一種TD-LTE終端搜網功能的實現方法*

王 瓊，瞿傳帥

（重慶郵電大學3G研究院 重慶400065）

1 引言

TD-LTE（time division long term evolution，分時長期演進）為國際4G標準之一，目前各大移動通信公司對TD-LTE的研究如火如荼。面對TD-LTE終端搜網功能的設計，普遍存在的難題是搜網花費的時間較長，終端在搜網過程中可能丟失網絡的尋呼，造成無法獲得服務小區系統消息變化的通知以及無法響應網絡發起的MT（mobile terminated，終端接收的流程）請求，也可能丟失對服務小區和鄰小區的監測，造成終端不能重選到最佳小區上獲取服務，因此在搜網過程中保證監視尋呼、測量、讀系統消息等常規任務的正常進行成為搜網功能設計的熱點和難點，本文重點研究了一種有效解決這一問題的搜網實現方法。

2 TD-LTE終端協議棧架構

TD-LTE控制平面協議棧架構如圖1所示。

TD-LTE終端協議棧架構[1]分為AS（access-stratum，接入層）和NAS（non-access-stratum，非接入層）。

AS包括RRC（radio resource control，無線資源控制）、PDCP（packet data convergence protocol，分組數據匯聚協議）、RLC（radio link control，無線鏈路控制）和MAC（medium access control，媒體訪問控制）4個子層。RRC是AS的最高層，對PDCP、RLC、MAC起著控制作用，對無線資源進行管理和控制，接受NAS的控制和傳輸NAS信息，PDCP、RLC、MAC的功能是數據頭壓縮、加密、調度和混合自動重傳請求。

NAS負責核心網功能，包括ESM（evolved packet system session management，演進分組系統會話管理）和EMM（evolved packet system mobility management，演進分組系統移動性管理）兩個子層，主要功能有SAE（system architecture evolution，系統架構演進）承載管理、鑒權、信令加密控制及移動性管理。

3 搜網功能概述

觸發搜網的原因有很多，除了手動搜網和周期性搜網必然觸發搜網流程之外，其他觸發搜網流程的場景由終端廠商自行選擇，比如終端在丟失覆蓋定時器超時后可以觸發搜網流程，也可以觸發選網流程。

3.1 手動搜網

手動搜網由用戶發起，按照以下順序將搜索到的PLMN（public land mobile network，公共陸地移動網絡）上報給用戶，其中包含“forbidden PLMN”列表中的PLMN和提供MS（mobile station，移動臺）不支持服務的PLMN：

·EHPLMN（如果USIM卡中EFEHPLMN列表存在且不為空列表）或者HPLMN（如果EFEHPLMN列表不存在或者是一個空列表）；

·USIM卡EFPLMNwACT（user controlled PLMN selector with access technology，用戶控制的PLMN及接入技術）列表中的所有PLMN（按照優先級順序）；

·USIM卡EFOPLMNwACT（operator controlled PLMN selector with access technology，運營商控制的PLMN及接入技術）列表中的所有PLMN（按照優先級順序）；

·按隨機順序上報高質量的PLMN/接入技術組合（高質量準則：PLMN下小區的RSRP（reference signal receiving power，參考信號接收功率）測量值大于或等于-110 dBm）；

·按信號質量從高到低的順序上報其他PLMN/接入技術組合。

3.2 周期性搜網

自動選網模式下，當MS駐留在VPLMN（visited PLMN，訪問PLMN）時，周期性地嘗試從如下PLMN上獲取服務：

·HPLMN（如果EFEHPLMN列表不存在或者是一個空列表）或EHPLMN（如果EFEHPLMN列表存在且不為空列表）；

·優先級比當前VPLMN高的EFPLMNwAcT列表中的PLMN；

·優先級比當前VPLMN高的EFOPLMNwACT列表中的PLMN。

USIM卡中EFHPPLMN保存了周期性搜網的時間間隔T值，范圍為6 min～8 h，步長n是6 min或者指示不進行周期性搜網。如果沒有保存該值，則默認周期性搜網的時間間隔為60 min。USIM卡中保存的參數值代表的意義如下[2]：′00′代表不進行周期性搜網，′YZ′代表T=（16Y+Z）n min，16Y+Z大于8 h的其他取值都認為T為60 min。

