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走进通信:4G手机跟基站是怎么“交流”的

发布时间:2019-07-30 09:32:12  来源:IT之家   采编:王涵  背景:

  科技进步的直接体现就是越来越多的东西都开始变得简单化、扁平化,能一步到位的事情,绝不拆成两步来做。就拿我们日常生活中最常使用的手机来说,拨号通话、上网等操作,只需要动动手指即可;但是隐藏在手指“下面”的,却是通信技术进步的直接体现。今天笔者跟大家简单聊一聊,在LTE时代,手机跟基站到底是怎么“交流”的。(本文以TDD-LTE网络举例说明)。

  LTE的网络架构

  在此之前,我们先了解一下LTE的网络架构。LTE的网络架构特点就是全IP、扁平化,整个TD-LTE系统由3部分组成:核心网(EPC, Evolved Packet Core)、接入网(eNodeB)、用户设备(UE)三部分组成。

  这张图相比大家已经见过很多次了,LTE网络架构简单明了,即便是一般用户乍一看都能略知一二。和UMTS相比,由于NodeB和RNC融合为网元eNodeB,所以TD-LTE少了Iub接口。X2接口类似于Iur接口,S1接口类似于Iu接口,这些接口我们都可以理解为两个“模块”之间信息交流的通道。

  一般来说,我们把除EPC之外的部分称为E-UTRAN(演进的UMTS陆地无线接入网),即LTE中的移动通信无线网络,也可以把这个部分称为无线侧,手机与基站的业务交流就在这里进行,再通过EPC的协同处理共同完成一次又一次的手机业务。

  在这里我们需要知道几个专业术语名称:

  EPC:核心网,由MME、S-GW、P-GW组成

  eNodeB:网元,我们可以将其理解为基站;

  MME:负责信令处理部分

  S-GW:负责本地网络用户数据处理部分

  P-GW:负责用户数据包与其他网络的处理

  S1接口:eNodeB与EPC之间的接口,可理解为连接通道(下同)

  X2接口:eNodeB之间的接口

  Uu接口:eNodeB与UE之间的接口

  eNodeB与EPC之间的业务负责是不一样的,具体来说如下图所示,在这里不做过多介绍。

  在了解LTE网络架构及各个系统组成之后,我们来聊一聊手机到底是怎么跟基站进行“交流”的。

  笔者在这里讲两个方面,一个是手机开机的入网过程,另一个是手机在空闲状态与业务状态与NodeB和EPC之间的“交流”过程,即重选与切换,这两个业务流程相对简单,便于理解。其他业务连接本文不做介绍,有兴趣的可以去阅读相关资料,如《LTE基本原理》、《LTE信令详解》等。

  开机入网

  上图是LTE终端开机入网总体流程,当然上图有点复杂,笔者在这里概述一下。

  当我们的手机重新开机之后,SIM卡标识是需要过一会才能显示出来,也就是说整个LTE终端开机入网的过程也就短短几秒钟,对用户而言就是简单的手机信号标识从“X”变为正常显示,但是在这简单的背后,却有着不简单的过程。

  LTE终端开机之后它的首要任务就是找到网络并和网络取得联系,以获得网络的服务。由于基站千千万,要找到最适合距离当前设备的信号,是需要一些“技巧”的。

  首先终端会进行PLMN选择,这个过程实际上是先确定小区(之前的文章中提到小区的概念,基站的一个扇区被称为一个小区,LTE的一个小区包含小区ID、PCI、中心频段,主频、TAC等诸多信息)的大概位置,通过MCC、NCC、TAC等关键信息的判断,先锁定需要驻留小区的大体方位及相关信息。

  接着就是需要小区搜索了,小区搜索的主要目的有:

  与小区取得频率和符号同步(下行同步)

  获取系统帧timing,即下行帧的起始位置

  确定小区的PCI(Physical-layer Cell Identity)

  这个步骤是终端在获取周边基站信号的大概位置之后,需要通过一系列操作来确定一个信号最好的小区作为驻留小区,驻留成功,就意味着你的手机可以正常上网了。

  除了搜索小区之外,为了支持移动性(保证你在运动过程中也能享受网络服务),终端还将不停地搜索邻小区、取得同步并估计该小区信号的接收质量(RSRP),从而决定是否进行小区重选(当终端处于RRC_IDLE态)。

  在这里需要注意的是,终端开机时是并不知道小区系统带宽的大小的,它只知道自己支持的频带和带宽。因此终端将在可能存在LTE小区的几个中心频点上接收信号(PSS,主同步信号),以接收信号强度来判断这个频点周围是否可能存在小区,如果终端保存了上次关机时的频点和运营商信息,那么终端开机后会先在上次驻留的小区上尝试,如果发现了相匹配的信息,则直接进行小区驻留;要是没有发现匹配信息,那么终端就需要在划分给LTE系统的频带范围做全频段扫描,发现信号较强的频点去尝试。

  这个不断尝试的过程,就是我们说的小区搜索,这个过程就是为了让手机能快速找到可驻留小区,并及时的连上网络。

  到这里,LTE终端总算是正常开机并能够上网了,那么我们在使用手机的过程中,其与基站的“互动”是怎么样的呢?

