作者：孙宇彤
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
LTE丛书之学好LTE系列·LTE教程：机制与流程试读：
前言
历时一年半，继前两本书《LTE教程：原理与实现》和《LTE教程：结构与实施》之后，《LTE教程：机制与流程》终于为“LTE丛书之学好LTE系列”丛书画上了一个句号，LTE技术从入门到进阶的全套教程算是大功告成了。
身为系列丛书的作者，完成书稿之后，我觉得还是很欣慰的：能够达成预期的目标，也算是不辱使命吧。
我的使命是什么呢？
作为LTE学习大使，我深知学习LTE技术的过程并不轻松，我的使命就是让大家通过阅读“LTE丛书之学好LTE系列”丛书，更高效地学习LTE技术，突破LTE技术的重重难点，理解和掌握LTE技术的精髓。
回过头来看这三本教程，尽管内容各有侧重，但目的都是一个，都是为了让大家读懂LTE，进而学好LTE。
学习LTE绝不可能一蹴而就。假如把LTE学习的过程比作一段历程的话，我觉得与红军前辈们的二万五千里长征还是有些类似的：雪山就是LTE学习的两座天王山——OFDM技术和多天线技术，而草地泥沼就是LTE的物理层结构。
借助《LTE教程：原理与实现》和《LTE教程：结构与实施》两本入门教材的帮助，大家翻雪山、过草地，终于来到了大江大河边。
LTE的处理机制以及信令流程，就是LTE学习过程中的大江大河。作为LTE网络的实践者，这大江大河是非过不可的，只有过去，我们才能到达彼岸。
怎么过呢？很简单，《LTE教程：机制与流程》就是跨越大江大河的桥梁，就是横渡激流的飞舟。
因此，在写作《LTE教程：机制与流程》时，我的目标就是希望这本书成为大家学习LTE处理机制和信令流程的指引，使大家更好地理解和掌握LTE处理机制和信令流程。
从内容上看，《LTE教程：机制与流程》以终端为主要视角：首先介绍了待机状态和联机状态的处理机制；然后由动转静，介绍了与基站相关的S1、X2以及空中接口的结构与协议；最后介绍了LTE系统的基本信令流程以及IRAT的机制与流程。
通过这样的内容安排，只要认真地学习，相信大家可以深入理解LTE系统的运作过程，为做好LTE系统的实际工作打下坚实的技术基础。《LTE教程：机制与流程》继承了前面两本教程的特点：（1）三位一体，全面学习
本书延续了“LTE丛书之学好LTE系列”中教材、视频和网络三位一体的特点，相关的培训课程视频都已经发布到了51CTO学院和网易云课堂上，具体网址见参考文献。大家可以配合教程一起来学习，学习内容更加全面，学习效果会更好。（2）娓娓道来，一气呵成
由于这套教程来源于培训的讲稿，教程中保留了培训课程中比较多的口语化描述以及通俗化的术语，希望给大家一种原汁原味的感觉。我希望这本教程不光好读、易读，还要能朗读，朗朗上口。
另外，为了提高大家的阅读体验，我反复优化了教程内容的组织与连接，内容前后呼应，确保大家拿到教程后，能够一口气读完，体验到一气呵成的感觉。（3）细致入微，举一反三
写作本书的过程，也是我深化对LTE技术理解的过程。因此，在这本书中我分享了很多学习心得和体会，包含了很多LTE技术的细节，很多都是其他参考书上未曾涉及的。比如，PLMN选择与小区选择的关系、辅助同步信号的生成方式、随机接入的三大挑战、为什么不在随机接入前导中直接传终端ID等，大家都可以在教程中挖掘出答案。
本书还准备了一些思考题，帮助大家扩展思维，达到举一反三的效果。教程中的思考题供学有余力的读者使用，读者可以把思考题的答案以及LTE学习中遇到的疑难问题，发布在【空中接口学园】论坛上：http://www.pch.com.cn/bbs，我将及时点评与回复。读者也可以访问【读懂通信】网站http://www.readhere.cn/bs，深入阅读相关的技术文章。相关课程可以在http://study.163.com/u/2g3g4g和http://edu.51cto.com/lecturer/user_id-4157106.html上看到。
本书由LTE学习大使孙宇彤编著，汪洲参与了本书的编写工作，孙沛然、杨慧瑞、汪中位、张秋娥协助了本书的编写工作，易飞、空中接口学园的学长朱美根、学友鄢彪为本书提供了信令流程的源码，这里一并表示感谢。
读者在学习过程有任何问题，想要与我联系的话，还可以关注我的微博和公众微信——“LTE学习大使”。微博公众微信
写作系列丛书与单本书的最大不同就是，在出版了这套丛书前两本后，一直有读者联系我，很关心下一本教程将是什么，什么时候出版？
现在谜底终于揭晓了，而且我有信心，这本教程一定是大家期待的那一本。
最后，预祝各位读者都能通过阅读“LTE丛书之学好LTE系列”丛书，读懂LTE，学好LTE。LTE学习大使孙宇彤于2015年初夏第1章待机状态的处理机制学习要点● LTE终端有几种工作模式？各种工作模式有什么差别？● LTE终端的工作模式借鉴了哪些移动通信系统的终端？● 待机状态下终端需要完成哪些任务？● 设计待机状态有哪些关注的因素？● 待机状态下终端如何来运作？● 什么是驻留？怎么才算驻留？● PLMN分哪些种类？终端如何选择PLMN？● 小区选择分几种？是如何进行的？● 小区重选是如何进行的？● 什么是测量？测量哪些内容？终端何时测量？● 小区选择时终端采用什么样的判据？● 小区重选时终端采用什么样的判据？● 小区同步的含义是什么？● 小区同步过程需要借助哪些信号与信道？● 终端如何与小区实现同步？● 常用的系统信息有哪些种类？● MIB的主要内容是什么？SIB1的主要内容是什么？● 哪些系统信息与待机状态相关？● 什么是位置登记？LTE的位置区有什么特色？● 什么是寻呼？LTE系统如何发送和接收寻呼？本章导读
欢迎大家继续LTE学习之旅，这次我们将讲述LTE的机制与流程，也就是LTE系统的处理机制及信令流程。处理机制与信令流程这两块内容是透视LTE系统运行、优化LTE系统运作的必由之路，因此也是LTE进阶学习中非常重要的学习内容。
