一种TD-LTE终端搜网功能的实现方法*

王 琼，瞿传帅

（重庆邮电大学3G研究院 重庆400065）

1 引言

TD-LTE（time division long term evolution，分时长期演进）为国际4G标准之一，目前各大移动通信公司对TD-LTE的研究如火如荼。面对TD-LTE终端搜网功能的设计，普遍存在的难题是搜网花费的时间较长，终端在搜网过程中可能丢失网络的寻呼，造成无法获得服务小区系统消息变化的通知以及无法响应网络发起的MT（mobile terminated，终端接收的流程）请求，也可能丢失对服务小区和邻小区的监测，造成终端不能重选到最佳小区上获取服务，因此在搜网过程中保证监视寻呼、测量、读系统消息等常规任务的正常进行成为搜网功能设计的热点和难点，本文重点研究了一种有效解决这一问题的搜网实现方法。

2 TD-LTE终端协议栈架构

TD-LTE控制平面协议栈架构如图1所示。

TD-LTE终端协议栈架构[1]分为AS（access-stratum，接入层）和NAS（non-access-stratum，非接入层）。

AS包括RRC（radio resource control，无线资源控制）、PDCP（packet data convergence protocol，分组数据汇聚协议）、RLC（radio link control，无线链路控制）和MAC（medium access control，媒体访问控制）4个子层。RRC是AS的最高层，对PDCP、RLC、MAC起着控制作用，对无线资源进行管理和控制，接受NAS的控制和传输NAS信息，PDCP、RLC、MAC的功能是数据头压缩、加密、调度和混合自动重传请求。

NAS负责核心网功能，包括ESM（evolved packet system session management，演进分组系统会话管理）和EMM（evolved packet system mobility management，演进分组系统移动性管理）两个子层，主要功能有SAE（system architecture evolution，系统架构演进）承载管理、鉴权、信令加密控制及移动性管理。

3 搜网功能概述

触发搜网的原因有很多，除了手动搜网和周期性搜网必然触发搜网流程之外，其他触发搜网流程的场景由终端厂商自行选择，比如终端在丢失覆盖定时器超时后可以触发搜网流程，也可以触发选网流程。

3.1 手动搜网

手动搜网由用户发起，按照以下顺序将搜索到的PLMN（public land mobile network，公共陆地移动网络）上报给用户，其中包含“forbidden PLMN”列表中的PLMN和提供MS（mobile station，移动台）不支持服务的PLMN：

·EHPLMN（如果USIM卡中EFEHPLMN列表存在且不为空列表）或者HPLMN（如果EFEHPLMN列表不存在或者是一个空列表）；

·USIM卡EFPLMNwACT（user controlled PLMN selector with access technology，用户控制的PLMN及接入技术）列表中的所有PLMN（按照优先级顺序）；

·USIM卡EFOPLMNwACT（operator controlled PLMN selector with access technology，运营商控制的PLMN及接入技术）列表中的所有PLMN（按照优先级顺序）；

·按随机顺序上报高质量的PLMN/接入技术组合（高质量准则：PLMN下小区的RSRP（reference signal receiving power，参考信号接收功率）测量值大于或等于-110 dBm）；

·按信号质量从高到低的顺序上报其他PLMN/接入技术组合。

3.2 周期性搜网

自动选网模式下，当MS驻留在VPLMN（visited PLMN，访问PLMN）时，周期性地尝试从如下PLMN上获取服务：

·HPLMN（如果EFEHPLMN列表不存在或者是一个空列表）或EHPLMN（如果EFEHPLMN列表存在且不为空列表）；

·优先级比当前VPLMN高的EFPLMNwAcT列表中的PLMN；

·优先级比当前VPLMN高的EFOPLMNwACT列表中的PLMN。

USIM卡中EFHPPLMN保存了周期性搜网的时间间隔T值，范围为6 min～8 h，步长n是6 min或者指示不进行周期性搜网。如果没有保存该值，则默认周期性搜网的时间间隔为60 min。USIM卡中保存的参数值代表的意义如下[2]：′00′代表不进行周期性搜网，′YZ′代表T=（16Y+Z）n min，16Y+Z大于8 h的其他取值都认为T为60 min。