周期性搜網和嘗試選擇到更高優先級的網絡時，遵循以下原則[3]：

·只在自動網絡選擇模式下發起；

·開機后第一次周期性搜網之前，需要經過至少2 min，至多T min；

·MS駐留在VPLMN中，且距離最后一次周期性搜網已過T min；

·只有空閑模式下的MS才會進行周期性搜網；

·如果沒有搜索到更高優先級的PLMN，MS仍駐留在當前VPLMN中；

·MS只嘗試選擇到與當前VPLMN有相同MCC（mobile country code，移動國家號碼）的PLMN上；

·與當前VPLMN有相同MCC的EPLMN（equivalent PLMN，等價PLMN）參與優先級的比較，優先級比它們都高的PLMN才可以被選擇；

·如果最高優先級的PLMN是當前的VPLMN，或者是其EPLMN列表中的一個，那么MS仍駐留在當前VPLMN。

3.3 搜網模塊和接口設計

為了更方便地處理搜網功能及實現以后多模下的搜網，從EMM[4]剝離出一個模塊MMC（mobility management control，移動性管理控制）來負責搜網功能的控制，搜網條件的判斷和搜網流程的觸發由MMC負責。搜網功能的實現由MMC、RRC、MAC和L1（物理層）共同協作完成，當MMC判斷滿足搜網條件時，就會下發搜網請求信號ERR_GET_PLMN_REQ到RRC觸發AS和L1的搜網過程。圖2給出了基于圖1協議棧架構的與搜網相關的模塊和接口設計。

3.4 搜網請求的處理

RRC收到搜網請求后的通用流程為：啟動L1掃頻，讀取掃頻結果中每個頻點上最強小區的SIB1[5]（system information block type 1，系統消息塊1），收集S>0且not bared的小區的SIB1中的PLMN，向MMC上報搜索到的PLMN。但RRC在各個狀態下對搜網請求的處理不盡相同，下面詳細分析RRC在各種狀態下對搜網請求信號的處理。

RRC有 以 下 幾 個 狀 態：NUL、LIM、IDL、DCH、SEL和RES。

剛開機或丟失覆蓋的情況下RRC處于NUL狀態，此狀態下不會收到周期性搜網請求，當收到手動搜網請求后按照上述通用流程處理，因為在此狀態下沒有監視尋呼、測量、讀系統消息等任務，所以不使用GAP搜網，搜網過程是連續不間斷的，直到搜網結束為止。

UE（user equipment，用戶設備）駐留到合適小區以后，處于IDL狀態下，如果沒有合適小區則駐留到可接受小區，進入LIM狀態，在這兩種狀態下需要監視尋呼、測量和讀系統消息，收到手動搜網或者高優先級搜網的請求后使用GAP搜網流程，保證監視尋呼、測量和讀系統消息等任務能夠正常進行。

當RRC連接成功后，處于DCH狀態，DCH狀態還有兩個子狀態，即發起隨機接入過程的ACC狀態和RRC連接釋放過程的RLE狀態，在DCH、ACC、REL狀態下不會收到高優先級搜網請求，收到手動搜網請求后，直接向MMC上報搜網拒絕信號ERR_GET_PLMN_REJ，表明此次搜網失敗。

小區選擇和小區重選時，RRC分別處于SEL和RES狀態，IDL下由于服務小區不可用或者發現更好的鄰小區，會觸發小區選擇和重選過程；DCH狀態下由于無線鏈路失敗，也可能觸發小區選擇和重選過程。當處于IDL下觸發的SEL和RES狀態時，收到手動搜網或高優先級搜網請求，則延遲到小區選擇或重選過程結束回到IDL后再處理；當處于DCH下觸發的SEL和RES狀態時，收到手動搜網請求后則向MMC上報搜網拒絕信號，表明此次搜網失敗。