  重选与切换

  当你开车或坐车时,尽管你的手机就静静在躺在那里,但并不意味着你的手机就没有工作。事实上,只要你的手机处于开机状态,即便不开流量开关,它也没闲着,反而在一直努力工作中。

  重选与切换,笔者在之前的文章中简单的提过,当你的手机空闲状态(RRC_IDLE)时发生的小区信息的改变,我们称之为重选;当你的手机处于连接状态(RRC_CONNECTED)时,发生的小区信息的改变,我们称之为切换。

  我们先来看重选。

  LTE小区重选(cell reselection)指终端在空闲模式下通过监测邻区和当前小区的信号质量以选择一个最好的小区提供服务信号的过程。当中还会涉及到S准则重选判决准则,我们按下不提。

  重选我们可以理解为,只要周围存在满足要求的小区,那么你的手机就会自动重选到信号更好的那个小区上,这个过程不需要核心网参与。如果我们的手机处于上网状态,那么跟基站的“互动”是什么样的呢?

  在此之前,需要简单的介绍一下切换的基本概念——切换的过程分为切换测量测量、切换判决、切换执行三个阶段。如果是同一个基站内切换,也就是信号切出、接入都是同一个基站下的不同小区,那么切换过程就很简单,整个过程不需要核心网的参与,源小区和目标小区的资源信息都在eNodeB中进行,没有eNodeB间的数据转发,也不存在终端的随机接入,整体流程大体如下:

  UE:在吗,兄弟,Cell-1信号有点弱,我想切换到Cell-2(MS,测量报告过程)

  eNodeB:等等我看看啊,(仔细审查,满足条件),Cell-2,你准备一下,UE要向你那边切换了。

  eNodeB:UE,我给你发了一个RRC连接重配置消息,准备准备,要切换了

  UE:收到,切换完成,RRC连接重配置完成消息已反馈给你,请查收。

  eNodeB:好的收到,你把源小区资源释放,然后待在Cell-2就好了

  UE:好的。

  Cell-2:我已收到UE

  站内切换是LTE切换中最简单的一种,除了站内切换,站间切换也是很常见的,如果遇到不同制式的网络终端还将进行系统间切换等。

  当UE从一个eNodeB的小区切换的另一个eNodeB的小区时,两个eNodeB会通过X2口接发生一系列的信令交互配合切换成。具体如下

  UE:兄弟在吗,我想切换到另一个eNodeB的小区,你让目标eNodeB准备准备(切换请求,并请求在目标端建立与MME之间的信令承载)

  MME:行,我看看啊,可以切换,目标eNodeB你准备准备吧

  目标eNodeB:好的

  源eNodeB:好的,我也准备准备,我定个时(设置定时器,等待目标端响应)

  源eNodeB:兄弟,我这边准备切换了(发起切换请求)

  目标eNodeB:收到了兄弟,你可以切换

  源eNodeB:好的,我先把我之前的定时关了,再定个时(终止切换准备流程)

  目标eNodeB:我这边一切正常(反馈HANDOVER PREPARATION FAILURE)

  MME:好了,UE切换过去了

  源eNodeB:收到

  目标eNodeB:收到那就赶紧把你那边的资源释放了

  源eNodeB:好的,已释放

  UE:合作愉快…兄弟在吗(下个轮回)…

  真实的切换过程涉及到的信令、节点其实是相当多的,为了方便理解,我们可以将终端、基站侧及核心网看做三个部门,当有业务连接时需要相互报备,类似于我们申请报销时需要上报你的领导,你的领导初步审批与你进行沟通确认,再由你的领导与他的领导确认,最后由财务部统一审批、拨款。

  总结:

  运营商网络本身就是一个比较复杂的东西,但网络也是一个很有意思的事情。如果各位对LTE或者5G有兴趣的话,咱们可以下篇文章再聊聊其他的知识点,比如,你知道的投诉的真实流程是什么呢?投诉处理速度跟你的客户星级有没有直接关系呢,又或者为什么运营商或者设备商都喜欢将网速标注为Mbps而不是MB/S呢?


本文来源:IT之家

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