1.2 終端的待機狀態

1.2.1 待機狀態的使命

前面講解了LTE終端的各種工作模式，接下來我們就回到本章的主題，介紹待機狀態的一些特點。

我們先來了解一下待機狀態的使命。就像前一節講的，待機狀態下終端還有很多任務，簡要來說，可以歸納為：

● 必須跟對小區，團結在合適的基站周圍；

● 時刻準備建立業務連接。

這樣終端后面的 Boss——基站就浮出水面了。終端通過基站才能接入移動通信網絡，才能建立業務連接。因此，在終端看來，基站相當于移動通信網絡的聯絡人。

基站是移動通信網絡的重要組成部分，也是數量最多的網絡設備，一個城市的移動通信網絡中可以有成千上萬個基站。之所以要部署這么多基站，是因為移動通信網絡利用基站來實現業務的覆蓋，而一個基站的覆蓋范圍是有限的。

圖1.4展示了基站與終端的關系，這里選取了移動通信網絡中的一個基站作為代表。

通常，基站采用三扇區來覆蓋一片區域，理論上每個扇區可以看成一個六邊形，類似一個蜂窩，如圖1.4所示。每個扇區對應一個小區（Cell），而終端就處于基站的某個小區內。

由于終端可以移動，這樣終端所處的小區就會發生改變。這時，如果終端不改變所屬的小區，就會有大麻煩：無法進入聯機狀態。

因此，在待機狀態，終端最重要的工作就是找準自己所處的小區，進而找到自己應該歸屬的基站。這樣一旦有業務連接的需求，終端就能盡快建立業務連接。

不過，圖1.4中展示的六邊形，只是理論上的描述，在實際網絡中并不存在，那么終端該怎么實現跟對小區這個使命呢？

終端可以通過下面兩個手段來做到：

● 聞——測量周邊環境；

● 聽——小區廣播和尋呼。

請大家注意，我們通常用眼睛來觀察周邊的環境，而且眼睛能定位目標；但是終端不一樣，只能感知到小區信號的強弱，不能定位，換句話說，終端的感知方式更像我們的鼻子，而不是我們的眼睛。

除了感知信號的強弱，如果信號足夠強，終端還能監聽到小區講什么，這就是小區的系統信息廣播。此外，網絡對終端的呼叫，也就是尋呼，終端也可以聽到。

通過這兩種手段，終端就可以實現跟對小區了，當然這里還牽涉很多細節問題，后面會一一道來。

1.2.2 待機狀態的考量

接下來我們介紹待機狀態的考量，這是設計待機狀態的一個出發點。

待機狀態的考量也是兩條，如下所述。

● 省電：也就是盡量延長終端的待機時間；

● 響應快：也就是網絡尋呼后終端能盡快連接。

第一個要求很容易理解，大家都喜歡用續航時間長的手機，如果能三天一充電最好，最次也希望一天一充電。加大手機的電池容量是一種方法，但是減少手機在待機狀態下的耗電量，顯然是一種更好的方法。

第二個要求也容易理解，如果你撥打對方的手機號碼，半天也沒有振鈴，你的體驗肯定很差，心里很不滿意。

怎么實現這兩大考量呢？

解決第一個要求的好辦法前面已經介紹過了，就是把待機狀態再細分為休眠和喚醒兩種狀態，兩種狀態周期性地出現，這種機制稱為DRX（Discontinuous Receive，不連續接收）。

DRX 機制就是終端平時休眠，短時喚醒，喚醒時才會執行待機狀態的相關工作。計時以無線幀為單位，終端喚醒的時刻是固定的，與無線幀的系統幀編號（SFN）相關。我們可以把兩個相鄰喚醒時刻的時間差定義為一個休眠周期，稱為DRX周期。