LTE系统的处理机制与LTE终端的工作模式密切相关，而工作模式可以理解为终端的状态。本章我们的内容将围绕终端在待机状态下的处理机制展开，包括PLMN选择、小区选择及小区重选等重要过程。1.1 终端的工作模式1.1.1 LTE终端的工作模式
在开始讲解LTE终端的工作模式前，我们先来回答一个问题，什么是待机状态？
什么是待机状态？待机状态是终端的一种工作模式，类似人的睡眠状态。在规范和参考书中，待机状态称为Idle Mode，所以也有翻译为空闲状态的。
当然，大家不能简单从字面去理解待机状态，认为空闲就是游手好闲，终端什么都不用做的意思。终端的待机状态可不是这样，还是有相当多的任务需要终端来完成的，其中最重要的工作是保持对网络的感知，也就相当于睡觉的时候，我们还能感觉到周边环境的变化，比如温度的高低、空间的明暗，并且还能对刺激作出反应。
当然，待机状态的最大特点是终端的任务比较少，还没有建立与网络的业务连接，基本不占用网络的资源，也就是待机状态开销小、省资源。
正是由于待机状态开销小，网络才有可能支持成千上万的终端，终端才能续航一天甚至更长的时间。
那么除了待机状态，LTE终端还有哪些工作模式呢？图1.1给出了答案。图1.1 LTE终端的工作模式
从图1.1不难看出，LTE的终端除了待机状态，还有关机状态和联机状态。接下来我们就简单介绍一下LTE终端的各种工作模式。1.1.2 LTE终端工作模式的差别
图1.1中的关机态就是终端关闭电源，不再感知周边的环境。但是与大家理解有差别的是，关机后终端并没有完全断电，还有一部分模块以极低的功耗工作着。这可以与动物的冬眠相类比，冬眠后动物的新陈代谢速率极低，但是并没有停止。
前面我们把终端的待机状态比作人的睡眠状态。我们都知道，正常人有两种状态：清醒状态与睡眠状态，如果人的睡眠状态可以看成终端的待机状态，那么人的清醒状态就可以类比为终端的另外一种工作模式——联机状态。
只有在联机状态，终端才能与移动通信网络建立业务连接，才能实现移动通信系统的终极任务：让人们在任何时间、任何地点实现沟通。因此，可以说终端就是为了联机状态而生，有了联机状态终端才有存在价值。
当然，两种状态下终端还是有明显差别的，处在联机状态的终端需要消耗大量的资源，无论是终端自身还是网络侧的开销都很大，这也是终端为什么不能一直停留在联机状态的原因。就像人一样，一直不睡觉是不可想象的。
为了方便大家的理解，图1.2展示了LTE终端的功耗随着状态变化的情况。从图1.2可以看出，关机、待机和联机三种工作模式下终端功耗有着巨大的差别。另外，我们还可以注意到，在待机状态下，终端还细分为休眠和唤醒两种子状态，周期性地出现。图1.2 LTE终端功耗的示意图
当然，图1.2只是一个示意图，而且也只是从终端功耗这个侧面进行比较，但是从中我们已经发现了LTE终端工作模式的巨大差别。学完第2章后，我们就可以仔细对比LTE终端的各种工作模式，届时大家将会有更深刻的印象。1.1.3 LTE终端工作模式从何而来
最后，我们来讲一个扩展内容，就是LTE终端的工作模式从何而来呢？
在《LTE教程：原理与实现》一书中，我们介绍了LTE技术的历史渊源：LTE技术从WCDMA技术发展而来，而WCDMA技术又是从GSM技术发展而来，GSM、WCDMA和LTE技术分别是第2代、第3代和第4代移动通信技术的代表。
从《LTE教程：结构与实施》一书中我们看到，LTE技术继承了WCDMA技术的很多特点，那么问题就来了，LTE终端的工作模式是从WCDMA技术中继承过来的吗？
答案：不是！图1.3给出了WCDMA终端的各种工作模式，可以看到WCDMA终端的工作模式比LTE终端的工作模式复杂得多，最复杂的就是联机状态，还细分为4种子状态。图1.3 WCDMA终端的工作模式
当然，WCDMA终端这样设计，也是有WCDMA系统的一些考量：这是因为WCDMA终端需要同时支持电路交换（CS）和分组交换（PS），采用更多的工作模式可以让终端更灵活。
但是这也带来了一个极大的副作用：终端的工作模式越多，可想而知，终端和网络设备的设计就会变得越复杂。即使终端能设计出来，甚至制造出来，可是当WCDMA网络真正实施的时候，我们发现网络也不会支持全部的工作模式。
因此，到了LTE系统，就放弃了WCDMA终端这样琐碎的工作模式设计了。
接下来的问题是，LTE终端这样的工作模式是LTE系统的独创吗？
当然不是，其实我们翻看GSM的规范，就会发现LTE终端的工作模式完全复制了GSM终端的工作模式，这也是技术发展历史上非常典型的“隔代遗传”现象。
为什么LTE终端能复制GSM终端的工作模式呢？很重要的一个原因是LTE终端只支持分组交换，就像GSM终端只支持电路交换一样。所以LTE终端的工作模式才可以简化，没有必要采用WCDMA终端那么多种工作模式。
技术的螺旋式发展，真的可以从GSM、WCDMA和LTE终端工作模式的发展变迁上看到。1.2 终端的待机状态1.2.1 待机状态的使命
前面讲解了LTE终端的各种工作模式，接下来我们就回到本章的主题，介绍待机状态的一些特点。
我们先来了解一下待机状态的使命，就像前一节讲的，待机状态下终端还有很多任务，简要来说，可以归纳为：● 必须跟对小区，团结在合适的基站的周围；● 时刻准备建立业务连接。
这样终端后面的Boss——基站就浮出水面了。终端通过基站才能接入移动通信网络，才能建立业务连接。因此，在终端看来，基站相当于移动通信网络的联络人。
基站是移动通信网络的重要组成部分，也是数量最多的网络设备，一个城市的移动通信网络中可以有成千上万个基站。之所以要部署这么多基站，是由于移动通信网络利用基站来实现业务的覆盖，而一个基站的覆盖范围是有限的。
图1.4展示了基站与终端的关系，这里选取了移动通信网络中的一个基站作为代表。
通常，基站采用三扇区来覆盖一片区域，理论上每个扇区可以看成一个六边形，类似一个蜂窝，如图1.4所示。每个扇区对应一个小区（Cell），而终端就处于基站的某个图1.4 基站与终端的关系小区内。