周期性搜网和尝试选择到更高优先级的网络时，遵循以下原则[3]：

·只在自动网络选择模式下发起；

·开机后第一次周期性搜网之前，需要经过至少2 min，至多T min；

·MS驻留在VPLMN中，且距离最后一次周期性搜网已过T min；

·只有空闲模式下的MS才会进行周期性搜网；

·如果没有搜索到更高优先级的PLMN，MS仍驻留在当前VPLMN中；

·MS只尝试选择到与当前VPLMN有相同MCC（mobile country code，移动国家号码）的PLMN上；

·与当前VPLMN有相同MCC的EPLMN（equivalent PLMN，等价PLMN）参与优先级的比较，优先级比它们都高的PLMN才可以被选择；

·如果最高优先级的PLMN是当前的VPLMN，或者是其EPLMN列表中的一个，那么MS仍驻留在当前VPLMN。

3.3 搜网模块和接口设计

为了更方便地处理搜网功能及实现以后多模下的搜网，从EMM[4]剥离出一个模块MMC（mobility management control，移动性管理控制）来负责搜网功能的控制，搜网条件的判断和搜网流程的触发由MMC负责。搜网功能的实现由MMC、RRC、MAC和L1（物理层）共同协作完成，当MMC判断满足搜网条件时，就会下发搜网请求信号ERR_GET_PLMN_REQ到RRC触发AS和L1的搜网过程。图2给出了基于图1协议栈架构的与搜网相关的模块和接口设计。

3.4 搜网请求的处理

RRC收到搜网请求后的通用流程为：启动L1扫频，读取扫频结果中每个频点上最强小区的SIB1[5]（system information block type 1，系统消息块1），收集S>0且not bared的小区的SIB1中的PLMN，向MMC上报搜索到的PLMN。但RRC在各个状态下对搜网请求的处理不尽相同，下面详细分析RRC在各种状态下对搜网请求信号的处理。

RRC有 以 下 几 个 状 态：NUL、LIM、IDL、DCH、SEL和RES。

刚开机或丢失覆盖的情况下RRC处于NUL状态，此状态下不会收到周期性搜网请求，当收到手动搜网请求后按照上述通用流程处理，因为在此状态下没有监视寻呼、测量、读系统消息等任务，所以不使用GAP搜网，搜网过程是连续不间断的，直到搜网结束为止。

UE（user equipment，用户设备）驻留到合适小区以后，处于IDL状态下，如果没有合适小区则驻留到可接受小区，进入LIM状态，在这两种状态下需要监视寻呼、测量和读系统消息，收到手动搜网或者高优先级搜网的请求后使用GAP搜网流程，保证监视寻呼、测量和读系统消息等任务能够正常进行。

当RRC连接成功后，处于DCH状态，DCH状态还有两个子状态，即发起随机接入过程的ACC状态和RRC连接释放过程的RLE状态，在DCH、ACC、REL状态下不会收到高优先级搜网请求，收到手动搜网请求后，直接向MMC上报搜网拒绝信号ERR_GET_PLMN_REJ，表明此次搜网失败。

小区选择和小区重选时，RRC分别处于SEL和RES状态，IDL下由于服务小区不可用或者发现更好的邻小区，会触发小区选择和重选过程；DCH状态下由于无线链路失败，也可能触发小区选择和重选过程。当处于IDL下触发的SEL和RES状态时，收到手动搜网或高优先级搜网请求，则延迟到小区选择或重选过程结束回到IDL后再处理；当处于DCH下触发的SEL和RES状态时，收到手动搜网请求后则向MMC上报搜网拒绝信号，表明此次搜网失败。

由以上分析可知，RRC只有在LIM和IDL状态下才启动GAP搜网流程。

4 GAP搜网原理和流程设计

LIM、IDL状态下，需要完成监视寻呼、测量和读取系统消息等常规任务，在收到搜网请求后，搜网任务是作为外加任务插入以上任务流程里的，搜网过程中必须保证以上任务的正常进行。下面以IDL状态下搜网为例，详细介绍GAP搜网的原理和流程设计。

要达到以上目的，首先要规划好IDL下监视寻呼、测量和读系统消息等任务，计算出这些任务占用的时间以及还剩余多少时间可以用来搜网。UE在IDL模式下启用DRX（discontinuous reception，非连续接收）周期来监视寻呼以减少功耗[6]，PO（paging occasion，寻呼块出现时刻）是由寻呼信息中P_RNTI（paging radio network temporary identity，寻呼无线网络临时标识）标识的PDCCH[7]（physical downlink common channel，下行公共物理信道）所在的子帧位置。一个DRX周期内只有一个寻呼帧，即一个无线帧，包含一个或多个PO，一个DRX周期内只需要监视一个PO。每个DRX周期监视寻呼的PO是通过协议规定和以一定算法计算得到的[8]，测量任务在监视寻呼任务完成后紧接着进行，测量任务结束到下个PO之间的时间（GAP长度）用来做搜网任务，下面首先详细介绍PO的计算以及IDL下监视寻呼、测量与搜网任务的规划，然后进行GAP搜网的流程设计。