LTE的技術規范TS36.331定義了4種DRX周期長度，分別是32、64、128或256個無線幀，對應320 ms、640 ms、1.28 s或2.56 s。

基站為每個小區設置了默認DRX周期，具體取值由SIB2廣播，參見表A.3。LTE系統還允許終端設置專用DRX周期。終端最終使用其中最短的一個周期作為DRX周期。

圖1.5展示了3個終端的DRX周期設置情況，可以看到，UE1與UE2都采用了640 ms的DRX周期，而UE3則采用了1.28 s的DRX周期。

很顯然，DRX 周期越長，終端的功耗越低，終端越省電，續航時間越長。不過， DRX 周期也與終端的響應時間成正比。這樣看來，在待機狀態沒有兩全其美的事情，如此沖突的兩個需求，就需要LTE網絡與終端仔細去權衡了。

另外，除了DRX周期可以設置，終端的喚醒時刻也是有講究的，喚醒時刻所在的無線幀的SFN與終端的標識IMSI相關，這樣就可以打散終端的喚醒時刻，減輕基站的負荷。

最后，請大家思考一下：

如果終端的DRX周期可以靈活變化，有什么好處？又會帶來什么麻煩？

答：

1.2.3 待機狀態的任務

1.待機狀態的任務

根據待機狀態的使命以及設計考量，我們要求終端在待機狀態時完成一些具體任務。在LTE的技術規范TS36.304中介紹了LTE終端在待機狀態的具體任務，不過由于內容過于復雜，這里進行了簡化，用圖1.6將LTE終端待機狀態的任務展示給大家。

從圖1.6中不難看出，LTE終端面臨以下三大任務：

● PLMN選擇；

● 小區選擇與重選；

● 位置登記。

PLMN 選擇主要實施于開機過程，也就是 LTE 終端從關機狀態變成待機狀態的過程中。其他情況下，只有LTE終端從覆蓋盲區回到覆蓋區域，以及用戶手動選擇才會涉及PLMN選擇。

當然，在待機狀態下，LTE終端最關鍵的任務是小區選擇與重選，這也是本章的重點內容。

而本章的最后，將介紹LTE終端位置登記的具體處理過程。

2.PLMN概述

介紹了終端的任務之后，這里再介紹一下圖1.6中出現的PLMN這個專用術語。

PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網），是移動通信網絡的代名詞。具體到我們國家，每個移動通信運營商的網絡算一個PLMN，因此，中國移動、中國聯通和中國電信的網絡是不同的PLMN。

隨著技術的演進，為了方便管理，同一運營商不同制式的網絡，也可以設置不同的PLMN，比如中國移動的GSM和TD-SCDMA網絡，曾經設置成不同的PLMN。不過隨著技術的發展，2G、3G、4G的核心網融合在一起，現在又逐漸統一到一個PLMN上了。

對運營商而言，每個用戶都屬于其中一個PLMN，也就是歸屬PLMN，用戶的信息保存在歸屬PLMN的數據庫中，用戶可以在歸屬PLMN中得到相應的服務。另外，歸屬PLMN的信息還會保存在用戶的USIM卡上。

作為用戶，除了歸屬PLMN，還會遇到等價PLMN，這主要是指同一運營商不同制式的PLMN。通常，用戶可以在等價PLMN上得到與歸屬PLMN同等的服務。

此外，用戶還會遇到漫游PLMN，也就是其他國家與地區運營商的PLMN。利用運營商之間的約定，用戶可以在漫游PLMN中得到相應的服務。

最后是其他PLMN，這些PLMN會拒絕為用戶提供相應的服務，除非是緊急呼叫。例如，中國聯通的GSM用戶就無法在中國移動的GSM網絡中得到服務。

前面說的是從核心網的角度看PLMN，如果從無線網絡的角度看，PLMN是這樣體現的：

PLMN通過基站來實現業務的覆蓋，旗下的基站可以將網絡內的用戶接入系統，建立相應的業務連接。因此承擔待機使命中的合適基站，指的是用戶可用PLMN下的基站。

工作頻段是基站的重要參數，也就是基站收發信號的頻率范圍，由無線制式來決定。一個PLMN下的基站往往可以設置多個工作頻段，因此PLMN與工作頻段間是一對多的關系。換言之，終端可以在多個工作頻段上遇到同一個PLMN的信號。