由于终端可以移动，这样终端所处的小区就会发生改变。这时，如果终端不改变所属的小区，就会有大麻烦：无法进入联机状态。
因此，在待机状态，终端最重要的工作就是找准自己所处的小区，进而找到自己应该归属的基站。这样一旦有业务连接的需求，终端就能尽快建立业务连接。
不过，图1.4中展示的六边形，只是理论上的描述，在实际网络中并不存在，那么终端该怎么实现跟对小区这个使命呢？
终端可以通过下面两个手段来做到：● 闻——测量周边环境；● 听——小区广播和寻呼。
请大家注意，我们通常用眼睛来观察周边的环境，而且眼睛能定位目标；但是终端不一样，只能感知到小区信号的强弱，不能定位，换句话说，终端的感知方式更像我们的鼻子，而不是我们的眼睛。
除了感知信号的强弱，如果信号足够强，终端还能监听到小区讲什么，这就是小区的系统信息广播。此外，网络对终端的呼叫，也就是寻呼，终端也可以听到。
通过这两种手段，终端就可以实现跟对小区了，当然这里还牵涉很多细节问题，后面会一一道来。1.2.2 待机状态的考量
接下来我们介绍待机状态的考量，这是设计待机状态的一个出发点。
待机状态的考量也是两条，如下所述。● 省电：也就是尽量延长终端的待机时间；● 响应快：也就是网络寻呼后终端能尽快连接。
第一个要求很容易理解，大家都喜欢用续航时间长的手机，如果能三天一充最好，最次也希望一天一充。加大手机的电池容量是一种方法，但是减少手机在待机状态下的耗电量，显然是一种更好的方法。
第二个要求也容易理解，如果你拨打对方的手机号码，半天也没有振铃，你的体验肯定很差，心里很不满意。
怎么实现这两大考量呢？
解决第一个要求的好办法前面已经介绍过了，就是把待机状态再细分为休眠和唤醒两种状态，两种状态周期性地出现，这种机制称为DRX（Discontinuous Recive，不连续接收）。
DRX机制就是终端平时休眠，短时唤醒，唤醒时才会执行待机状态的相关工作。计时以无线帧为单位，终端唤醒的时刻是固定的，与无线帧的系统帧编号SFN相关。我们可以把两个相邻唤醒时刻的时间差定义为一个休眠周期，称为DRX周期。
LTE的技术规范TS36.331定义了4种DRX周期长度，分别是32、64、128或256个无线帧，对应320ms、640ms、1.28s或2.56s。
LTE系统为每个小区设置一种默认的DRX周期，还允许为终端设置独立的DRX周期。终端最终使用其中最短的一个DRX周期。
图1.5展示了3个终端的DRX周期设置情况，可以看到UE1与UE2都采用了640ms的DRX周期，而UE3则采用了1.28s的DRX周期。图1.5 终端的DRX周期
很显然，DRX周期越长，终端的功耗越低，终端越省电，续航时间越长。不过，DRX周期也与终端的响应时间成正比。这样看来，在待机状态没有两全其美的事情，如此冲突的两个需求，就需要LTE网络与终端仔细去权衡了。
另外，除了DRX周期可以设置外，终端的唤醒时刻也是有讲究的，唤醒时无线帧的SFN与终端的标识IMSI相关，这样就可以打散终端的唤醒时刻，减轻基站的负荷。
最后，请大家思考一下：如果终端的DRX周期可以灵活变化，会有什么好处，又会带来什么麻烦？答：1.2.3 待机状态的任务
1．待机状态的任务
根据待机状态的使命以及设计考量，我们要求终端在待机状态时完成一些具体任务。在LTE的技术规范TS36.304中介绍了LTE终端在待机状态的具体任务，不过由于内容过于复杂，我这里简化了一下，用图1.6展示给大家。图1.6 LTE终端待机状态的任务
从图1.6中不难看出，LTE终端面临以下三大任务：● PLMN选择；● 小区选择与重选；● 位置登记。
PLMN选择主要实施于开机过程，也就是LTE终端从关机状态变成待机状态的过程中。其他情况下，只有LTE终端从覆盖盲区回到覆盖区域，以及用户手动选择才会涉及PLMN选择。
当然，在待机状态下，LTE终端最关键的任务是小区选择与重选，这也是本章的重点内容。
而本章的最后，将介绍LTE终端位置登记的具体处理过程。
2．PLMN概述
介绍了终端的任务之后，我们再介绍一下图1.6中出现的PLMN这个专用术语。
PLMN（Public Lands Mobile Network），是移动通信网络的代名词。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。
随着技术的演进，为了方便管理，同一运营商不同制式的网络，也可以设置不同的PLMN，比如中国移动的GSM和TD-SCDMA网络，曾经设置成不同的PLMN。不过随着技术的发展，2G、3G、4G的核心网融合在一起，现在又逐渐统一到一个PLMN上了。
对运营商而言，每个用户都属于其中一个PLMN，也就是归属PLMN，用户可以在归属PLMN中得到相应的服务。归属PLMN的信息保存在核心网数据库以及用户的USIM卡上。
作为用户，除了归属PLMN，还会遇到等价PLMN，这主要是指同一运营商不同制式的PLMN。通常，用户可以在等价PLMN上得到与归属PLMN同等的服务。
此外，用户还会遇到漫游PLMN，也就是其他国家与地区运营商的PLMN。利用运营商之间的约定，用户可以在漫游的PLMN中得到相应的服务。
最后是其他PLMN，这些PLMN会拒绝为用户提供相应的服务，除非是紧急呼叫。例如，中国联通的GSM用户就无法在中国移动的GSM网络中得到服务。
前面说的是从核心网的角度看PLMN，如果从无线网络的角度看，PLMN是这样体现的：
PLMN通过基站来实现业务的覆盖，旗下的基站可以为网络内的用户接入系统，建立相应的业务连接。因此待机使命中的合适基站，就是指用户可用PLMN下的基站。
工作频段是基站的重要参数，也就是基站收发信号的频率范围，由无线制式来决定。一个PLMN下的基站往往可以设置多个工作频段，因此PLMN与工作频段间是一对多的关系。换言之，终端可以在多个工作频段上遇到同一个PLMN的信号。
