻则是重复发送（repetitions）。

也就是说eNB侧的物理层是每10ms发送一次MIB的。UE只要收到任何一个0号子帧中的MIB消息，就可以独立解码，不需要等待收齐全部4个MIB块才能解码。

也就是说，MIB中的SFN值，是40ms更新一次，而不是10ms更新一次，这就是为什么MIB中的SFN只有高8bit。

 

（3）MIB消息的内容

MIB主要包含:

• 系统带宽
• PHICH配置信息

PHICH: Physical Hybrid ARQ Indicator Channel，物理混合自动重传指示信道。PHICH用于对PUSCH传输的数据回应HARQ ACK/NACK

• 系统帧号

• DL_Bandwidth：系统带宽，取值范围(1.4M(6RB，0)，3M(15RB,1)，5M(25RB,2)，10M(50RB,3)，15M(75RB,4)，

20M(100RB,5))，上图为n100，对应的系统带宽为20M（100RB，带宽索引号为5）。

• Phich_Duration：

当该参数设置为normal时，PDCCH占用的OFDM符号数可以自适应调整；

当该参数设置为extended时，若带宽为1.4M，则PDCCH占用的OFDM符号数可以取3或4，对于其他系统带宽下，PDCCH占用的符号数只能为3。

PHICH持续时间	非MBSFN子帧		MBSFN子帧
	帧结构类型2中的子帧1和子帧6	其他情况	同时支持PDSCH和PMCH的载波
Normal	1	1	1
Extended	2	3	2

• PHICH-Resource:

该参数用于计算小区PHICH信道的资源；

• SystemFrameNumber:

系统帧号。系统帧号，用于UE获取系统时钟。实际SFN位长为10bit，也就是取值从0-1023循环。在PBCH的MIB广播中只广播前8位，剩下的两位根据该帧在PBCH 40ms周期窗口的位置确定，第一个10ms帧为00，第二帧为01，第三帧为10，第四帧为11。PBCH的40ms窗口UE可以通过盲检来确定。

• Spare：预留，暂时未用

 

第5章 读取系统消息SIB

5.1 MIB与SIB的关系

5.2 SIB消息分类

LTE的SIB类型有很多种，对于R9以后的版本的协议来说，SIB具体包括SIB1、SIB2、SIB3、SIB4、SIB5、SIB6、SIB7、SIB8、SIB9、SIB10、SIB11、SIB12、SIB13这13类。

不同的SIB携带不同的参数，具备不同的目的，具体如下：

SIB1：主要携带（1）小区接入和小区选择相关信息，（2）以及LTE-TDD子帧配置、（3）其他SIB块的调度和窗口信息等。

SIB2：主要携带公共的无线资源配置相关信息，包括接入BAR信息、PRACH配置信息、上行频点信息、MBSFN配置等。

SIB3：携带同频、异频、跨制式小区重选相关的公共信息。

SIB4：携带用于同频小区重选的邻区信息。

SIB5：携带用于异频小区重选的邻区信息。

SIB6：携带用于跨制式（UTRA）小区重选的邻区信息。

SIB7：携带用于跨制式（GERAN）小区重选的邻区信息。

SIB8：携带用于跨制式（CDMA2000）小区重选的邻区信息。

SIB9：携带HOME eNB（HNB）的相关信息。

SIB10/11：携带ETWS（Earthquake and Tsunami Warning System）的相关信息。当UE从寻呼消息中解码发现有ETWS消息存在时，就需要从SIB10/11中获取具体的ETWS内容。寻呼内容请参考《DRX不连续接收（2）-寻呼Paging》。

SIB12：携带CMAS（Commercial Mobile Alerting System）的相关信息。当UE从寻呼消息中解码发现有CMAS消息存在时，就需要从SIB12中获取具体的CMAS内容。

SIB13：携带MBMS（Multimedia Broadcast Multicast Service）的相关信息。

5.3 SIB1消息

（1）SIB1概述

所有SIB中最重要的当属SIB1，因为

• SIB1除携带了UE接入小区等所需的参数，这是本节的重点。
• 同时SIB还还携带了其他SIB类型的调度信息。如果UE解码不到SIB1，也就无法解码其他类型的SIB。SIB1携带了所有SI消息的调度和窗口参数，通过这些参数可以计算出每条SI消息的周期和发送时刻.

基于此，协议规定eNB通过两种不同的方式广播SIB：

• 第一种是通过SystemInformationBlockType1消息周期广播SIB1，这就是SIB1比较特殊的地方。
• 第二种是通过多个SI（SystemInformation）消息周期广播除SIB1之外的其它SIB，如图1所示

需要说明的是，除了SIB1之外的其他SIB块，如SIB2、SIB3等等，同一个SIB块只能放在同一条SI消息中传输，不能分割映射到两条不同的SI消息中。

多个SIB块也可以封装到同一条SI消息中一起发送，但前提是这几个SIB块的周期必须相同。（各个SIB周期怎么决定？）这个地方要注意，以后SI特指除SIB1之外的SIB消息。

不同于MIB在PBCH中的发送，所有SIB均需要使用SI-RNTI加扰, 通过PDSCH信道传输。

 

（2）SIB1中关于小区接入的内容

• 小区的PLMN id： MCC+MNC

• 小区跟踪区TAC: TrackingAreaCode

• 小区标识：CellIdentify，包括基站ID和逻辑小区id。

• 小区是否为保留小区：CellResevedForOperatorUse，是否允许接入：保留的小区是用于特殊场合，如应急、测试之用，普通手机禁止接入。

（3）SIB1中关于小区选择的内容

• q-RxLevMin：允许接入小区的最小参考信号电平。
• q-RxLevMinOffset：
• q-RxLevMinSUL：
• q-QualMin
• q-QualMinOffset