在國內，由于中國移動、中國聯通或中國電信的移動通信網絡，對應不同的PLMN，這樣，在同一個地方，往往會由多個PLMN的基站實現業務覆蓋。

如果 PLMN 的無線制式不同，那么這些基站的工作頻段也是不同的，彼此可以避免干擾。

但是，不同的PLMN可能會采用同樣的無線制式，比如都是TD-LTE制式，工作頻段都采用B41頻段，這時就需要利用不同的工作頻點來區分不同的PLMN，就像《LTE教程：結構與實施》（第2版）中第5章介紹的那樣。

3.PLMN標識

除了工作頻段及工作頻點等外在特性，為了讓用戶搞清楚所處的 PLMN，每個PLMN都應該有明確的標識（編號），并作為系統信息由基站來廣播，讓基站下的終端都能夠接收到。

圖1.7展示了PLMN標識，從結構上看，PLMN標識分為兩部分，一部分稱為MCC（移動設備國家代碼，簡稱國家代碼），另一部分稱為MNC（移動網絡代碼）。

中國的國家代碼是“460”，國內移動運營商的常用MNC如表1.1所示。

1.2.4 待機狀態的運作過程

講完了LTE終端在待機狀態下的任務，接著我們來看LTE終端在待機狀態的運作過程，如圖1.8所示。

從圖1.8可以看到，終端開機后會進行PLMN選擇，PLMN選擇的過程與小區選擇的過程緊密耦合。

小區選擇完成后，終端就駐留到目標小區中，這個小區在規范中稱為服務小區。

另外，終端駐留后，需要執行小區重選的流程，以便駐留在最優小區。服務小區變化后，如果有需要，終端還會進行位置登記，這樣網絡就可以知道終端的位置。

終端駐留后，可以從待機狀態進入聯機狀態，比如進行位置登記或者提供服務；而終端從聯機狀態返回待機狀態后，將執行小區選擇這個流程。

值得注意的是，小區選擇與小區重選的過程都是終端自主進行的，基站并不會與終端交互，這樣可以降低基站信令負荷。不過，基站還是可以控制終端的小區選擇與小區重選的。待機狀態下終端與基站的互動方式如圖1.9所示。

在圖1.9中，有兩個重要的術語，一個是服務小區，也就是終端當前駐留的小區；另外一個是鄰區，也就是終端能感知到的其他小區。通常這些小區與服務小區相鄰，所以稱為鄰區。

從圖1.9可以看到，每個小區都會廣播系統信息，這些信息包含很多LTE系統參數，可以用來控制終端在小區選擇與小區重選時的行為。至于怎么控制，后面會詳細介紹。

另外，小區還會廣播尋呼消息，通知終端需要建立業務連接。收到尋呼后，終端就會進入聯機狀態。

當然，這里面還有一個非常重要的前提，就是各個小區廣播的信息不能互相干擾，不然終端就無所適從了。避免干擾的技術稱為多區技術，大家可以參考《LTE教程：原理與實現》（第2版）第2章的相關內容，這里就不展開了。

1.2.5 待機狀態：駐留

在1.2.4節中，我們發現駐留狀態是待機狀態終端運作的核心，本節就來簡單聊一聊駐留。

駐留，英文是 Camp，也就是安營扎寨。換句話，終端找到了一個落腳點。當然，這個落腳點并不是永久的，終端可以通過小區重選，不斷改變駐留的小區。

終端可以駐留在什么樣的小區呢？一個是小區所屬的 PLMN 可用，另外一個是小區的無線信號足夠強。

那么，如何衡量終端是否駐留呢？很簡單，看終端是否與小區實現信息同步。所謂的信息同步，指的是終端接收到了小區廣播的系統信息，包括接入參數、鄰區信息等一系列的系統信息。