4.1 PO的计算

DRX有两种：default paging cycle和UE specific DRX。UE从SIB2的IE（information element，信息元素）PCCH-Config中可以得到default paging cycle。UE specific DRX是存储在UE内存中的值，可以通过NAS信令传递到网络。DRX共有4种取值32rf、64rf、128rf、256rf，rf代表一个无线帧，一个无线帧分组含10个子帧。UE在计算PO时，使用default paging cycle和UE specific DRX二者之中的小者。

SFN（system frame number，寻呼帧号）由以下计算式得出：

寻呼时机子帧图样指数i_s由如下计算式得出：

以下参数用于计算SFN和i_s：T=min（default paging cycle,UE specific DRX）；UE_ID=IMSI mod 1 024；IMSI存储在USIM卡中；N为min（T,nB），取值为｛T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32｝；nB的 取 值 为｛4T、2T、T、T/2、T/4、T/8、T/16、T/32｝，在SIB2中给出；Ns为max（1,nB/T），取值为｛1、2、4｝。

由i_s和表1可确定PO的位置，表1中Ns表示寻呼帧中出现PO的个数。比如Ns=4、i_s=2，表示在寻呼帧中有4个PO，需要监视的PO在寻呼帧中的子帧号为5。

表1 子帧图样

下面举例说明如何计算PO：由IMSI=460076004600016、default paging cycle=256 rf、UE specific DRX=128 rf、nB=2T可以计算出UE_ID=208、T=128、N=128、Ns=2，再由以上两个计算式可以计算出SFN=80+128n（n是自然数），i_s=1。由计算结果可知，在SFN为80的无线帧中子帧号为5的子帧位置为PO，每隔128个无线帧重复出现一次，PO的位置如图3所示。

4.2 IDL状态下任务的规划

当IDL状态下有搜网任务时，监视寻呼、测量和搜网任务的规划如图4所示。

MAC在IDL状态下收到RRC发来的IDL_Config信息后，立即发送IDL_TASK给L1规划下个DRX周期内的任务（主要是监视寻呼和测量的任务），当收到RRC的搜网任务SearchTask时，延迟到下个DRX周期内的监视寻呼和测量任务完成后处理，测量完成后收到L1上报的测量结果MEAS_IND，MAC将状态转到SNW同时通过GAP_INFO将可用GAP长度告知L1，开始做搜网任务，L1在GAP用完之前要上报GAP_END通知MAC，上报时间点与下一个PO之间预留一定数量的子帧用于L1做上行同步调整[9]和MAC组装下个DRX周期的任务IDL_TASK，组装完成后MAC将状态转移到IDL同时下发IDL_TASK给L1规划下个DRX周期内的任务，然后进行下个DRX周期内的监视寻呼和测量的任务，测量完成后收到L1上报的测量结果MEAS_IND，MAC将状态转到SNW同时通过GAP_INFO将可用GAP长度告知L1，开始做搜网任务，如此一直循环，直到搜网过程结束。

4.3 IDL状态下正常搜网流程的设计

IDL状态下，MMC将搜网请求发给RRC，RRC触发AS和L1的搜网过程，完成后RRC将搜网结果通过ERR_GET_PLMN_CNF上报给MMC，如果是手动搜网，MMC将搜索到PLMN上报给用户，如果是周期性搜网，MMC将根据搜网结果判断是否需要发起到更高优先级PLMN的选网流程。搜网流程设计如图5所示。

RRC收到搜网请求后将盲搜的搜网任务通过CMAC_PLMN_SEARCH_REQ下发给MAC，MAC此时已通过EL1_IDL_TASK_REQ规划好下个DRX周期内的监视寻呼和测量任务，在下个DRX周期的监视寻呼和测量任务完成后收到L1上报的测量结果EL1_IDL_MEAS_IND，MAC将状态转移到SNW状态，通过EL1_GAP_INFO_REQ将GAP长度提供给L1，然后通过EL1_PWR_SWEEP_REQ发起盲搜，将盲搜到的频段通过CMAC_ICS_MEAS_IND报给RRC，RRC然后将精扫盲搜到的频段的搜网任务通过CMAC_PLMN_SEARCH_REQ发给MAC，MAC通过EL1_FINE_PWR_SWEEP_REQ发起精扫，将精扫到的频点通 过CMAC_ICS_MEAS_IND报 给RRC，此时L1上报EL1_GAP_END_IND，MAC将状态转移到IDL同时下发EL1_IDL_TASK_REQ给L1规划下个DRX周期的任务，此时RRC将在精扫到的频点上搜索最强小区的搜网任务，通过CMAC_READ_NCELL_SI_REQ发 给MAC，在下个DRX周期的监视寻呼和测量任务完成后，MAC将状态转移到SNW同时将下一个GAP长度提供给L1，通过EL1_CELL_SEARCH_REQ信号请求L1在指定频点上搜索小区，MAC将搜索到的所有频段的所有频点的小区的系统消息上报给RRC，RRC收集S>0且not bared的小区的SIB1中的PLMN，向MMC上报搜网结果，此时MAC处于SNW状态，已经将所有的搜网任务完成，RRC通过CMAC_ABORT_PLMN_REQ通 知MAC搜网结束，MAC通过EL1_IRAT_INACTIVE_REQ通知L1搜网结束，收到L1的确认响应后，MAC将状态转移到IDL，同时将下一个DRX周期的任务规划发给L1，继续进行常规任务。