由以上分析可知，RRC只有在LIM和IDL狀態下才啟動GAP搜網流程。

4 GAP搜網原理和流程設計

LIM、IDL狀態下，需要完成監視尋呼、測量和讀取系統消息等常規任務，在收到搜網請求后，搜網任務是作為外加任務插入以上任務流程里的，搜網過程中必須保證以上任務的正常進行。下面以IDL狀態下搜網為例，詳細介紹GAP搜網的原理和流程設計。

要達到以上目的，首先要規劃好IDL下監視尋呼、測量和讀系統消息等任務，計算出這些任務占用的時間以及還剩余多少時間可以用來搜網。UE在IDL模式下啟用DRX（discontinuous reception，非連續接收）周期來監視尋呼以減少功耗[6]，PO（paging occasion，尋呼塊出現時刻）是由尋呼信息中P_RNTI（paging radio network temporary identity，尋呼無線網絡臨時標識）標識的PDCCH[7]（physical downlink common channel，下行公共物理信道）所在的子幀位置。一個DRX周期內只有一個尋呼幀，即一個無線幀，包含一個或多個PO，一個DRX周期內只需要監視一個PO。每個DRX周期監視尋呼的PO是通過協議規定和以一定算法計算得到的[8]，測量任務在監視尋呼任務完成后緊接著進行，測量任務結束到下個PO之間的時間（GAP長度）用來做搜網任務，下面首先詳細介紹PO的計算以及IDL下監視尋呼、測量與搜網任務的規劃，然后進行GAP搜網的流程設計。

4.1 PO的計算

DRX有兩種：default paging cycle和UE specific DRX。UE從SIB2的IE（information element，信息元素）PCCH-Config中可以得到default paging cycle。UE specific DRX是存儲在UE內存中的值，可以通過NAS信令傳遞到網絡。DRX共有4種取值32rf、64rf、128rf、256rf，rf代表一個無線幀，一個無線幀分組含10個子幀。UE在計算PO時，使用default paging cycle和UE specific DRX二者之中的小者。

SFN（system frame number，尋呼幀號）由以下計算式得出：

尋呼時機子幀圖樣指數i_s由如下計算式得出：

以下參數用于計算SFN和i_s：T=min（default paging cycle,UE specific DRX）；UE_ID=IMSI mod 1 024；IMSI存儲在USIM卡中；N為min（T,nB），取值為｛T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32｝；nB的 取 值 為｛4T、2T、T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32｝，在SIB2中給出；Ns為max（1,nB/T），取值為｛1、2、4｝。

由i_s和表1可確定PO的位置，表1中Ns表示尋呼幀中出現PO的個數。比如Ns=4、i_s=2，表示在尋呼幀中有4個PO，需要監視的PO在尋呼幀中的子幀號為5。

表1 子幀圖樣

下面舉例說明如何計算PO：由IMSI=460076004600016、default paging cycle=256 rf、UE specific DRX=128 rf、nB=2T可以計算出UE_ID=208、T=128、N=128、Ns=2，再由以上兩個計算式可以計算出SFN=80+128n（n是自然數），i_s=1。由計算結果可知，在SFN為80的無線幀中子幀號為5的子幀位置為PO，每隔128個無線幀重復出現一次，PO的位置如圖3所示。

4.2 IDL狀態下任務的規劃

當IDL狀態下有搜網任務時，監視尋呼、測量和搜網任務的規劃如圖4所示。

MAC在IDL狀態下收到RRC發來的IDL_Config信息后，立即發送IDL_TASK給L1規劃下個DRX周期內的任務（主要是監視尋呼和測量的任務），當收到RRC的搜網任務SearchTask時，延遲到下個DRX周期內的監視尋呼和測量任務完成后處理，測量完成后收到L1上報的測量結果MEAS_IND，MAC將狀態轉到SNW同時通過GAP_INFO將可用GAP長度告知L1，開始做搜網任務，L1在GAP用完之前要上報GAP_END通知MAC，上報時間點與下一個PO之間預留一定數量的子幀用于L1做上行同步調整[9]和MAC組裝下個DRX周期的任務IDL_TASK，組裝完成后MAC將狀態轉移到IDL同時下發IDL_TASK給L1規劃下個DRX周期內的任務，然后進行下個DRX周期內的監視尋呼和測量的任務，測量完成后收到L1上報的測量結果MEAS_IND，MAC將狀態轉到SNW同時通過GAP_INFO將可用GAP長度告知L1，開始做搜網任務，如此一直循環，直到搜網過程結束。