不過大家不要認為與小區同步很簡單，其實小區同步實現起來還是很復雜的，后面將詳細介紹小區同步的處理機制，大家就會知道小區同步過程的復雜程度了。

另外，駐留也是單向的，駐留可以看成一種暗戀。網絡根本不知道終端駐留了沒有，通常也不知道終端駐留在哪里。

雖然網絡不會直接控制終端的駐留行為，不過網絡對終端還是有要求的，希望駐留后的終端能夠滿足以下的要求。

（1）核心網

需要終端始終監聽網絡的尋呼，從而實現一呼即應，就像孩子時刻聽從父母的召喚一樣。

（2）無線網

需要終端始終駐留在無線信號最強的小區中，這樣可以保證終端在建立業務連接后，業務效果是最好的。這就要求終端不間斷地感知周邊的環境。

1.2.6 待機狀態：PLMN選擇

講完駐留后，從本節開始，我們逐一介紹待機狀態運作過程中涉及的PLMN選擇、小區選擇和小區重選的過程，至于位置更新的過程，將在1.6節中介紹。

首先來看PLMN選擇，為什么終端要進行PLMN選擇呢？

前面說過，在同一個地方，往往會有多個 PLMN 的基站覆蓋。作為用戶，只能在歸屬PLMN、等價PLMN和漫游PLMN上得到服務，因此必須在多個PLMN的基站中找到最合適的PLMN的基站，這就需要進行PLMN選擇。

PLMN選擇基于PLMN在無線側的三大特性：工作頻段、頻點和PLMN標識來展開。

工作頻段與終端的制式有關，現在的LTE終端普遍都是多模終端，還可以支持3G或者2G的制式。終端根據硬件配置，可以確定進行PLMN選擇的具體頻段。

終端還可以設置優先選擇的制式，比如4G優先，也就是優先在4G工作頻段上進行PLMN選擇；也可以只選擇某些制式，比如只在4G工作頻段上進行PLMN選擇。

PLMN 選擇的過程分為以下兩步。

● PLMN 搜索：這一步與頻點和PLMN標識相關；

● PLMN 注冊。

PLMN 搜索是終端掃描所在區域的PLMN信息，產生一個可用PLMN列表，列表中包括工作頻點和PLMN標識，PLMN標識也就是 MCC和 MNC。

PLMN注冊是終端根據PLMN列表的信息注冊到PLMN中，PLMN注冊又稱為附著，終端需要與網絡交互。

接下來我們就來了解PLMN 搜索和PLMN注冊的具體過程。

1.PLMN搜索

PLMN搜索可以人工觸發，也可以自動進行，終端開機以及從覆蓋盲區回到覆蓋區域都會自動進行PLMN搜索。

終端在進行 PLMN 搜索時，將進行初始小區選擇（全頻段掃描）的過程，以獲得PLMN 標識和工作頻點。初始小區選擇是小區選擇的一種方式，1.2.7節將詳細介紹。

在初始小區選擇（全頻段掃描）的過程中，終端掃描工作頻段上的各個頻點，得到PLMN標識，加入到一個可用PLMN列表中。可用 PLMN列表中包括 USIM卡上存儲的PLMN信息，還包含 PLMN搜索過程中得到的 PLMN。可用PLMN列表中的PLMN按優先級進行排序。

由于PLMN搜索是終端全制式以及全頻段的搜索，相當耗時，通常在30秒以上。

為了加快PLMN選擇的速度，終端開機后會利用存儲在 USIM卡和終端上的信息，主要是上一次注冊成功的 PLMN的相關信息，包括PLMN的標識、制式、頻率等信息，跳過PLMN搜索步驟，直接確定 PLMN信息，然后實施PLMN注冊。

當然，如果終端無法得到上一次注冊的 PLMN 的相關信息，或者無法注冊到上一次注冊的PLMN中，終端就必須進行PLMN搜索。

2.PLMN注冊

得到可用 PLMN 列表后，終端根據可用 PLMN 列表，進行人工或自動的 PLMN選擇。

所謂人工 PLMN選擇，就是終端列出可用的 PLMN，由用戶從中選擇一個 PLMN進行PLMN注冊。

所謂自動 PLMN選擇，就是終端從列表中最優先的 PLMN開始，逐個嘗試 PLMN注冊，不需要用戶的干預。

無論終端是通過上一次注冊信息、人工 PLMN選擇還是自動 PLMN選擇，只要終端選定了一個PLMN，接下來終端就會執行PLMN注冊進程。

PLMN 注冊從常規小區選擇過程開始，到終端駐留到一個合適的小區結束。常規小區選擇是小區選擇的另外一種方式，1.2.7節將詳細介紹。

終端在選定 PLMN 對應的頻點上完成常規小區選擇過程，找到目標小區后，終端進行附著，注冊到PLMN中。注冊成功后，終端進入駐留狀態。

一旦終端注冊不成功，如果是根據上一次注冊信息進行的注冊，終端將進行 PLMN搜索；如果是自動 PLMN選擇，終端將選擇下一個 PLMN，再進行新 PLMN的注冊；如果是人工 PLMN選擇或者是已經到達可用PLMN列表的結尾，終端將進入受限服務，這時終端只能進行緊急呼叫。