4.4 IDL状态下异常搜网流程的设计

GAP搜网过程中的异常流程是指当前搜网任务被其他任务打断，由于搜网任务的优先级较低，被打断以后没有恢复的机制，则RRC终止搜网流程同时向MMC上报搜网失败信息ERR_GET_PLMN_ERR，如果是手动搜网，MMC还要上报用户搜网失败信息。GAP搜网的过程中主要有以下几种异常流程：

·用户取消搜网任务；

·收到属于自己的寻呼消息，寻呼消息中指示了服务小区的系统消息改变或者指示了有MT请求；

·RRC在搜网的过程中发现服务小区不可用或者发现更好的小区，发起小区重选；

·高层因业务需求发起接入请求；

·收到高层的去激活命令（如关机）。

图6给出了GAP搜网过程中监视的寻呼消息，指示了服务小区系统消息改变的异常流程设计。

GAP搜网过程中第一个GAP结束后，MAC回到IDL状态规划下个DRX周期的任务，下个DRX周期在PO收到L1上报的EL1_PDSCH_SIGNAL_READ_IND寻呼消息信号，然后通过CMAC_PCH_INFO_IND将寻呼消息上报给RRC，RRC解读到寻呼消息指示了服务小区的系统消息改变，RRC向MAC下发终止搜网的请求CMAC_ABORT_PLMN_REQ，同时向MMC上报搜网失败信号ERR_GET_PLMN_ERR，然后通过CMAC_READ_SI_REQ发起读服务小区系统消息的流程，MAC将读到的系统消息通过CMAC_BCH_INFO_IND上报给RRC，读完所有系统消息后MAC通过EL1_STOP_SI_READ_REQ通知L1读系统消息的任务结束，然后MAC将下一个DRX周期的任务规划发给L1继续进行常规任务。

5 仿真与测试

采用Telelogic Tau公司提供的TTCN按照预先设计好的流程编写测试例，TTCN将测试例转换成C语言可执行文件，然后利用SDL and TTCN Suite 4.0提供的SDL（specification description language，规范描述语言）和TTCN的协仿真功能进行测试[10]。这是一套集仿真、开发和测试于一体的软件工具，能满足TD-LTE终端高层协议栈的开发和一致性测试需求。对协议栈高层软件的测试，TTCN采用黑盒测试的方法，IUT（implementation under test，被测实体）可以看成一个黑盒子，里面装载了使用SDL和C实现的协议软件，对于TTCN测试系统而言，无须知道IUT这个黑盒子的内部如何实现的，TTCN向IUT发送一个激励信号，然后在观察点来验证这个黑盒子在收到激励信号后是否能产生预期的输出效果，同时检查生成的MSC（message sequence chart，消息序列图），MSC中MTC与DSP之间记录了协议栈MAC层与L1之间的流程交互，MTC与COM_TTCN之间记录了协议栈与人机界面之间的交互，如果产生了预期的输出效果，并且MSC中记录的IUT与TTCN之间的消息序列与自己设计的流程一样，则验证了此设计正确可行。图7和图8分别是按照图5和图6流程编写的测试例的测试MSC。对比流程设计图和仿真测试的MSC可知，协议栈代码运行的消息序列和预先设计的流程完全一致，验证了本文GAP搜网的可行性和有效性。

6 结束语

本文首先介绍了TD-LTE终端协议栈架构，设计了搜网相关的模块和接口，概述了搜网功能，然后重点阐述了GAP搜网原理和实现，并给出了典型流程的设计，最后对GAP搜网设计进行了测试和验证，测试结果表明终端搜网功能的实现符合预期设计，能够保证监视寻呼、测量、读系统消息等常规任务的正常进行，能够满足TD-LTE终端对搜网功能的需求，充分验证了本文提出的GAP搜网方法的可行性和有效性。

1 沈嘉，索士强，全海洋等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计.北京:人民邮电出版社，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 陈禹，温向明，郑伟.一种基于LTE TDD系统上行同步控制算法.电子与信息学报，2010,33(8):1 938～1 942

10 李小文，李贵勇，陈贤亮等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现.北京:人民邮电出版社，2003