4.3 IDL狀態下正常搜網流程的設計

IDL狀態下，MMC將搜網請求發給RRC，RRC觸發AS和L1的搜網過程，完成后RRC將搜網結果通過ERR_GET_PLMN_CNF上報給MMC，如果是手動搜網，MMC將搜索到PLMN上報給用戶，如果是周期性搜網，MMC將根據搜網結果判斷是否需要發起到更高優先級PLMN的選網流程。搜網流程設計如圖5所示。

RRC收到搜網請求后將盲搜的搜網任務通過CMAC_PLMN_SEARCH_REQ下發給MAC，MAC此時已通過EL1_IDL_TASK_REQ規劃好下個DRX周期內的監視尋呼和測量任務，在下個DRX周期的監視尋呼和測量任務完成后收到L1上報的測量結果EL1_IDL_MEAS_IND，MAC將狀態轉移到SNW狀態，通過EL1_GAP_INFO_REQ將GAP長度提供給L1，然后通過EL1_PWR_SWEEP_REQ發起盲搜，將盲搜到的頻段通過CMAC_ICS_MEAS_IND報給RRC，RRC然后將精掃盲搜到的頻段的搜網任務通過CMAC_PLMN_SEARCH_REQ發給MAC，MAC通過EL1_FINE_PWR_SWEEP_REQ發起精掃，將精掃到的頻點通 過CMAC_ICS_MEAS_IND報 給RRC，此時L1上報EL1_GAP_END_IND，MAC將狀態轉移到IDL同時下發EL1_IDL_TASK_REQ給L1規劃下個DRX周期的任務，此時RRC將在精掃到的頻點上搜索最強小區的搜網任務，通過CMAC_READ_NCELL_SI_REQ發 給MAC，在下個DRX周期的監視尋呼和測量任務完成后，MAC將狀態轉移到SNW同時將下一個GAP長度提供給L1，通過EL1_CELL_SEARCH_REQ信號請求L1在指定頻點上搜索小區，MAC將搜索到的所有頻段的所有頻點的小區的系統消息上報給RRC，RRC收集S>0且not bared的小區的SIB1中的PLMN，向MMC上報搜網結果，此時MAC處于SNW狀態，已經將所有的搜網任務完成，RRC通過CMAC_ABORT_PLMN_REQ通 知MAC搜網結束，MAC通過EL1_IRAT_INACTIVE_REQ通知L1搜網結束，收到L1的確認響應后，MAC將狀態轉移到IDL，同時將下一個DRX周期的任務規劃發給L1，繼續進行常規任務。

4.4 IDL狀態下異常搜網流程的設計

GAP搜網過程中的異常流程是指當前搜網任務被其他任務打斷，由于搜網任務的優先級較低，被打斷以后沒有恢復的機制，則RRC終止搜網流程同時向MMC上報搜網失敗信息ERR_GET_PLMN_ERR，如果是手動搜網，MMC還要上報用戶搜網失敗信息。GAP搜網的過程中主要有以下幾種異常流程：