 

（4）SIB1的发送周期

SystemInformationBlockType1消息（下文简称SIB1消息）的周期固定等于80ms，且只在5号子帧中传输。之所以选择5号子帧，是因为无论哪种LTE-TDD配置，5号子帧都是下行子帧，不需要区分上下行子帧配置。

类似于MIB的发送机制，SIB1消息在80ms内也是重复发送4次。若系统帧号SFN满足条件（SFN mod 8 = 0），则认为该系统帧的5号子帧是第一次发送本周期的SIB1块，然后在同个周期内其它系统帧号满足条件（SFN mod 2 = 0）的5号子帧上重复发送SIB1块，如下图所示。

 

第6章 小区选择与驻留

至此，手机获取了覆盖范围内的所有的小区信息。

现在，手机就需要做出一个选择，选择需要驻留的小区。

6.1 小区选择流程

6.2 小区选择的类型

（1）小区选择的不同场景：

• 初始小区选择
• 存储信息的小区选择；

（2）小区选择的不同时机：

• UE 开机、
• 从连接态返回刡空闲态模式、
• 重新选择驻留小区

 

6.3 UE在进行小区选择时，目标小区需满足以下条件

（1）小区所在的PLMN需满足以下条件之一：所选择的PLMN；注册的PLMN；等效PLMN（EPLMN）；

（2）小区没有被禁止；

（3）小区至少属于一个不被禁止漫游的跟踪区；

（4）小区满足S准则，即小区搜索中的接收功率Srxlev> 0 dB且小区搜索中接收的信号质量Squal > 0 dB。

 

6.4 小区选择S准则

UE将搜索最强的支持S标准，即小区搜索中的接收功率Srxlev> 0 dB且小区搜索中接收的信号质量Squal > 0 dB。

LTE一般是测量RSRP。

 

（1）小区搜索中的接收功率：Srxlev> 0 dB

Srxlev = Qrxlevmeas – (qRxLevMin + qRxLevMinOffset) – pCompensation

• 1. Qrxlevmeas : 测量小区的 RSRP 值。
• 2. qRxLevMin：小区允许的最低接收电平

该参数表示小区最低接收电平，增加某小区的该值，使得该小区更难符合S规则，更难成为适当小区，UE选择该小区的难度增加，反之亦然。

该参数的取值应使得被选定的小区能够提供基础类业务的信号质量要求，界面取值范围，-70~-22，单位2毫瓦分贝（dBm），建议值-64，最低接收电平-128dBm。

• 3.  qRxLevMinOffset：最低接收电平偏置

该参数表示小区最低接收电平偏置，仅当UE驻留在VPLMN且由于周期性的搜索高优先级PLMN而触发的小区选择时，才使用本参数。

增加某小区的该值，使得该小区更容易符合S规则，更容易成为适当小区，选择该小区的难度减小，反之亦然。界面取值范围，0~8，单位2分贝（dB），建议值0。

• 4.  pCompensation=max(pMax – puMax, 0) (dB)

用于惩罚达不到小区最大功率的UE，pMax（小区允许UE 的最大上行发射功率）、puMax（UE 能力支撑的最大上行发射功率）。
（a）当 UE 最大允许发射功率小于等于 UE 能力支持最大发射功率时， pCompensation=0；
（b）当 UE 最大允许发射功率大于UE 能力支持最大发射功率时， pCompensation =UE最大允许发射功率-UE 能力支持最大发射功率；
（c）UE 最大允许发射功率：

本小区允许 UE 的最大发射功率 UePowerMax，应用于小区选择准则（S 准则）的判决，用于计算功率补偿值。如果该参数不配置，则 UE 的最大发射功率由UE 自己的能力决定。

该值在LST CELL 命令中。该参数设置的越大，UE 的发射功率也越大，增强本小区覆盖的同时会增加对邻区的干扰；该参数设置的越小，UE 的发射功率也越小，减少本小区覆盖的同时会减少对邻区的干扰。面取值范围，-30~33，单位1毫瓦分贝（dBm），建议值23。

 

（2）小区搜索中接收的信号质量：Squal > 0 dB

Squal = Qqualmeas – (qQualMin + qQualMinOffset)

• 1. Qqualmeas：测量小区的 RSRQ 值
• 2. qQualMin：最小接收信号质量

该参数表示EUTRAN异频邻区重选需要的最小接收信号质量，用来控制EUTRAN小区重选的难易程度。该参数在SIB5中下发。增加某小区的该值，使得该小区更难符合S规则，更难成为适合的小区，选择该小区的难度增加，反之亦然。应使得被选定的小区能够提供基础类业务的信号质量要求。界面取值范围，-34~-3，单位1分贝（dB），建议值-18。

• 3. qQualMinOffset：最小接收信号接收质量偏置值

该参数表示小区最小接收信号接收质量偏置，应用于小区选择准则（S准则）公式，仅当UE驻留在VPLMN且由于周期性的搜索高优先级PLMN而触发的小区选择时，才使用本参数。增加某小区的该值，使得该小区更容易符合S规则，更容易成为适当小区，选择该小区的难度减小，反之亦然。若不配置，即空口没下发该参数，UE默认使用0。面取值范围，1~8，单位1分贝（dB），建议值无，缺省值1。

 

后续：

选择驻留小区后，手机就进入idle状态，然后，不断地监控小区的广播信息。

但此时，基站和核心网都不知道该终端的存在，也没有为终端分配任何无线资源。

直到终端发起随机接入，申请上行无线资源，并到核心网进行注册，网络才能识别到该终端的存在，终端才能利用网络进行接入服务。