在国内，由于中国移动、中国联通或中国电信的移动通信网络，对应不同的PLMN，这样，在同一个地方，往往会有来自多个PLMN的基站在覆盖。
如果PLMN的无线制式不同，那么这些基站的工作频段是不同的，彼此可以避免干扰。
但是，不同的PLMN可能会采用同样的无线制式，比如都是TD-LTE制式，工作频段都采用B41频段，这时就需要利用不同的工作频点来区分不同的PLMN，就像《LTE教程：结构与实施》中第8章介绍的那样。
3．PLMN标识
除了工作频段及工作频点等外在特性外，为了让用户搞清楚所处的PLMN，每个PLMN都应该有明确的标识（编号），并作为系统信息由基站来广播，让基站下的终端都能够接收到。
从结构上看，PLMN标识分为两部分，一部分称为MCC（国家代图1.7 PLMN的标识码），另一部分称为MNC（移动网络网络代码），如图1.7所示。
中国的国家代码是“460”，中国各个移动运营商采用的MNC如表1.1所示。表1.1 移动运营商的MNC运营商MNC00,02,07中国移动01,06中国联通03,05中国电信1.2.4 待机状态的运作过程
讲完了LTE终端在待机状态下的任务，接着我们来看LTE终端在待机状态需要进行的运作过程，这些运作过程如图1.8所示。图1.8 LTE终端待机状态的运作过程
从图1.8可以看到，终端开机后会进行PLMN选择，PLMN选择的过程与小区选择的过程紧密耦合。
小区选择完成后，终端就驻留到目标小区中，这个小区在规范中称为服务小区。
另外，终端驻留后，需要执行小区重选的流程，以便驻留在最优小区。服务小区变化后，如果有需要，终端还会进行位置登记，这样网络就可以知道终端的位置。
终端驻留后，可以从待机状态进入联机状态，比如进行位置登记或者进行业务；而终端从联机状态返回待机状态后，将执行小区选择这个流程。
值得注意的是，小区选择与小区重选的过程都是终端自主进行的，基站并不会与终端交互，这样可以降低基站信令负荷。不过，基站还是可以控制终端的小区选择与小区重选的，控制的方式如图1.9所示。图1.9 待机状态下终端与基站的互动
在图1.9中，有两个重要的术语，一个是服务小区，也就是终端当前驻留的小区；另外一个是邻区，也就是终端能感知到的其他小区。通常这些小区与服务小区相邻，所以称为邻区。
从图1.9可以看到，每个小区都会广播系统信息，这些信息包含很多LTE系统参数，可以用来控制终端在小区选择与小区重选时的行为。至于怎么控制，后面会详细介绍。
另外，小区还会广播寻呼消息，通知终端需要建立业务连接。收到寻呼后，终端就会进入联机状态。
当然，这里面还有一个非常重要的前提，就是各个小区广播的信息不能互相干扰，不然终端就无所适从了。避免干扰的技术称为多区技术，大家可以参考《LTE教程：原理与实现》第2章的相关内容，这里就不展开了。1.2.5 待机状态：驻留
在1.2.4节中，我们发现驻留状态是待机状态终端运作的核心，本节我们就来简单聊一聊驻留。
驻留，英文是Camp，也就是安营扎寨。换句话，终端找到了一个落脚点。当然，这个落脚点并不是永久的，终端可以通过小区重选，不断改变驻留的小区。
终端可以驻留在什么样的小区呢？一个是PLMN可用，另外一个是信号足够好。
那么，如何衡量终端是否驻留呢？很简单，看终端是否与小区同步。所谓的同步，指的是终端接收到了小区广播的系统信息，包括接入参数、邻区信息等一系列的系统信息。
不过大家不要认为与小区同步很简单，其实小区同步实现起来还是很复杂的，后面将详细介绍小区同步的处理机制，大家就会知道小区同步过程的复杂程度了。
另外，驻留也是单向的，驻留可以看成一种暗恋。网络根本不知道终端驻留了没有，通常也不知道终端驻留在哪里。
虽然网络不会直接控制终端的驻留行为，不过网络对终端还是有要求的，希望驻留后的终端能够满足以下的要求。（1）核心网
需要终端始终监听网络的寻呼，从而实现一呼即应，就像孩子时刻听从父母的召唤一样。（2）无线网
需要终端始终驻留在最好的小区中，这样可以保证终端在建立业务连接后，业务效果是最好的。这就要求终端不间断地感知周边的环境。1.2.6 待机状态：PLMN选择
讲完驻留后，从本节开始，我们逐一介绍待机状态运作过程中涉及的PLMN选择、小区选择和小区重选的过程，至于位置更新的过程，将在1.6节中来介绍。
首先来看PLMN选择，为什么终端要进行PLMN选择呢？
前面说过，在同一个地方，往往会有多个PLMN的基站覆盖。作为用户，只能在归属PLMN、等价PLMN和漫游PLMN上得到服务，因此必须在多个PLMN的基站中找到最合适的PLMN的基站，这就需要进行PLMN选择。
PLMN选择基于PLMN在无线侧的三大特性：工作频段、频点和PLMN标识来展开。
工作频段与终端的制式有关，现在的LTE终端普遍都是多模终端，还可以支持3G或者2G的制式。终端根据硬件配置，可以确定进行PLMN选择的具体频段。
终端还可以设置优先选择的制式，比如4G优先，也就是优先在4G工作频段上进行PLMN选择；也可以只选择某些制式，比如只在4G工作频段上进行PLMN选择。
PLMN选择的过程分为以下两大步骤。● PLMN搜索：这个步骤与频点和PLMN标识相关；● PLMN注册。
PLMN搜索是终端扫描所在区域的PLMN信息，产生一个可用PLMN列表，列表中包括工作频点以及PLMN标识，PLMN标识也就是MCC和MNC。
PLMN注册是终端根据PLMN列表的信息注册到PLMN中，PLMN注册又称为附着，终端需要与网络交互。
接下来我们就来了解PLMN搜索以及PLMN注册的具体过程。
1．PLMN搜索
PLMN搜索可以人工触发也可以自动进行，终端开机以及从覆盖盲区回到覆盖区域都会自动进行PLMN搜索。
终端在进行PLMN搜索时，将进行初始小区选择的过程，以获得PLMN标识和工作频点。初始小区选择是小区选择的一种方式，1.2.7节将详细介绍。