最后，如果終端處于覆蓋盲區，也就是終端的PLMN列表中所有PLMN都無法選擇小區，終端將顯示無覆蓋。

1.2.7 待機狀態：小區選擇

接下來，我們就來介紹待機狀態的重要過程：小區選擇。在1.2.6節中我們講到，小區選擇分為初始小區選擇（全頻段掃描）和常規小區選擇兩種方式，如圖1.10所示。

兩種小區選擇方式有明顯的差別：

在進行初始小區選擇（全頻段掃描）時，終端并不確定工作頻點；而在進行常規小區選擇時，終端已經確定了工作頻點。工作頻點的信息，可能來自終端和USIM卡中存儲的信息，也可能來自全頻段掃描得到的可用PLMN列表。

此外，初始小區選擇（全頻段掃描）用于終端開機后以及從覆蓋盲區回到覆蓋區域的PLMN搜索過程中；而常規小區選擇用于終端開機后的PLMN注冊過程或者從聯機狀態返回待機狀態。

在這兩種小區選擇方式中，常規小區選擇是我們關注的重點。

1.常規小區選擇

圖1.11展示了常規小區選擇的相關過程，常規小區選擇執行完畢后，終端就進入駐留狀態，因此是個一次性的過程。

常規小區選擇的步驟如圖1.12所示，圖中展示了具體處理方法，分為4個步驟。為了方便大家記憶，我們用“見賢思齊”這個成語來概括常規小區選擇的步驟，當然這里的“見”要理解為“現”。

所謂“見”，就是終端對環境感知，針對的是確定的頻點；而“賢”，就是終端在頻點上感知到了可駐留的強小區；至于“思”，就是判決，也就是終端根據小區選擇需要遵循的判據來做判斷和決策；最后的“齊”，代表小區同步的過程。

通過“見賢思齊”，終端可以實現小區選擇，駐留到合適的小區。

2.初始小區選擇（全頻段掃描）

與常規小區選擇相比，初始小區選擇（全頻段掃描）的步驟有明顯的差別：

● 終端在進行初始小區選擇（全頻段掃描）時需要了解所有頻段的環境，因此會在每個頻段上掃描頻點；

● 在每個頻點上終端只關注最強的小區信號，并與之同步；

● 終端同步后只需要獲得PLMN標識，而且不需要駐留到目標小區中。

簡言之，初始小區選擇（全頻段掃描）是個循環過程，直到掃描完整個頻段。

1.2.8 待機狀態：小區重選

介紹了待機狀態的小區選擇，接下來我們來了解更常見的過程：小區重選。終端在待機狀態做的事情，十有八九，就是小區重選。

小區重選的相關過程可以參考圖1.13。

從圖1.13可以看到，在駐留的狀態下，終端不斷進行小區重選，從而可以駐留在無線信號最強的小區。在駐留時，終端隨時會進入聯機狀態。終端只有關機或者進入無覆蓋區域，才會停止小區重選。

與常規小區選擇類似，小區重選具體的處理方法也分為4個步驟，可以用“見異思遷”這個成語來概括，當然這里的“見”同樣要理解為“現”。小區重選的步驟如圖1.14所示。

其中“見”，還是終端對環境的感知；而“異”，就是終端感知到了鄰區，當然這個鄰區要足夠強；至于“思”，還是判決，也就是終端根據小區重選需要遵循的判據來進行判斷和決策；最后的“遷”，同樣代表小區同步的過程。

通過“見異思遷”，終端可以實現始終駐留在合適的小區中。

大家不難發現，無論是小區選擇還是小區重選，都離不開“見”與“思”，也就是感知周圍的環境和作出相關的決策下一節我們就來講解“見”與“思”，也就是測量與判決。