·用戶取消搜網任務；

·收到屬于自己的尋呼消息，尋呼消息中指示了服務小區的系統消息改變或者指示了有MT請求；

·RRC在搜網的過程中發現服務小區不可用或者發現更好的小區，發起小區重選；

·高層因業務需求發起接入請求；

·收到高層的去激活命令（如關機）。

圖6給出了GAP搜網過程中監視的尋呼消息，指示了服務小區系統消息改變的異常流程設計。

GAP搜網過程中第一個GAP結束后，MAC回到IDL狀態規劃下個DRX周期的任務，下個DRX周期在PO收到L1上報的EL1_PDSCH_SIGNAL_READ_IND尋呼消息信號，然后通過CMAC_PCH_INFO_IND將尋呼消息上報給RRC，RRC解讀到尋呼消息指示了服務小區的系統消息改變，RRC向MAC下發終止搜網的請求CMAC_ABORT_PLMN_REQ，同時向MMC上報搜網失敗信號ERR_GET_PLMN_ERR，然后通過CMAC_READ_SI_REQ發起讀服務小區系統消息的流程，MAC將讀到的系統消息通過CMAC_BCH_INFO_IND上報給RRC，讀完所有系統消息后MAC通過EL1_STOP_SI_READ_REQ通知L1讀系統消息的任務結束，然后MAC將下一個DRX周期的任務規劃發給L1繼續進行常規任務。

5 仿真與測試

采用Telelogic Tau公司提供的TTCN按照預先設計好的流程編寫測試例，TTCN將測試例轉換成C語言可執行文件，然后利用SDL and TTCN Suite 4.0提供的SDL（specification description language，規范描述語言）和TTCN的協仿真功能進行測試[10]。這是一套集仿真、開發和測試于一體的軟件工具，能滿足TD-LTE終端高層協議棧的開發和一致性測試需求。對協議棧高層軟件的測試，TTCN采用黑盒測試的方法，IUT（implementation under test，被測實體）可以看成一個黑盒子，里面裝載了使用SDL和C實現的協議軟件，對于TTCN測試系統而言，無須知道IUT這個黑盒子的內部如何實現的，TTCN向IUT發送一個激勵信號，然后在觀察點來驗證這個黑盒子在收到激勵信號后是否能產生預期的輸出效果，同時檢查生成的MSC（message sequence chart，消息序列圖），MSC中MTC與DSP之間記錄了協議棧MAC層與L1之間的流程交互，MTC與COM_TTCN之間記錄了協議棧與人機界面之間的交互，如果產生了預期的輸出效果，并且MSC中記錄的IUT與TTCN之間的消息序列與自己設計的流程一樣，則驗證了此設計正確可行。圖7和圖8分別是按照圖5和圖6流程編寫的測試例的測試MSC。對比流程設計圖和仿真測試的MSC可知，協議棧代碼運行的消息序列和預先設計的流程完全一致，驗證了本文GAP搜網的可行性和有效性。

6 結束語

本文首先介紹了TD-LTE終端協議棧架構，設計了搜網相關的模塊和接口，概述了搜網功能，然后重點闡述了GAP搜網原理和實現，并給出了典型流程的設計，最后對GAP搜網設計進行了測試和驗證，測試結果表明終端搜網功能的實現符合預期設計，能夠保證監視尋呼、測量、讀系統消息等常規任務的正常進行，能夠滿足TD-LTE終端對搜網功能的需求，充分驗證了本文提出的GAP搜網方法的可行性和有效性。

1 沈嘉，索士強，全海洋等.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計.北京:人民郵電出版社，2008

2 3GPP TS 31.102 V9.6.0.Characteristics of the Universal Subscriber Identity Module（USIM）Application,2011

3 3GPP TS 23.122 V9.6.0.Non-Access-Stratum（NAS）Functions Related to Mobile Station（MS）in Idle Mode,2011

4 3GPP TS 24.301 V9.7.0.Non-Access-Stratum（NAS）Protocol for Evolved Packet System（EPS）,2011

5 3GPP TS 36.331 V9.6.0.Radio Resource Control（RRC）,2011

6 3GPP TS 36.321 V9.8.0.Medium Access Control（MAC）Protocol Specification,2011

7 3GPP TS 36.331 V10.0.3.Physical Channels and Modulation,2011

8 3GPP TS 36.304 V9.8.0.User Equipment（UE）Procedures in Idle Mode,2011

9 陳禹，溫向明，鄭偉.一種基于LTE TDD系統上行同步控制算法.電子與信息學報，2010,33(8):1 938～1 942

10 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.北京:人民郵電出版社，2003