在初始小区选择的过程中，终端搜索工作频段上的各个频点，得到PLMN标识，加入到一个可用的PLMN列表中。可用PLMN列表中包括USIM卡上存储的PLMN信息，还包含PLMN搜索过程中得到的PLMN。可用PLMN列表中的PLMN按优先级进行排序。
由于PLMN搜索是终端全制式以及全频段的搜索，相当耗时，通常在30秒以上。
为了加快PLMN选择的速度，终端开机后会利用存储在USIM卡和终端上的信息，主要是上一次注册成功的PLMN的相关信息，包括PLMN的标识、制式、频率等信息，跳过PLMN搜索步骤，直接确定PLMN信息，然后实施PLMN注册。
当然，如果终端无法得到上一次注册的PLMN的相关信息，或者无法注册到上一次注册的PLMN中，终端就必须进行PLMN搜索。
2．PLMN注册
得到可用PLMN列表后，终端根据可用PLMN列表，进行人工或自动的PLMN选择。
所谓人工PLMN选择，就是终端列出可用的PLMN，由用户从中选择一个PLMN进行PLMN注册。
所谓自动PLMN选择，就是终端从列表中最优先的PLMN开始，逐个尝试PLMN注册，不需要用户的干预。
无论终端是通过上一次注册信息、人工PLMN选择还是自动PLMN选择，只要终端选定了一个PLMN，接下来终端就会执行PLMN注册进程。
PLMN注册从普通小区选择过程开始，以终端驻留到一个合适的小区结束。普通小区选择是小区选择的另外一种方式，1.2.7节将详细介绍。
终端在选定PLMN对应的频点上进行普通小区选择过程，找到目标小区后，终端进行附着，注册到PLMN中。注册成功后，终端进入驻留状态。
一旦终端注册不成功，如果是根据上一次注册信息进行的注册，终端将进行PLMN搜索；如果是自动PLMN选择，终端将选择下一个PLMN，再进行新PLMN的注册；如果是人工PLMN选择或者是已经到达可用PLMN列表的结尾，终端将进入受限服务，这时终端只能进行紧急呼叫。
最后，如果终端处于覆盖盲区，也就是终端的PLMN列表中所有PLMN都无法选择小区，终端将显示无覆盖。1.2.7 待机状态：小区选择
接下来，我们就来介绍待机状态的重要过程：小区选择。在1.2.6节中我们讲到，小区选择分为初始小区选择和普通小区选择两种方式，如图1.10所示。图1.10 小区选择的两种方式
两种小区选择方式有明显的差别：
在进行初始小区选择时，终端并不确定工作频点；而在进行普通小区选择时，终端已经确定了工作频点。工作频点的信息，可能来自终端和USIM卡中存储的信息，也可能来自初始小区选择得到的可用PLMN列表。
此外，初始小区选择用于终端开机后以及从覆盖盲区回到覆盖区域的PLMN搜索过程中；而普通小区选择用于终端开机后的PLMN注册过程或者从联机状态返回待机状态。
在这两种小区选择方式中，普通小区选择是我们关注的重点。
1．普通小区选择
图1.11展示了普通小区选择的相关过程，普通小区选择执行完毕后终端就进入驻留状态，因此是个一次性的过程。图1.11 普通小区选择的相关过程
普通小区选择的具体处理方法可以用图1.12来展示，分为4个步骤。为了方便大家记忆，我用“见贤思齐”这个成语来概括普通小区选择的步骤。图1.12 普通小区选择的步骤
所谓“见”，就是终端对环境感知，针对的是确定的频点；而“贤”，就是终端在频点上感知到了可驻留的强小区；至于“思”，就是判决，也就是终端根据小区选择需要遵循的判据来做判断和决策；最后的“齐”，代表小区同步的过程。
通过“见贤思齐”，终端可以实现小区选择，驻留到合适的小区。
2．初始小区选择
与普通小区选择相比，初始小区选择的步骤有明显的差别：● 终端在进行初始小区选择时需要了解所有频段的环境，因此会在每个频段上扫描频点；● 在每个频点上终端只关注最强的小区信号，并与之同步；● 终端同步后只需要获得PLMN标识，而且不需要驻留到目标小区中。
简言之，初始小区选择是个循环过程，直到扫描完全部频段。1.2.8 待机状态：小区重选
介绍了待机状态的小区选择，接下来我们来了解更常见的过程：小区重选。终端在待机状态做的事情，十有八九，就是小区重选。
小区重选的相关过程可以参考图1.13。图1.13 小区重选的相关过程
从图1.13可以看到，在驻留的状态下，终端不断进行小区重选，从而可以驻留在最好的小区。在驻留时，终端随时会进入联机状态。终端只有关机或者进入无覆盖区域，才会停止小区重选。
与普通小区选择类似，小区重选具体的处理方法也分为4个步骤，可以用“见异思迁”这个成语来概括，如图1.14所示。图1.14 小区重选的步骤
其中“见”，还是终端对环境的感知；而“异”，就是终端感知到了邻区，当然这个邻区要足够强；至于“思”，还是判决，也就是终端根据小区重选需要遵循的判据来做判断和决策；最后的“迁”，同样代表小区同步的过程。
通过“见异思迁”，终端可以实现始终驻留在合适的小区中。
大家不难发现，无论是小区选择还是小区重选，都离不开“见”与“思”，也就是感知周围的环境以及相关的决策，下一节我们就来讲解“见”与“思”，也就是测量与判决。1.3 见与思：终端的测量机制与判决1.3.1 什么是测量
测量（Measurement）是我们在移动通信技术中经常遇到的一个术语。
1.2节讲到，测量是终端感知周围环境的方法，而且由于无法定位，测量更像人的鼻子，而不是人的耳目。
就像感知能力是人重要的机能一样，测量也是移动通信设备非常重要的机制。因此，除了终端需要测量，基站也需要测量。
另外，本章是讲的是终端的待机状态，第2章我们就会知道，在联机状态，终端也离不开测量。
总之，测量在移动通信设备中无处不在，不过这一节我们还是围绕终端的待机状态，介绍在待机状态下的那些测量。
处于待机状态的终端，测量只会在终端唤醒的时刻进行，因此终端有一个固定的测量周期，就是终端的DRX周期。
1．小区选择中的测量（1）测量对象
在小区选择时，终端需要测量的是RSRP，也就是小区参考信号的强度。如果你还不了解什么是RSRP，请翻阅《LTE教程：结构与实施》一书的相关章节。
到了LTE的R9版本，对终端的测量内容进行了扩充，还可以测RSRQ，也就是小区参考信号的质量。如果你还不了解什么是RSRQ，同样请翻阅《LTE教程：结构与实施》一书的相关章节。
不过对于LTE系统而言，终端通常测量RSRP就足够了。（2）测量范围
测量范围指的是频率范围。在小区选择时，频率范围有两种情况，对应小区选择的两种方式。
第一种情况就是初始小区选择。这时终端会对全频段进行测量，耗时会比较长。当然，这个频段与终端的制式相关，不同制式有对应的频段。
第二种情况就是普通小区选择，是指终端根据确定的频点信息对进行小区选择。很明显，普通小区选择时由于频点已经确定，测量比较快捷。
2．小区重选中的测量（1）测量对象
小区重选与小区选择类似，终端需要测量RSRP或者RSRQ（R9），同样，对于LTE系统而言，终端通常测量RSRP就足够了。（2）测量范围
在小区重选时，终端需要测量服务小区以及周围的邻区。1.3.2 什么是判决
讲解了待机状态的终端测量后，接下来我们来讲解判决。
判决很简单，就是终端根据测量结果，决定要不要动作，判决的依据就是算法的结果。
算法又称为判据，英文是Criterion。从名字上我们就可以看到，算法是待机状态处理机制中的关键因素。
由于在待机状态下，终端需要执行小区选择和小区重选两大任务，因此判据也分为小区选择和小区重选两个判据。当然，这里说的小区选择是普通小区选择。
那么，判据的内容是什么呢？
判据其实是包含多个参数的算式，终端根据各个参数的取值，得到算式的结果，也就是判决的结果，从而决定终端最后的动作。简单地说，判据类似于终端在做的数学题，当然这个数学题很简单，通常只需要用到四则运算。
接下来，我们就来讲解小区选择时用到的判据，这个判据分R8和R9两个版本。注意，这里说的小区选择依然是普通小区选择。1.3.3 小区选择判据
1．小区选择的判据（R8）
在普通小区选择的过程中，终端测量了小区的RSRP后，会利用S算法来得到判决的结果，判断小区是否满足要求。S是Select的意思，也就是选择。
LTE规范TS36.304定义了S算法的具体内容。在LTE系统的R8版本中，S算法写为Srxlev≥0其中，Srxlev＝Q-（Q＋Q）-max（P-rxlevmeasrxlevminrxlevminoffsetEMAX
P，0）PowerClass
不难看出，在S算法中用到了5个参数，这些参数的简单描述以及来源列在了表1.2中，其中的SIB代表系统信息块，将在后续的广播机制中介绍。
式中，Q是终端测量到的小区参考信号的信号强度RSRPrxlevmeas的数值；Q是系统参数，指可驻留的目标小区需要的最低rxLevminRSRP，在现网中这个参数通常设为-124dBm；Q是系统参rxLevminoffset数，对应Q的偏置值，用在漫游的PLMN中，在现网中这个参rxLevmin数通常设为2dB；P是系统参数，指终端接入系统时最大的允许EMAX发射功率，在现网中，这个参数通常设为23dBm；P是终端PowerClass的最大发射功率，与终端的功率等级相关。请注意，终端的功率等级与终端的类型不是一回事。在规范TS36.101中，规定常用的LTE终端的最大发射功率为23dBm。
终端经过接收系统信息广播以及测量，获取了表1.2所列的参数以后，得到目标小区S算法的结果。例如，如果测量得到RSRP为-95dBm，根据现网参数，Srxlev等于29dB。表1.2 S算法的参数（R8）参 数描 述来 源单 位测量得到的目标小区Qrxlevmeas测量dBmRSRPQrxlevmin最低RSRPSIB1广播dBmQrxlevminoffset最低RSRP的偏置值SIB1广播dB终端上行最大可用发射PEMAXSIB1广播dBm功率PPowerClass终端最大发射功率终端功率等级dBm
从本质上看，S算法将RSRP从绝对值转换为相对值，单位从dBm变成了dB。
终端如果发现目标小区满足S算法，判决通过，终端就会与目标小区同步。
如果熟悉GSM系统和WCDMA系统，你就会发现S算法在这些系统中都存在，只是测量的指标不同而已。
2．小区选择的判据（R9）
到了R9，对S算法做了扩充，引入了一个新的算式：Srxlev≥0 并且 Squal≥0其中，Squal＝Q–（Q＋Q）qualmeasqualminqualnoffset
在新算法中用到了3个新的参数，这些参数的描述以及来源列在表1.3中。表1.3 S算法的参数（R9）参 数描 述来 源单 位测量得到的目标小区Qqualmeas测量dBRSRQQqualmin最低RSRQSIB1广播dBQqualminoffset最低RSRQ的偏置值SIB1广播dB
这个新算式其实借鉴了WCDMA的小区选择算法，严格说也没有什么新鲜的内容。公式中的参数与R8算法的参数大同小异，只是把RSRP改成了RSRQ而已。1.3.4 小区重选过程与判据
接下来，我们来了解非常重要的小区重选过程，我们先来看小区重选的考量。
1．小区重选的考量
前面提到，小区重选是终端在待机状态最频繁的任务，也是最主要的工作。既然终端老是要做小区重选，工作效率就很重要了。
由于当前无线网络为了实现连续覆盖，基站都是密集分布，终端应该可以接收到许多邻区的信号。为了减少邻区测量的开销，尤其是减少异频测量的开销，LTE系统设置了很多门限值，只有达到了相应的门限，终端才会启动相应的测量。
利用门限来提升测量效率，是LTE系统从WCDMA系统中继承过来的，不算创新。不过LTE系统也在小区重选中引入了两项新的内容：
一个是在小区重选中引入了优先级的概念，不同的频点可以设置不同的优先级，这样网络侧更容易控制终端的重选行为，具体内容将在第6章中详细介绍。
另外一个是考虑了终端的移动速度，具体内容请大家查阅其他参考书。
2．小区重选的步骤
接下来我们来看小区重选的具体步骤，如图1.15所示。图1.15 小区重选的步骤
从图1.15可以看到，终端会定时测量服务小区的RSRP值，当RSRP低于门限后，终端开始测量邻区的RSRP。当然，这里讲的邻区还是LTE系统的邻区，其他制式的邻区测量将在第6章中介绍。
终端通常会测量到多个邻区的RSRP，接下来终端就要进行过滤，去掉一些不满足条件的邻区，过滤的方法称为S准则，与小区选择用的S算法是一回事。过滤后就得到了候选小区。
终端再对候选小区排序，排序的方法称为R准则，R是Rank的缩写，也就是排序。显然，如果排序得到的最好小区不是服务小区，终端将重选到最好小区。
3．测量过程的启动
终端启动邻区测量是有条件的，这些条件分为以下两种情况。（1）启动同频测量的条件S≤S服务小区intrasearch（2）启动异频测量的条件
S≤S服务小区nonintrasearch
S代表测量得到的服务小区RSRP经过S算法处理后的结服务小区果，S和S两个门限值是系统参数，都会由SIB3来intrasearchnonintrasearch广播。在现网中，S通常设为42dB，S通常设为intrasearchnonintrasearch12dB。如果采用1.3.3节的系统参数，S相当于RSRP，等intrasearch于-80dBm；S相当于RSRP，等于-110dBm。nonintrasearch
到了R9，同样引入了RSRQ作为启动测量的条件，因为不常用，这里就不介绍了。
4．排序算法R准则
R准则有如下两个表达式，分别针对服务小区和邻区。值得注意的是，服务小区只有一个，而邻区可以有多个。
R准则表达式中参数的描述以及来源列在表1.4中，可见，R准则的作用是调整各个小区的RSRP值，使得小区重选的过程更加稳健，终端不至于来回重选。表1.4 R准则的参数参 数描 述来 源单 位Qmeas测量的小区RSRP测量dBm
QHyst迟滞值SIB3广播dBQoffset偏置值SIB4广播dB
5．小区重选的过程
最后，我们用一张图来讲述LTE终端的小区重选过程，这张图就是图1.16。图1.16 小区重选的过程
从图1.16可以看到，服务小区的RSRP（实线）在逐渐下降，这种情况可能是由于终端在逐步离开服务小区的覆盖范围。
当服务小区的RSRP低于S代表的信号值后，终端开始测intrasearch量邻区的RSRP。终端发现，邻区的信号越来越好，RSRP逐步走高，这种情况可能是由于终端在逐步进入邻区的覆盖范围。
得到邻区的测量结果后，终端就会用S准则过滤邻区。通常，邻区的RSRP都会满足S准则的条件，终端应该有很多个候选邻区。不过为了方便展示，在图1.16中假定终端只有一个候选邻区。
接下来终端再用R准则来排序服务小区和候选邻区。
从图1.16可以明显看到，R准则使得服务小区的RSRP数值被抬高，抬高的幅度为Q；候选邻区的RSRP数值被压低，压低的幅度hyst为Q，这样做的目的是为了让小区重选更加稳健，不会随随便便offset发生，以避免乒乓重选，出现终端反复地在几个小区间重选来重选去的情况。这样就得到两条虚线，对应处理的结果。
经过R准则处理后，在t时刻，候选邻区终于成为最优小区。0
不过，这时终端还不能马上重选到候选邻区。为了让小区重选更可靠，LTE系统还定义了一个参数：Treselection，只有候选邻EUTRA区的信号在Treselection时间内持续成为最优小区，终端才能重EUTRA选到候选邻区。Treselection参数同样由SIB3中广播。EUTRA
在图1.16中，经过Treselection时间后，由于候选邻区信号EUTRA仍旧最好，于是，终端就重选到候选邻区上，驻留下来。这样，候选邻区变成了服务小区，而原来的服务小区变成邻区，实现了角色的转换。这个转换过程，离不开下面要讲的小区同步机制。1.4 小区同步机制
所谓小区同步，其实是终端同步到服务小区。这是经过测量和判决过程后，终端接下来要执行的动作。同步之后，终端才可以接收到服务小区广播的系统信息，也就是说，接收系统信息是同步的结果。
小区同步包含两项任务，一是终端实现与服务小区在时间上的同步；二是终端实现与服务小区在频率上的同步，其中，时间上的同步尤为关键。因此，想要理解LTE终端的小区同步机制，我们还得先从LTE空中接口的时间结构讲起。1.4.1 LTE的时间结构
为了方便大家学习，这里，我们先简要回顾一下LTE空中接口的时间结构。
在《LTE教程：结构与实施》一书中讲到，LTE空中接口按双工方式FDD和TDD，分为两种时间结构。这里就引用《LTE教程：结构与实施》一书的相关内容，分别来介绍如下。
1．FDD
图1.17展示了FDD LTE空中接口的时间结构。从图1.17不难看出，FDD LTE空中接口的时间结构分无线帧、子帧和时隙三个层次，无线帧的时长为10ms，子帧的时长为1ms，时隙的时长为0.5ms。图1.17 FDD的时间结构
每个无线帧都有自己编号，称为系统帧编号SFN，编号范围从0～1023，不断循环。SFN是终端定时的关键参数，前面讲终端的DRX周期时已经碰到了，后面还会在终端处理机制中经常碰到。
另外，每个时隙还由多个OFDM符号组成，每个OFDM符号的时长也是固定的，与子载波间隔相关。在现网中，子载波间隔为15kHz，对应的OFDM符号时长为66.7s。66.7s等于2048个T，T是采样点时ss长的意思，是LTE系统最小的一个时间单位。
每个时隙OFDM符号的数量与OFDM符号的循环前缀CP长度相关，在现网中，CP一般设为普通CP，这样每个时隙中有7个OFDM符号。
2．TDD
图1.18展示了TD-LTE空中接口的时间结构。从图1.18不难看出，TD-LTE空中接口的时间结构中引入了半帧这样一种结构，分为无线帧、半帧、子帧和时隙四个层次，其中，半帧由5个连续的子帧组成，时长为5ms。图1.18 TDD的时间结构
另外，在TDD双工方式下，各个子帧是有差别的，有些子帧用于下行，有些子帧用于上行。半帧的第1个子帧固定用于下行，其他子帧的用途可以配置。在LTE系统规范TS36.211中定义了7种配置，称为上下行比例。
在子帧中，有一种子帧称为特殊子帧，位于每个半帧的第二个子帧上。在特殊子帧中，既有上行部分又有下行部分。
特殊子帧上、下行部分的时长也是可以配置的。在LTE系统规范TS36.211中定义了9种配置，称为特殊子帧格式。
上下行比例以及特殊子帧格式作为系统参数，都会在SIB1中广播。
我们发现，尽管TD-LTE增加了一层时间结构，并且引入了可变的上下行比例和特殊子帧格式，但是无线帧、子帧和时隙的时长以及时隙的内部结构与FDD LTE还是保持了高度地一致，实现了尽可能地兼容。1.4.2 小区同步的过程
讲完LTE空中接口的时间结构后，我们不难想到，所谓时间同步，就是在终端侧复制小区的时间结构，实现的方法就是同步机制。
当然，一个好汉三个帮。为了实施同步机制，终端还需要小区的帮助，提供一些信号，这些信号用于同步过程，称为同步信号。
那么终端是怎么利用同步机制来复制这些时间结构呢？这就是小区同步过程。LTE系统的小区同步过程继承了WCDMA系统的小区同步过程，因此我们先简单介绍一下WCDMA系统的小区同步过程。
附带说一句，从同步过程中我们可以发现，LTE系统是从WCDMA系统发展而来，而不是从TD-SCDMA系统发展而来。
1．WCDMA终端的小区同步过程
图1.19展示了WCDMA终端的小区同步过程。可以看到WCDMA终端借助主同步信道、辅同步信道和导频信道，分别实现了时隙同步以及无线帧同步，最终复制了WCDMA空中接口的时间结构。图1.19 WCDMA终端的小区同步过程
2．LTE终端的小区同步过程
看完了WCDMA终端，我们再看LTE终端，就会发现两种终端的同步过程如出一辙。
图1.20展示了LTE终端的小区同步过程。可以看到LTE的终端借助主同步信号PSS、辅同步信号SSS、广播物理信道PBCH和小区参考信号CRS，最终也复制了LTE空中接口的时间结构。图1.20 LTE终端的小区同步过程
接下来，我们将介绍小区同步的具体过程，首先要介绍同步过程当中扮演重要作用的各种信号与信道的时频结构。1.4.3 小区同步的相关信号与信道
1．同步信号
毋庸置疑，同步信号是小区同步过程中最重要的信号。同步信号继承了WCDMA系统的光荣传统，分为两种：主同步信号和辅助同步信号。
主同步信号和辅助同步信号在时间上的分布与双工方式相关，FDD和TDD有所区别，如图1.21所示。图1.21 同步信号的时间分布
从图1.21可以看到，在FDD双工方式下，主同步信号占用了每个无线帧的第0号以及第5号子帧的第一个时隙的最后一个OFDM符号。这一长串结构听起来很拗口，实际上说明主同步信号是以5ms为循环周期的。
辅助同步信号的位置是主同步信号的前一个OFDM符号，也就是第0号以及第5号子帧的第一个时隙的倒数第二个OFDM符号，也是以5ms为循环周期的。
在TDD双工方式下，主同步信号占用了特殊子帧的第三个OFDM符号，辅助同步信号的位置是主同步信号的前三个OFDM符号，也就是第0号以及第5号子帧的第二个时隙的最后一个OFDM符号，也是5ms的循环周期。
讲完了时间分布，我们再来看频率分布：主同步信号和辅助同步信号占用最小的系统带宽，这个带宽就是1.4MHz的带宽，对应6个RB的带宽。
2．PBCH
从时间分布上看，LTE的广播物理信道PBCH分布在每个无线帧的第0号子帧的第二个时隙上，占用范围从第一个OFDM符号到第4个OFDM符号，以10ms为循环周期，如图1.22所示。图1.22 广播物理信道PBCH的时间分布
从频率分布上看，PBCH与同步信号类似，也只占用了1.4MHz的带宽，对应6个RB的带宽。
3．小区参考信号
从时间分布上看，LTE的小区参考信号分布在每个时隙的第一个OFDM符号和倒数第三个OFDM符号上，以0.5ms为循环周期的，如图1.23所示。图1.23 小区参考信号的时间分布
从频率分布上看，小区参考信号分布在整个频点带宽上。
最后，请大家思考一下：LTE的同步信号不是每个时隙都发送的，这样做会有什么优缺点？答：1.4.4 主同步信号
1．主同步信号的内容
讲解了同步信号的时频结构后，接下来我们来了解同步信号的内容。我们先从主同步信号开始。
主同步信号的内容是ZC序列，长度为62个码片。
如果读过《LTE教程：结构与实施》一书，你就不会对ZC序列感到陌生。ZC序列是一种伪随机序列，类似于CDMA系统中广泛应用的m序列，特性更好一些。
在LTE系统中，ZC序列得到了广泛应用，比如上行方向上的随机接入前导以及上行参考信号，都采用了ZC序列。在下行方向上，ZC序列用于主同步信号。
根指数是ZC序列的一个关键参数，用来描述和生成ZC序列，不同根指数的ZC序列之间可以认为是正交的。
在LTE系统中，为主同步信号定义了三种ZC序列，根指数分别为25、29、34，每个小区会选用一种ZC序列，具体的根指数由小区PCI（小区物理层ID）中的NID来决定。2
PCI有如下的表达式：PCI＝NID×3＋NID12其中，NID的取值为0～167，NID的取值为0～2，PCI的取值为0～12
503。
根据PCI的表达式，NID可以由PCI模三后得到，这也就是LTE系2统中著名的模三干扰的由来。所谓的模三干扰，就是指相邻小区的PCI模三后相同，于是根指数相同，ZC序列相同，终端与小区同步就麻烦大了。
为了避免相邻小区ZC序列的冲突，在现网中，通常一个基站的三个小区的根指数必须设为不同，紧邻小区的根指数尽量设为不同，这就要求我们仔细规划和设置小区的PCI。
最后，请大家思考一下：如果相邻小区的PCI模三后相同，是否意味着终端不能接收主同步信号？答：
2．主同步信号的映射
基站根据PCI得到了62个码片的ZC序列后，该如何把ZC序列映射到主同步信号的时频结构中呢？图1.24以FDD双工方式为例，告诉了我们答案，映射的方法就是《LTE教程：结构与实施》中讲到的各就各位。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]